一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置及测量方法

1.本发明属于杨氏模量测量技术领域，涉及金属丝杨氏模量的测量，具体提供一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置及测量方法。


背景技术：

2.目前，基于拉伸法的金属丝杨氏模量测量方法主要有光杠杆法(镜尺法)、光学法、电学法和液压法等；其中，光杠杆法作为较常用的方法，但是其通过望远镜寻找标尺的像较为麻烦并且晃动严重，不利于读数，不确定度约在5％～15％之间；光学法和电学法测量方便操作简单，不确定度分别约在1％～3％和1～4％之间，但是价格高昂；液压法不确定度约为1～5％，但其存在水压对砝码的影响产生的误差不易消去。因此，需要一种简单便宜而又可行误差较小的金属丝杨氏模量测量方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有光杠杆法(镜尺法)、光学法、电学法和液压法的金属丝杨氏模量测量方法各自存在的诸多问题，提供一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量方法及测量装置；本发明采用针筒结构基于排气法对金属丝的伸长量进行显著放大，实现简单易行、且测量误差小的金属丝杨氏模量测量。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置，包括：测量支架、砝码盘、针筒结构、移液管、移液管移动平台、以及水槽；其中，所述针筒结构包括：空管与活塞柄，所述活塞柄与砝码盘固定连接、且活塞柄位于砝码盘正下方，所述空管固定于测量支架上、且活塞柄在砝码作用下于空管中沿竖直方向移动，所述空管的乳头通过细软管与移液管共同构成一个气密结构，所述移液管固定于移液管移动平台上、且竖直放置于水槽中，移液管随移液管移动平台沿竖直方向移动使其中(移液管)液面与水槽中液面保持水平；待测金属丝一端连接于测量支架上，另一端连接于砝码盘。
6.基于上述基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
7.步骤1.在砝码盘上预置本底砝码，确保金属丝拉直；通过移液管移动平台控制移液管进行升降，使移液管中液面与水槽中液面保持一致，通过移液管测量得到针筒结构中排除气体的气体体积v0，记录本底砝码数量n0与对应的气体体积v0的数据对；
8.步骤2.设定砝码总数阈值为n，在本底砝码的基础上依次增加砝码直至达到砝码总数阈值n，每增加一个砝码，得到一组砝码数量与对应的气体体积数据对，采用最小二乘法得到所有砝码增加阶段的数据对进行线性拟合，得到砝码增加阶段的线性系数α
up
；
9.步骤3.再增加一个砝码后去除，在砝码数量为n的基础上依次递减砝码直至本地砝码数量n0，每减少一个砝码，得到一组砝码数量与对应的气体体积数据对，采用最小二乘法得到所有砝码减少阶段的数据对进行线性拟合，得到砝码减少阶段的线性系数α
down
；
10.步骤4.计算线性系数α
up
与线性系数α
down
取平均值得到线性系数α，即得到砝码数
量与气体体积的线性关系，并以此计算待测金属丝的杨氏模量。
11.从工作原理上讲：
12.本发明采用针筒结构基于排气法来对金属丝的伸长量进行显著放大，具体为：砝码重力使得金属丝拉伸形成微小形变，该微小形变通过固定于砝码盘正下方的活塞柄在空筒中的竖直移动转换为转换为针筒结构排出气体的体积，排除气体通过细软管转移至移液管，再由移液管实现体积测量，最终基于针筒结构排出气体的体积与针筒结构的结构尺寸(空筒内径所在圆面的面积)计算得到金属丝的伸长量，再匹配砝码重量计算得到金属丝杨氏模量。
13.上述装置中，针筒结构能够将金属丝的伸长量进行显著放大，以300cc注射器作为针筒结构为例，能够将杨氏模量的微小形变放大约69倍；同时，采用移液管、移液管移动平台与水槽共同实现针筒结构排出气体的体积测量，因移液管中液面与水槽中液面保持水平时管内气压等于外界大气压，基于该原理，在测量过程中移液管随移液管移动平台沿竖直方向移动使其中(移液管)液面与水槽中液面始终保持水平，即使得管内气压始终等于大气压，避免气压的变化导致管内气体出现额外的体积变化而造成误差，消除了大气压和水压对管内气体气压的影响。
14.综上，本发明的有益成果在于：提供一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置及测量方法，采用针筒结构基于排气法对金属丝的伸长量进行显著放大，实现简单易行、成本低廉、且测量误差小的金属丝杨氏模量测量。
附图说明
15.图1为本发明中基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置的结构示意图。
16.图2为本发明中针筒结构的示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
18.本实施例提供一种基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置，其结构如图1所示；具体包括：测量支架、砝码盘、针筒结构、移液管、移液管移动平台、以及水槽；其中，所述针筒结构如图2所示，包括：空管与活塞柄，所述活塞柄与砝码盘固定连接、且活塞柄位于砝码盘正下方，所述空管固定于测量支架上、且活塞柄在砝码作用下于空管中沿竖直方向移动，所述空管的乳头通过细软管与移液管共同构成一个气密结构，所述移液管固定于移液管移动平台上、且竖直放置于水槽中，移液管随移液管移动平台沿竖直方向移动使其中(移液管)液面与水槽中液面保持水平；待测金属丝一端连接于测量支架上，另一端连接于砝码盘。
19.进一步的，本实施例还提供上述基于排气法的金属丝杨氏模量测量装置对应的测量方法，包括以下步骤：
20.步骤1.在砝码盘上预置本底砝码，确保金属丝拉直；通过移液管移动平台控制移液管进行升降，使移液管中液面与水槽中液面保持一致，通过移液管测量得到针筒结构中排除气体的气体体积v0，记录本底砝码数量n0(n0＝2)与对应的气体体积v0的数据对；
21.步骤2.设定砝码总数阈值为n(n＝9)，在本底砝码的基础上依次增加砝码直至达到砝码总数阈值n，每增加一个砝码，得到一组砝码数量与对应的气体体积数据对，采用最
小二乘法得到所有砝码增加阶段的数据对进行线性拟合，得到砝码增加阶段的线性系数α
up
；
22.步骤3.再增加一个砝码后去除，用以校准砝码减少阶段测得数据的零差，避免摩擦力带来的误差；在砝码数量为n的基础上依次递减砝码直至本地砝码数量n0，每减少一个砝码，得到一组砝码数量与对应的气体体积数据对，采用最小二乘法得到所有砝码减少阶段的数据对进行线性拟合，得到砝码减少阶段的线性系数α
down
；
23.步骤4.计算线性系数α
up
与线性系数α
down
取平均值得到线性系数α，即得到砝码数量与气体体积的线性关系，并以此计算待测金属丝的杨氏模量。
24.本实施例中，采用300cc注射器作为针筒结构、采用最小分度值为0.05ml的玻璃移液管，能够将杨氏模量的微小形变放大约69倍，实现简单易行、成本低廉、且测量误差小的金属丝杨氏模量测量。
25.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。