一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统

1.本实用新型属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统。


背景技术：

2.杨氏模量，是指待测物体沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的专有名词，其反映了材料产生弹性变形难易程度的特性指标；
3.目前对于弹性模量的测量主要包括拉伸法和弯曲梁法，而上述两种方法均是使用现有的落地式杨氏模量测量装置进行测量的，而现有的测量装置在使用时存在以下缺陷：
4.1.现有的落地式尺读望远镜立杆较细且比较高，重心偏高，在实验过程中望远镜极易发生振动和倾倒，致使难以读数；
5.2.在望远镜中观察到标尺的像是仪器调整的重要环节，但由于现有装置的标尺发出的是漫射光，不利于对小反射镜方向的调整，因此在望远镜中找到标尺的像成为实验操作的难点；
6.因此，急需设计出一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，能够同时解决上述问题。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，本装置通过在尺读望远镜系统上设置抗震支撑组件、激光辅助组件和观察组件，能够在使用时，有效避免立杆晃动、望远镜中难以找到标尺的像的问题，且利用本装置能够进行“拉伸法”和“弯曲梁法”两种测金属杨氏模量的实验，具有使用方便、结构简单，实用性强的特点。
8.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
9.一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，所述系统为与物料放置架配合使用的尺读望远镜系统，所述尺读望远镜系统包括抗震支撑组件、激光辅助组件和观察组件；所述抗震支撑组件包括固定外筒和立杆，所述固定外筒设置在立杆的下部，立杆固定在固定外筒内，且在固定外筒与立杆之间填充有减震材料，所述激光辅助组件和观察组件均活动设置在立杆上。
10.优选的，所述的激光辅助组件包括刻度尺、第一套接调节件、安装件和激光器，所述第一套接调节件活动套设在观察组件上侧的立杆上，所述安装件固定安装在第一套接调节件的一侧，且在安装件的下端设置有固定横板，所述激光器安装在固定横板上，且在所述固定横板的下端设置有连接环，所述连接环通过连接挂钩与刻度尺连接。
11.优选的，所述的第一套接调节件的两侧分别设置有第一限位螺栓和紧固螺栓，所述安装件的上端挂设在紧固螺栓上。
12.优选的，所述的观察组件包括望远镜、第二套接调节件和导向连接件，所述第二套
接调节件活动套设在第一套接调节件下侧的立杆上，且在第二套接调节件上设置有安装台，所述望远镜安装在安装台上，所述导向连接件安装在远离望远镜一侧的第二套接调节件上，且与刻度尺配合使用。
13.优选的，所述的第二套接调节件通过第二限位螺栓设置在立杆上，所述导向连接件通过紧固螺栓与第二套接调节件连接。
14.优选的，所述的导向连接件为横向的u形结构，且在导向连接件上设置有导向槽，所述导向槽的后侧设置有紧压板，所述紧压板通过第三调节螺栓安装在导向槽内，对刻度尺进行固定。
15.优选的，所述的固定外筒的下端设置有脚撑底座，所述脚撑底座的四个脚上均设置有支撑调节件，所述支撑调节件与脚撑底座的四个脚螺纹连接。
16.本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，与现有技术相比，本实用新型的改进之处在于：
