1、 1 用光杠杆放大法测定金属丝的杨氏模量 一、 前言 杨氏模量是工程材料重要参数，它反映了材料弹性形变与内应力的关系，它只与材料性质有关， 是选择工程材料的重要依据之一。 设长为L，截面积为S的均匀金属丝，在两端以外力F相拉后，伸长L。实验表明，在弹性范 围内，单位面积上的垂直作用力 F/S（正应力）与金属丝的相对伸长L/L(线应变)成正比，其比例 系数就称为杨氏模量，用Y表示，即 / / FS F L Y LLSL （1） 这里的F、L和S都易于测量，L属微小变量，我们将用光杠杆放大法测量。 放大法是一种应用十分广泛的测量技术。我们将在本课程中接触到机械放大、光放大、电子放 大等测量术。如螺
2、旋测微计是通过机械放大而提高测量精度的，示波器是通过将电子信号放大后进 行观测的。本实验采用的光杠杆法是属光放大技术。光杠杆放大原理被广泛地用于许多高灵敏度仪 表中，如光电反射式检流计、冲击电流计等。 放大法的核心是将微小变化量输入一“放大器”，经放大后再作精确测量。 设微小变化量用L表示，放大后的测量值为N，我们称 N A L 为放大器的放大倍数。原则上 A 越大，越有利于测量，但往往会引起信号失真。研究保真技 术已成为测量技术的一个专门领域。 二、 实验目的： 1、 学会测量杨氏弹性模量的一种方法 2、 掌握光杠杆放大法测量微小长度的原理 3、 学会用逐差法处理数据 三、 实验原理 本实验
3、的整套装置由“数显气（液）压加力杨氏模量拉伸仪”和“新型光杠杆”组成。 数显气（液）压加力杨氏模量拉伸仪如图 1 所示，金属丝上下两端用钻头夹具夹紧，上端固定 于双立柱的横梁上，下端钻头卡的连接拉杆穿过固定平台中间的套孔与拉力传感器相连。加力装置 施力给传感器，从而拉伸金属丝。所施力大小由电子数字显示系统显示在液晶显示屏上。加力大小 由液压调节阀改变。 液压调节阀 图 1 液压调节 杨氏模量仪数显液晶屏连接管 接口 21. 测量杨氏弹性模量的原理公式 设金属丝的直径d，将 2 4 d S 带入式（1）： 2 4FL Y dL （2） 2. 光杠杆放大原理： 图2（a）为新型光杠杆的结构示意图。
4、在等腰三角形铁板1的三个角上，各有一个尖头螺钉， 底边连线上的两个螺钉B和C称为前足尖，顶点上的螺钉A称为后足尖，2为光杠杆倾角调节架，3 为光杠杆反射镜。调节架可使反射镜作水平转动和俯仰角调节。测量标尺在反射镜的侧面并与反射 镜在同一平面上,如图 2（b）所示。测量时两个前足尖放在杨氏模量测定仪的固定平台上，后足尖 则放在待测金属丝的测量端面上，该测量端面就是与金属丝下端夹头相固定连接的水平托板。当金 属丝受力后，产生微小伸长，后足尖便随测量端面一起作微小移动，并使光杠杆绕前足尖转动一微 小角度，从而带动光杠杆反射镜转动相应的微小角度，这样标尺的像在光杠杆反射镜和调节反射镜 之间反射，便把这
5、一微小角位移放大成较大的线位移。这就是光杠杆产生光放大的基本原理。下面 我们来导出本实验的测量原理公式。 图 3(a)为 NKY-2 型光杠杆放大原理示意图；标尺和观察者在两侧，如见图 3（b）所示。开始时光杠 杆反射镜与标尺在同一平面,在望远镜上读到的标尺读数为 0 p ,当光杠杆反射镜的后足尖下降L 时，产 生一个微小偏转角 ，在望远镜上读到的标尺读数 1 p , 10 PP 即为放大后的钢丝伸长量N， 常称作视伸长。 由图可知 b b L tan D D P P N 4 4 tan 0 1 3 C A B 1 2 图 2(a) B C 反射镜 图 2(b) 标尺 光杠杆反射镜 A 图 3
