一種用於測量楊氏模量的測量裝置的製作方法

2023-05-17 10:14:06 1

2)V《+及2(2)式中/^)A"A，a2=(l-/i22)/;r￡2;〖為恢復係數；、o為碰撞前的相對速度。由式(1)可知當完全彈性碰撞時，《=1，對於完全非彈性碰撞，《=0，則^=°°，這意味著兩球粘在一起永不分離。式(1)告訴我們，對於非彈性碰撞，其碰撞時間不但與兩球的質量、半徑、碰撞前相對速度以及材料的楊氏模量、泊松比有關外，還與材料的恢復係數有關。式(1)應用於球對平板的非彈性碰撞時，只要將^=°°，Wl=0°，V"=Vo,^為球與平板碰撞前的速度，其碰撞時間為complexformulaseeoriginaldocumentpage6(3)式中附為球的質量，"^4^/3冗(A+A)，i為球的半徑。恢復係數尺是碰撞前球接近平板速度^與碰撞後小球脫離平板速度^的比值。設球自高度A自由下落與平板碰撞後反彈到A高度，因^-V^，V2=V^，則得complexformulaseeoriginaldocumentpage6測出A與A就可求得球與平板的恢復係數《,由式(1)變形得complexformulaseeoriginaldocumentpage6(4)即complexformulaseeoriginaldocumentpage6(5)解得complexformulaseeoriginaldocumentpage6(6)由於球體與平板的泊松比A和A都以平方的形式出現，常用金屬材料的泊松比一般都介於0.23-0.42之間，而小球的材料為鋼，其楊氏模量￡1=210GiV/W2，A=0'28。將"和^代入式(6)得complexformulaseeoriginaldocumentpage6(1—A2)complexformulaseeoriginaldocumentpage7(7)所以只要測量出碰撞時間。碰撞速度^，鋼球半徑及，恢復係數^，即可得到被測材料的楊氏模量。上文中，當電磁鐵通電時，金屬測試球被電磁鐵吸引，停駐於電磁鐵的底部，位於待測金屬平板的上方，當控制器切斷電源(+24V)，電磁鐵失電，金屬測試球自由落體，撞擊到待測金屬平板上，於是經待測金屬平板與控制器的電源端導通；其測量過程是當金屬測試球受到電磁鐵的吸引處於一定高度，由於下拉電阻R的作用，測試球處於低電平，控制器中的與門禁止了振蕩器信號進入計數器；當開始測量時，控制器切斷電磁鐵電源，金屬測試球自由下落至被測量的金屬平板上，與平板接觸的瞬間，由於被測金屬平板接於控制器電源上(系統電源+5V)，測試球為高電平，與門電路開鎖，允許振蕩器的信號進入計數器，並開始計數；當測試球彈起時，測試球又處於低電平，計數器停止計數，控制晶片通過讀取計數器的數據，就可得到打擊時間。由於球與金屬平板之間的距離可直接測出，因此通過對碰撞過程中碰撞時間的測定可實現對金屬平板材料楊氏模量的間接測量。由於上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有的優點是1、由於本實用新型測試時使用的是待測金屬材料的平板，不需要對材料進行採樣(切絲或切片)，因而屬無損測量，避免採樣測量對金屬材料帶來的破壞及浪費，省去了測量前對材料的處理工序；2、通過單片機的檢測、計數，與以往人工調節、觀測得出的數值相比較，計算後得出的楊氏模量值更為精確，避免了人為誤差，能滿足工程測量的需要；3、本實用新型適用於對細小樣品和大型鑄件及永久性組裝構件的彈性模量的檢測，使用壽命長，理論上可進行12000次的打擊測試。圖1是本實用新型實施例一的結構示意圖2是本實用新型實施例一中控制器的原理框其中1、電磁鐵；2、金屬測試球；3、下拉電阻；4、待測金屬平板；5、控制器。具體實施方式以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例一參見圖1、2所示，一種用於測量楊氏模量的測量裝置，包括電磁鐵l、金屬測試球2及控制器5，所述電磁鐵1引出端的上端與電源連接，下端接於所述控制器5上，待測金屬平板4位於該電磁鐵1的下方，所述控制器5的電源端(高電平+5V)電連接於該金屬平板上；所述金屬測試球2位於電磁鐵與待測金屬平板之間，並具有自所述電磁鐵底部至所述待測金屬平板上表面之間的上下自由度，所述金屬測試球上設有引出端，該引出端經一下拉電阻R接地，所述控制器5的信號輸入端並接於該引出端上；本實施例的金屬測試球採用鋼球。參見圖2所示所述控制器為一單片機系統，包括AT89C55控制晶片、計數器、緩衝器、振蕩器及輸入、輸出設備，所述振蕩器與所述金屬測試球引出端經與門接至所述計數器輸入端上，計數器輸出端經緩衝器與控制晶片P0腳連接，計數器的輸出端接於T0腳，P1.7腳接於計數器輸入端，所述輸出設備顯示器、印表機並接於該信號輸入端上，所述輸入設備鍵盤接於所述控制晶片的P1.0P1.4腳，P1.5腳與電磁鐵下端連接，待測金屬平板接於系統+5V電源上。其測量過程是當鋼球受到電磁鐵的吸引處於一定高度，由於下拉電阻R的作用，鋼球處於低電平，禁止了10MHz振蕩器信號進入計數器。