一种精确测量杨氏模量的装置和方法

本发明属于测量，具体涉及一种精确测量杨氏模量的装置和方法。

背景技术：

1、杨氏模量是一个衡量固体材料弹性形变能力的重要指标，对于各种材料的力学性质研究具有重要意义，包括纳米材料、金属材料、陶瓷和橡胶等材料。在工程应用中，杨氏模量的准确测定对于设计和制造各种结构和器件至关重要。通过了解材料的杨氏模量，我们可以评估其在应力下的变形情况，了解材料的强度、刚度和可塑性等特性。这对于优化设计、改进材料性能以及预测材料在实际应用中的表现至关重要。因此，对于杨氏模量的准确测定和研究对于材料科学和工程领域的发展具有重要意义。

2、目前，测量杨氏模量的传统方法有拉伸法、梁弯曲法、霍尔元件传感器法等实验方式。其中，拉伸法是最常见的一种测量方法，其利用静态拉伸法和光杠杆放大原理把微小位移进行放大，用望远镜观察反射在镜子上的标尺的读数，测量并计算杨氏模量。但拉伸法测量结果的准确性影响因素较多，如光路校准难度、砝码取放引起的金属丝晃动、环境光干扰等。因此，许多研究学者就该问题进行了改进，利用莫尔条纹的光学特性对金属丝的微小形变进行测量，相比于光杠杆法极大地减少了实验误差，但实验操作时均采用肉眼对莫尔条纹的移动进行观察，使得实验结果相比于理论值也具有一定的误差。

3、专利cn108709798a公开了一种基于迈克尔逊干涉仪的杨氏模量测量装置和方法，此装置包括s型拉力传感器、金属丝、工型支撑杆、齿轮组外壳、拉力传感器支撑底座、拉力传感器显示器、迈克尔逊干涉仪主体（包括m1镜、移动座、m2镜、调节旋钮、螺杆、补偿板、微调旋钮和分光板）、光屏、线阵ccd、he-ne激光器、光屏支撑杆、支撑横杆、激光器支撑底座和单片机，拉力传感器显示器与s型拉力传感器相连，金属丝左端与s型拉力传感器的挂钩相连，金属丝右端与m1镜相连，光屏背部装有线阵ccd，单片机与线阵ccd相连，迈克尔逊干涉仪后端左侧放置有he-ne激光器，右侧正对he-ne激光器装有分光板和m2镜。该专利方法存在的问题是整个装置的仪器繁杂，操作复杂。

4、专利cn102636123a公开了一种迈克尔逊干涉测量金属丝杨氏模量的方法，所述方法具体为：金属丝的一端固定在迈克尔逊干涉仪的底部、另一端固定在迈克尔逊干涉装置的一个平面镜上；缓慢变化的拉力使金属丝缓慢伸长后导致平面镜移动带来光程差变化，观察到一个一个条纹的移动；观察屏上的条纹合适时，记录此时的拉力传感器的读数，打开水流速控制旋钮的控制水的流速，水从盛水容器通过输液管道流到金属桶，观察干涉条纹的变化数目以及拉力传感器的读数变化，读数金属丝的长度和测量金属丝的直径就可以计算金属丝的杨氏模量。该专利方法仍然采用人眼观察条纹移动的变化，因此存在人眼疲劳带来的测量误差。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种精确测量杨氏模量的装置和方法，所述测量方法的测量精度高、误差小，同时操作简单、灵活性好。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种精确测量杨氏模量的装置，所述装置包括成像系统和测力系统，所述成像系统包括光源、放大镜、被测金属丝、位移光栅、指示光栅和图像处理机构，所述图像处理机构包括依次电连接的ccd线性图像传感器、第一arduino控制器和第一显示屏，所述ccd线性图像传感器的前端正对依次设置有所述指示光栅、位移光栅、放大镜和光源，所述位移光栅固定设置在所述被测金属丝上；所述测力系统包括依次电连接的拉力传感器、变送器、第二arduino控制器和第二显示屏；其中，所述拉力传感器的一端与被测金属丝的一端连接，所述拉力传感器的另一端连接手动绞盘。