17.(1)本实用新型设计了一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，本装置将原本细长的立杆设计为包括固定外筒和立杆的结构，且在固定外筒与立杆之间填充减震材料，有效避免了在使用过程中上部激光辅助组件和观察组件的晃动，便于观察望远镜读数，进行准确读数，同时又能满足坐姿和站姿测量的要求；
18.(2)本装置通过设置激光器和安装件，在使用时，直接利用激光器去与反射镜对准，对准的光线集中，避免了传统对光操作中，由于标尺反射的是漫射光导致的在望远镜中难以找到标尺的像的问题，同时通过安装件、导向连接件对刻度尺进行连接和导向，保证了在使用过程中刻度尺的垂直度和避免了使用过程中刻度尺的晃动，来有效保证测量精度；且利用本装置能够进行“拉伸法”和“弯曲梁法”两种测金属杨氏模量的实验，本装置具有固定效果好、使用方便、结构简单，实用性强的优点。
附图说明
19.图1为本实用新型集成式杨氏模量测量的综合实验装置的结构示意图。
20.图2为本实用新型尺读望远镜系统的结构示意图。
21.图3为本实用新型尺读望远镜系统a处的局部放大图。
22.图4为本实用新型尺读望远镜系统b处的局部放大图。
23.图5为本实用新型导向连接件的俯视图。
24.图6为本实用新型安装件的结构示意图。
25.图7为本实用新型拉伸法测杨氏模量原理图。
26.图8为本实用新型弯曲梁法原理图。
27.其中：1.尺读望远镜系统，11.固定外筒，12.立杆，13.脚撑底座，14.支撑调节件，15.望远镜，16.刻度尺，17.第一套接调节件，171.第一限位螺栓，172.紧固螺栓，18.第二套接调节件，181.第二限位螺栓，182.导向连接件，1821.导向槽，1822.紧压板，1823.第三调节螺栓，19.安装件，191.固定横板，2.物料放置架，3.激光器。
具体实施方式
28.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附
图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。
29.参照附图1-8所示的一种用于杨氏模量测量的减震望远镜系统，所述系统为与物料放置架2配合使用的尺读望远镜系统1，所述尺读望远镜系统1包括抗震支撑组件、激光辅助组件和观察组件，所述抗震支撑组件包括固定外筒11和立杆12，所述固定外筒11设置在立杆12的下部外侧，立杆12固定在固定外筒11内，且在固定外筒11与立杆12之间填充有减震材料，以避免在使用时立杆12晃动，所述激光辅助组件和观察组件均活动设置在立杆12上，分别用于辅助对准和观察。
30.优选的，所述的激光辅助组件包括刻度尺16、第一套接调节件17、安装件19和激光器3，所述第一套接调节件17活动套设在观察组件上侧的立杆12上，且在第一套接调节件17的两侧分别设置有第一限位螺栓171和紧固螺栓172，所述第一限位螺栓171用于调整所述第一套接调节件17在立杆上的位置，所述安装件19固定安装在第一套接调节件17的一侧的紧固螺栓172上，使用时，通过紧固螺栓172对安装件19进行固定，放置在使用时安装件19晃动，且在安装件19的下端设置有固定横板191，所述激光器3安装在固定横板191上，且在所述固定横板191的下端设置有连接环，所述连接环通过连接挂钩与刻度尺16连接，使用时，通过激光器3的集中光对反射镜进行对准，避免了传统的漫射光导致的在望远镜中难以找到标尺的像的问题。
31.优选的，所述的观察组件包括望远镜15、第二套接调节件18和导向连接件182，所述第二套接调节件18活动套设在第一套接调节件17下侧的立杆12上，且通过设置在第二套接调节件18上的第二限位螺栓181对第二套接调节件18在立杆12上的位置进行固定和限位，所述第二套接调节件18上设置有安装台，所述望远镜15安装在安装台上，所述导向连接件182安装在远离望远镜一侧的第二套接调节件18上，且与刻度尺16配合使用，对刻度尺16进行导向和固定，避免在使用过程中刻度尺16左右晃动。