當開始測量時，由P1.5送出信號切斷電磁鐵的電源，導致鋼球自由下落至被測量的平板。當鋼球與平板接觸的瞬間，由於被測金屬平板接上了系統的+5V電源，因此與門電路開鎖，允許10MHz振蕩器的信號進入計數器，並開始計數。鋼球彈起時，鋼球又處於低電平，計數器停止計數，AT89C55晶片通過讀取計數器的數據，就可得到打擊時間。測量系統採用振蕩頻率為10MHz，其振蕩周期為O.ljis，因此測量精度為土0.1ns。由于振蕩器採用石英晶振，其誤差僅為10—8量級，對測量精度的影響可以忽略不計，這樣的設計確保了測量的準確性。由於球與平板之間的距離可直接測出。測量系統對打擊時間的測定精度為aA、因此通過對碰撞過程中碰撞時間的測定可實現對金屬平板材料楊氏模量的間接測量。以下是一組測量數據，小鋼球的楊氏彈性模量￡=21{^^/2，質量w=0'0043&，半徑7=0.005附，讓小球由20cm的高度自由落下。實驗用的金屬平板為鋁、不鏽鋼以及^鋼三種金屬材料。實驗1:以鋼球打擊鋁板讓小球從20cm的高度落下，測得小球與鋁板的打擊時間如表1所示，表中共列出了100次測量數據。表1小球碰撞鋁板的打擊時間^(A"complextableseeoriginaldocumentpage9將系統測量得到的打擊時間^代入公式(7)中complexformulaseeoriginaldocumentpage10(7)即可計算出鋁板的楊氏模量五。鋁板/z,0'35，小球質量m、半徑i、打擊高度^和^以及鋁板^2=0'33代入公式(7)中，式中^=>/^，《=V^，求出鋁板的楊氏模量如表2所示表2鋁板的楊氏彈性模量五(GW/附2)complextableseeoriginaldocumentpage10將實驗所得鋁板100個楊氏模量數據經MATLAB軟體模擬後得出曲線，經過對實驗數據以及楊氏模量模擬曲線圖的分析，發現得到的鋁板楊氏模量的實驗值A與理論值^存在固定的偏差，且具有一定的線性關係，因此在楊氏彈性模量的理論計算公式中加入了一個修正係數&=0.806，公式(7)變為complexformulaseeoriginaldocumentpage11(8)將打擊時間f代入加修正係數後的楊氏模量計算公式中，得到鋁板楊氏模量的模擬曲線，由IOO個實測數據加修正係數後求出的鋁板楊氏模量平均值E:67，9GiV/m2，與理論的鋁以及鋁合金金屬板的楊氏模量值^=7(^^/^誤差為3%。實驗2:鋼球與不鏽鋼板以及A3鋼打擊讓小球從20cm高處落下，取不鏽鋼和A3鋼的泊松比均為^=a28，分別測量出小球與不鏽鋼板以及A3鋼的碰撞時間^並代入公式(8)，並求出各自的楊氏模量^。由100個實測數據加修正係數後求出的不鏽鋼板楊氏模量平均值￡=204.4GW/w2，與不鏽鋼板類楊氏模量理論值為E-"0.0(^V/W相比較，誤差為2.7%。由100個實測數據加修正係數後求出的不鏽鋼板楊氏模量平均值￡=200.8GiV/m2，與理論值￡=207.0G7V/附2相比較，誤差為3%。通過對不鏽鋼和^鋼實測數據的分析，得出結論，修正係數^也適用。權利要求1.一種用於測量楊氏模量的測量裝置，其特徵在於包括電磁鐵[1]、金屬測試球[2]及控制器[5]，所述電磁鐵[1]引出端的一端與電源連接，另一端接於所述控制器的控制信號輸出端，待測金屬平板[4]位於該電磁鐵[1]的下方，並與所述控制器[5]的高電平電連接；所述金屬測試球[2]位於電磁鐵與待測金屬平板之間，並具有自所述電磁鐵底部至所述待測金屬平板上表面之間的豎直方向的運動自由度，所述金屬測試球上設有引出端，該引出端連接至所述控制器的信號輸入端並經一下拉電阻[3]接地；所述控制器[5]中設有輸入信號檢測及處理裝置。2.根據權利要求1所述的用於測量楊氏模量的測量裝置，其特徵在於所述控制器為一單片機系統，包括控制晶片、計數器、緩衝器、振蕩器及輸入、輸出設備，所述振蕩器的輸出端與所述金屬測試球的引出端經與門接至所述計數器輸入端上，計數器輸出端經緩衝器與控制晶片信號輸入端連接，所述輸出設備並接於該信號輸入端上，所述輸入設備接於所述控制晶片的輸入端上。3.根據權利要求2所述的用於測量楊氏模量的測量裝置，其特徵在於所述振蕩器的頻率不低於2兆赫。專利摘要本實用新型公開了一種用於測量楊氏模量的測量裝置，其特徵在於包括電磁鐵、金屬測試球及控制器，待測金屬平板位於電磁鐵的下方，並與所述控制器的高電平電連接；所述金屬測試球位於電磁鐵與待測金屬平板之間，其上設有引出端，該引出端連接至所述控制器的信號輸入端並經一下拉電阻接地；所述控制器中設有輸入信號檢測及處理裝置。本實用新型通過採用非彈性撞法測定金屬材料的彈性模量，避免對材料做採樣處理，實現無損測量，以單片機檢測、計數，亦提高了測量精度，減少人為誤差。文檔編號G01N3/40GK201072395SQ20072004697公開日2008年6月11日申請日期2007年9月5日優先權日2007年9月5日發明者孫海燕,鄒麗新,智陶,顧濟華申請人:蘇州大學