3、本发明中，所述被测金属丝的另一端固定，且所述被测金属丝在竖直方向伸直。

4、本发明中，所述位移光栅和指示光栅的光栅常数d相同，光栅常数d取值范围为0.01-0.025mm。

5、本发明中，所述位移光栅和指示光栅的光栅常数d相同，光栅常数d取值范围为0.0125-0.02mm。

6、本发明中，所述位移光栅和指示光栅之间的栅距为1-3mm。

7、本发明中，所述光源为激光器。

8、本发明中，所述拉力传感器为s型拉力传感器。

9、根据本发明的另一个方面，还提供一种根据上述装置精确测量杨氏模量的方法，包括如下步骤：

10、（1）分别测量被测金属丝的直径d及长度l；

11、（2）打开光源，调整位移光栅和指示光栅的相对位置及角度，使ccd线性图像传感器上出现清晰的莫尔条纹，记录被测金属丝所受的初始拉力f0；

12、（3）缓慢匀速转动手动绞盘，使被测金属丝逐渐伸长，带动位移光栅和指示光栅的相对位置变化，产生莫尔条纹的位移；

13、（4）在所述ccd线性图像传感器上固定某一特定点作为监测点，每当所述监测点经过n条莫尔条纹时，记录对应的拉力f数值；

14、（5）将步骤（4）中记录的拉力f数值进行逐差处理，计算得到拉力变化值δf；

15、（6）根据公式，计算被测金属丝的杨氏模量y，其中，δl=光栅常数d；

16、公式中，y为被测金属丝的杨氏模量，δl=光栅常数d；

17、δf为逐差法处理后的拉力变化值；

18、l为金属丝未拉伸时的长度；

19、π表示圆周率；

20、d表示金属丝直径。

21、本发明中，步骤（1）中，所述被测金属丝的直径d的具体测量方法为：任意选取被测金属丝的上端、中部和下端各三处位置进行直径测量，计算直径的平均值。

22、本发明中，步骤（5）中，所述拉力变化值δf的计算公式为：

23、，其中，i为步骤（4）中拉力f数值的记录次数。优选的，i为正奇数；

24、δf的计算公式中，δf表示拉力变化值；

25、i为步骤（4）中拉力数值的记录次数，测试时i为正奇数，因此测拉力数值时测奇数次；

26、n为监测点经过的莫尔条纹数；步骤4）中每当所述监测点经过n条莫尔条纹时，记录对应的拉力数值；

27、fi为第i次对应测得的拉力数值；

28、f0为被测金属丝处于伸直但并未进行手动拉伸时的初始所受拉力值；

29、f1为第1次对应测得的拉力数值。

30、δf的计算公式为逐差法计算，公式的具体说明如下：

31、δf的计算公式为：

32、。

33、通过确定i的数值，来确定公式中、、分别应带入第几次测得的拉力数值。

34、例如，当i为5时，（i+1）/2=3，此时为f3，f3表示第3次对应测得的拉力数值。

35、此时为f4，f4表示第4次对应测得的拉力数值；此时为f2，f2表示第2次对应测得的拉力数值。

36、具体来说，本发明提供一种精确测量杨氏模量的装置，所述装置包括成像系统和测力系统。进一步的，所述成像系统包括光源、放大镜、被测金属丝、位移光栅、指示光栅和图像处理机构。进一步的，所述图像处理机构包括依次电连接的ccd线性图像传感器、第一arduino控制器和第一显示屏。进一步的，所述ccd线性图像传感器的前端正对依次设置有所述指示光栅、位移光栅、放大镜和光源，所述位移光栅固定设置在所述被测金属丝上。进一步的，所述指示光栅固定设置在测试平台上，不会随着金属丝的拉伸产生运动。优选的，使用支架夹持所述指示光栅，并将所述支架固定在所述测试平台上。优选的，所述测试平台为ymc-1杨氏模量测定仪自带的测试平台。进一步的，所述光源为激光器，优选为半导体激光器，其作用为提供莫尔条纹产生的光源。进一步的，所述测力系统包括依次电连接的拉力传感器、变送器、第二arduino控制器和第二显示屏；进一步的，所述拉力传感器设置在所述测试平台的下方，所述被测金属丝的一端穿过所述测试平台上的小孔与拉力传感器的一端连接，所述拉力传感器的另一端连接手动绞盘。优选的，所述拉力传感器和手动绞盘通过挂钩连接。