32.优选的，所述的导向连接件182为横向的u形结构，且在导向连接件182上设置有导向槽1821，所述导向槽1821的后侧设置有紧压板1822，所述紧压板1822通过第三调节螺栓1823安装在导向槽1821内，通过悬紧第三调节螺栓1823，利用紧压板1822对刻度尺16进行固定。
33.优选的，为便于对尺读望远镜系统1进行固定，所述的固定外筒11的下端设置有脚撑底座13，所述脚撑底座13的四个脚上均设置有支撑调节件14，所述支撑调节件14与脚撑底座13的四个脚螺纹连接，使用时，通过旋动支撑调节件14对脚撑底座13在地面上的位置进行定位，还兼具一定调整固定外筒11高低的作用。
34.优选的，所述的立杆12为直径为26.5mm的不锈钢管，设计高度为150cm；所述固定外筒11的直径为62mm，设计高度为80cm。
35.优选的，在所述望远镜15的镜头上设置黑色保护套，首先，可以防止光杠杆反射回的激光进入望远镜，可提醒学生及时关闭激光，保护眼睛，其次，黑色的保护套形成一个显示屏，可以通过其观察激光的落点，以便对光杠杆上反射镜方向的调整。
36.优选的，设置并充分利用透明塑料记录板，在光路调整时用它来寻找激光的光斑，在实验时用它来记录实验数据。
37.优选的，增设隔断布帘，实验室通常可摆放两排设备，在两排之间增设一层活动布帘，可有效防止两排之间激光束的干扰。
38.本实用新型所述减震望远镜系统在进行杨氏模测量时的实验原理为：
39.测量金属杨氏模量的方法分为静态法和动态法，拉伸法和弯曲梁法测杨氏模量均属于静态法，二者都可以用光杠杆放大法对待测材料受力后的微小形变进行测量，进而求出金属的杨氏模量，下面对其原理作简要说明；
40.1.拉伸法
41.一根粗细均匀的金属丝，长度为ll，截面积为ss，在沿长度方向拉力ff的作用下，钢丝伸长δll，则：
[0042][0043]
式中，ee称为该材料的杨氏模量，其数值与材料的性质有关。
[0044]
若金属丝的直径为dd，则金属的杨氏模量计算式为：
[0045][0046]
由于伸长量δl的值很小，一般采用如图7所示的光杠杆放大法测量。设光杠杆长度(即后脚至前两脚连线的距离)为bb，直尺到小反射镜的距离为dd(d》》bd》》b)；钢丝未伸长时，由望远镜读出的标尺值为n1n1；加上砝码，钢丝伸长δll后，光杠杆镜面转过α角，此时从望远镜中读出的标尺值为n2n2，δn＝n
1-n2δn＝n
1-n2，反射镜面转过α角，镜面的法线同样也转过α角，因入射角与反射角相等，此时入射光线和反射光线的夹角为2α，则
[0047][0048]
于是，测定杨氏模量的理论公式可写为
[0049][0050]
2.用弯曲梁法测量金属的杨氏模量
[0051]
将厚为d、宽为b的金属梁放在相距为l的二刀刃上(如图8)，在梁上二刀刃的中点处挂上质量为m的砝码，梁被压弯，设挂砝码处下降λ，称此λ为弛垂度，这时梁材的杨氏模量e等于
[0052][0053]
本实用新型所述减震望远镜系统在进行杨氏模测量时的实验步骤包括：
[0054]
1.拉伸法测杨氏模量
[0055]
1.1仪器调整
[0056]
(1)预加适量砝码，使钢丝拉直，盖上望远镜盖；调整杨氏模量仪底座支撑调节件，使立柱竖直；使螺旋卡头与平台孔之间可无摩擦滑动；
[0057]
(2)将圆形小反射镜放在平台上，前两足尖限位螺钉放在防滑槽中，后足尖放在卡头上，并调整反射镜倾角时期大致竖直；在距反射镜约1.5-2m处放置望远镜15、刻度尺16及
激光仪3；打开激光仪3将其调整至与望远镜14同一水平面，通过激光笔的三维调节使光线落在反射镜上，再通过调节“光杠杆”的后脚尖部分与整体旋转装置使光线落在望远镜盖的中心；
[0058]
(3)关闭激光仪，打开望远镜盖；
[0059]
(4)望远镜的调节
[0060]
a.粗调：调节望远镜目镜，使“十”字叉丝清晰，使得从望远镜外侧沿望远镜筒轴线方向看到平面镜中标尺的像；