37、进一步的，所述被测金属丝的另一端固定，且所述被测金属丝在竖直方向伸直。本发明中的被测金属丝在拉力作用下，竖直方向受力产生微小形变，带动固定在其上的位移光栅运动，使其可与被测金属丝发生相同距离的位移。优选的，所述被测金属丝与拉力传感器连接的一端设置有卡头，所述卡头和被测金属丝之间不会发生滑动，所述位移光栅固定在所述卡头上，从而与被测金属丝发生相同距离的位移。更优选的，所述卡头为ymc-1杨氏模量测定仪自带的圆柱形纲丝卡头，其可以夹在金属丝上，所述位移光栅固定在圆柱形纲丝卡头上，其可以与金属丝发生相同的位移。进一步的，使用热熔胶将所述位移光栅固定在所述卡头上。

38、进一步的，所述位移光栅和指示光栅的光栅常数d相同，光栅常数d的范围为0.01-0.02mm，可以理解的是，光栅常数d为：1/d是正整数的前提下，d为在0.01-0.02范围内的任一数值。例如：1/d为100时，d为0.01；1/d为80时，d为0.0125；1/d为50时，d为0.02；1/d为40时，d为0.025。优选的，所述位移光栅和指示光栅的光栅常数d相同，光栅常数d为0.0125-0.02mm。更优选的，所述位移光栅和指示光栅的光栅常数均为0.02mm。优选的，所述位移光栅和指示光栅的栅距为1-2mm，进一步优选的，所述位移光栅和指示光栅的栅距为1mm。本发明的发明人发现，通过选择本发明所述光栅常数，保证了杨氏模量的测量精度，同时确保误差较小。若光栅常数过小，则形成的莫尔条纹间距会非常小，导致条纹过于密集，难以监测和统计；若光栅常数过大，则无法精确地测量金属丝的微小伸长量。

39、本发明中，所述位移光栅和指示光栅的形状和尺寸没有特殊要求，只需使测试过程中光源一直可以照射在光栅上即可。所述位移光栅和指示光栅的形状可以相同，也可以不同。优选的，所述的位移光栅和指示光栅的长均为34mm，宽均为24mm。

40、进一步的，所述测力系统包括依次电连接的拉力传感器、变送器、第二arduino控制器和第二显示屏。所述拉力传感器的一端与被测金属丝的一端连接，所述拉力传感器的另一端连接手动绞盘。优选的，所述拉力传感器为s型拉力传感器。优选的，所述变送器为bsq-3型变送器。当缓慢转动手动绞盘时，为被测金属丝提供稳定增加的拉力，避免了使用砝码作为拉力源引起的拉力突变情况，同时，第二显示屏将拉力传感器所测得拉力值实时显示出来。

41、本发明中，所述第一arduino控制器通过处理ccd线性图像传感器传输的数据，从而判断监测点是否经过了一条条纹，并将处理后的数据传输到第一显示屏上。所述第一arduino控制器的型号包括arduinounor3。本发明中，所述第二arduino控制器通过处理拉力传感器传输的数据，并将测得的拉力值实时显示在第二显示屏上。所述第二arduino控制器的型号包括arduinounor3。