[0061]
b.细调：反复调节望远镜焦距和目镜旋钮，能清晰地看到“十”字叉丝和标尺的刻度，并且无视差。注意：调好标尺的高度，使标尺像的零点尽可能地落在望远镜“十”字叉丝的横线上，以保证有足够的刻度范围；
[0062]
1.2实验测量
[0063]
(1)依次将1kg砝码轻放在加重块上，每加一次砝码，从望远镜中读出相应的标尺读数n1，n2，
…
，n8，再逐个取下砝码，分别记录相应的标尺读数n8
′
，n7
′…
n1
′
，填入表中；增、减砝码时，手扶住加重块29，轻放轻取，使砝码上的缺口交错放置，不能摆动，以防倒下；
[0064]
(2)用螺旋测微计测钢丝在加载1个砝码及8个砝码时上、中、下3个部位的直径d，填入表中；然后用卷尺测钢丝的长度l，它是从上卡头到平台中夹钢丝的夹头的长度；然后测镜面到标尺的距离d，再将反射镜的小支架取下，在纸上压出3个点，测出后足点到前两足点间连线的垂直距离b值；这3个参量均作单次测量；
[0065]
1.3数据处理
[0066]
对同一载荷下的标尺读数取平均值再将平均数分成2组，用逐差法求出载荷增量为4mg时的δni及其平均值。
[0067]
2.弯曲梁法测量杨氏模量
[0068]
2.1仪器调整
[0069]
(1)将支架伸展，用支架支撑好金属片(待测梁)，并在有效长度的中点上挂上带有砝码的刀口(确保套件挂在待测梁的中心位置处)，将圆形小反射镜放在金属片上，前两足尖放在沟槽中，后足尖放在卡头上，并调整反射镜倾角时期大致竖直；
[0070]
(2)将望远镜上移至与支架同一平面，激光准直与望远镜的调整步骤同拉伸法测量杨氏模量；注意：调节好物镜与刀口上基线的距离，使得能够从读数望远镜清晰看到基线的像；
[0071]
2.2实验测量
[0072]
(1)反复调节望远镜上的焦距和目镜旋钮使得基线的像与十字刻度吻合，记下初始值；
[0073]
(2)逐次增加砝码(每次增加砝码的重量为100g)记下每次对应的望远镜的读数并填入表中，增加次数要成对，至少增加6次；
[0074]
(3)测量待测金属片的有效长度、厚度、宽度，各6次；
[0075]
2.3数据处理
[0076]
用逐差法求解出每增加100g时所对应的金属片在纵向伸长量δ，并代入杨氏模量计算表达式求出待测金属片的杨氏模量，与公认值进行比较，求出它们之间的百分误差；
[0077]
黄铜条参考值为：10.55x10
″
n/m2，铸铁：18.15x100n/m2；
[0078]
综合多项实验指标的评定结果，改进后的仪器在实验时长、教与学体验感、安全性与美观性等方面都有显著优势。
[0079]
3.通过上述测量方法得到的实验数据如下所示：
[0080]
(1)拉伸法
[0081]
表1：改进后拉伸法实验数据
[0082][0083][0084]
将d，l，d，b代入公式中，求出钢丝的杨氏模量，并评定不确定度。
[0085]
(2)弯曲梁法
[0086]
表2：弯曲梁法实验数据
[0087][0088]
由上述表格数据可见，“荷载-标尺读数”的线性关系良好，说明设备性能稳定，能满足实验的要求。
[0089]
4.实验时长
[0090]
自问题提出以来，通过一年间对使用原仪器完成拉伸法内容的学生实验时长的调查统计，95％的学生用时为1小时20分至2小时；仪器改进后，用新仪器完成拉伸法与弯曲梁法两个内内容的学生实验时长的调查统计，90％的学生用时为1小时30分至2小时10分。
[0091]
5.可操作性
[0092]
阻尼减震的应用，使望远镜的稳定性大大增加，即使在采用站姿时仍能在稳定状态下读数；这不仅使落地式尺读望远镜系统得以应用，同时也为后续集成弯曲梁设备提供了保证；所以，设备改进后在仪器调节过程中存在显著的优势。
[0093]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。