42、本发明步骤（1）中，分别测量被测金属丝的直径d及长度l。进一步的，所述被测金属丝的直径d的具体测量方法为：任意选取被测金属丝的上端、中部和下端各三处位置进行直径测量，计算直径的平均值。优选的，使用游标卡尺测量被测金属丝的直径d及长度l。本发明中，所述被测金属丝的长度l为被测金属丝的固定端到位移光栅与卡头固定面之间的距离。

43、本发明步骤（2）中，打开光源，调整位移光栅和指示光栅的相对位置及角度，使ccd线性图像传感器上出现清晰的莫尔条纹，记录被测金属丝所受的初始拉力f0。本发明中，所述被测金属丝所受的初始拉力f0是指被测金属丝处于伸直但并未进行手动拉伸时的初始所受拉力值。

44、本发明步骤（3）中，缓慢匀速转动手动绞盘，使被测金属丝逐渐伸长，带动位移光栅和指示光栅的相对位置变化，产生莫尔条纹的位移。莫尔条纹的位移通过ccd线性图像传感器进行捕捉，并通过第一arduino控制器统计计数，并且将这些统计结果实时显示在第一显示屏上。

45、本发明步骤（4）中，在所述ccd线性图像传感器上固定某一特定点作为监测点，每当所述监测点经过n条莫尔条纹时，记录对应的拉力数值；优选的，步骤（4）中，所述拉力数值的记录次数i为5次、7次或9次，更优选为5次。例如，当步骤（4）中，所述拉力数值的记录次数i为5时，则分别记录拉力数值f1、f2、f3、f4和f5的数值，其中，f1为所述监测点第一次经过n条莫尔条纹时，对应的拉力数值；f2为所述监测点第二次经过n条莫尔条纹时，对应的拉力数值；f3为所述监测点第三次经过n条莫尔条纹时，对应的拉力数值；f4为所述监测点第四次经过n条莫尔条纹时，对应的拉力数值；f5为所述监测点第五次经过n条莫尔条纹时，对应的拉力数值。

46、本发明步骤（5）中，将步骤（4）中记录的拉力数值进行逐差处理，计算得到拉力变化值δf。进一步的，所述拉力变化值δf的计算公式为：

47、，其中，i为步骤（4）中拉力数值的记录次数。优选的，i为正奇数。本发明通过逐差法计算拉力变化值，从而进一步减小测量误差，提高测量精度。

48、本发明步骤（6）中，根据公式，计算被测金属丝的杨氏模量y。本发明中，被测金属丝的伸长量δl=光栅常数d。本发明通过将金属丝的微小变化量固定为光栅常数d，记录更易测量的拉力数值，利用逐差法计算产生该形变所需的拉力变化量，从而避免了常规方法将金属丝的微小伸长量作为变化量而产生的测量难、误差大的问题，使得本发明的测量方法操作更加简单，杨氏模量的测量值更加精确。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、（1）本发明设计了一种精确测量杨氏模量的装置，成像系统通过位移光栅和指示光栅的调整，第一显示屏实时显示莫尔条纹的数量，实现被测金属丝细微形变量的精确测定；测力系统通过将使用拉力传感器及手动绞盘对金属丝所施加的拉力进行测量，实时观察施加在金属丝上的拉力值，并且施加的拉力均匀增加，避免了拉力突变对实验的影响，从而实现了对杨氏模量的快速准确测量，同时所述装置结构简单、操作灵活。

51、（2）本发明进一步选择位移光栅和指示光栅的光栅常数，从而提高了使用所述装置测试杨氏模量的精度。

52、（3）本发明同时提供了一种精确测量杨氏模量的方法，通过ccd线性图像传感器对莫尔条纹进行捕捉，并通过第一arduino控制器统计计数，并且将这些统计结果实时显示在第一显示屏上，提高了通过莫尔条纹测量金属丝微小伸长量的精度，精度可达10-6m；此外，本发明对拉力变化值的测量及计算方法，精度高、误差较小，从而保证了本发明所述方法测量杨氏模量的误差较小，误差可达1.4%，误差波动小。