6、（b） 望远镜 调节反射镜图 3（a） L B D 2 1 2 0 P 1 P 调节反射镜标尺 4 望远镜 光杠杆 反射镜 A 3 所以它的放大倍数为 10 0 4 PP ND A LLb 带入式（2）可得： 2 16FLD Y dbN （3） 式中 b 称为光杠杆常数或光杠杆腿长，为光杠杆后足尖 A 到两前足尖 BC 连线的垂直距离，如图 4（a） 所示 D为反射平面镜到标尺的距离，可用光学方法在望远镜中间接测得。调节望远镜的目镜,聚焦后可清晰地 看到叉丝平面上有上、中、下三条平行基准线，如图 4(b)所示，其中间基准线称为测量准线，用于读金 属丝长度变化的测量值 12 , nn ，上下两条
7、准线称为辅助准线。它们之间的距离 a n - b n 称为视距,则有 100 3 D 视距 四、 系统误差分析与消减办法 1、 由于钢丝不直或钻头夹具夹得不紧将出现假伸长，为此，必须用力将钻头卡夹紧钢丝。同时， 在测量前应将金属丝拉直并施加适当的预拉力。 2、 由于钢丝在加外力后，要经过一段时间才能达到稳定的伸长量，这种现象称为滞后效应，这 段时间称为驰豫时间。为此每次加力后应等到显示器数据稳定后再进行测读数据。 3、 金属丝（钢丝）锈蚀或长期受力产生所谓金属疲劳，将导致应力集中或非弹性形变，因此， 当发生钢丝锈蚀或使用2年以上应作更换 。 4、 测力秤的误差，本实验所用的数字测力秤的示值误差
8、为+10g。 5、 关于其他测量量的误差分析与估算 （1） 由于测量条件的限制，L,D,b三个量只作单次测量，它们的误差限应根据具体情况估算。 其中 L,D 用钢尺测量时，其极限误差可估算为 13mm。 测量光杠杆常数 b 的方法是，将三个足尖压印在硬纸板上，作等腰三角形，从后足尖至 两前足尖连线的垂直距离即为 b。由于压印，作图连线宽度可达 0.20.3mm，故其误差 限可估算为 0.5mm。 （2） 金属丝直径 d 用千分尺多次测量时，应注意测点要均匀地分布在上、中、下不同位置， 千分尺的仪器误差取 0.004mm。 五、 实验内容与仪器配置 内容：测定钢丝的杨氏模量。 仪器：数显气(液)
9、压加力杨氏模量测定仪，新型光杠杆，螺旋测微计，钢卷尺、游标卡尺各一个。 六、 实验步骤与操作要点 1、 观察杨氏模量测定仪上的圆形水准器的水泡是否居中，若不居中可调节底脚螺丝直至水准泡 居中为止，此时意味着杨氏模量仪的立柱铅直，平台水平。 2、 将液压连接管头插入拉伸仪接口,并拧紧压紧螺帽（一般实验室已经连接好）。使液压调节螺 A B C b D 图 4（a） a n b n 图 4（b） 4 杆沿减力方向调至“零位”（注意：顺时针转动螺杆为加力方向，反时针转动为减力方向）。 3、 将照明标尺插入拉伸仪平台左边的小柱内,再将照明线接头插入拉伸仪左侧照明电源接口。 （一般实验室已经连接好） 4、
10、 调节光路 (1)将光杠杆放置好，两前足尖放在平台槽内，后足尖置于与钢丝固定的圆形托盘上,并使 光杠杆反射镜平面与照明标尺基本在一个平面上。调节光杠杆平面镜的倾角螺钉，使平 面镜与平台面基本垂直。 (2)调节望远镜与调节反射镜高度，使其与光杠杆基本处于等高位置。调节反射镜的倾角螺 丝，使反射镜镜面与光杠杆镜面基本平行。 (3)小心转动调节反射镜,至目测能看到照明标尺经调节反射镜投射到光杠杆反射镜的像为 止。 (4)通过望远镜找到标尺的像；若找不到，应调节光杠杆和反射镜倾角螺钉以及望远镜的位 置。直至找到为止 5、 调节望远镜的目镜焦距看清叉丝平面的三条准线。调节物镜焦距清晰起地看清反射回的标尺
11、 像并无视差。 6、 测量。 （1） 按下数显测力秤的“开/关”键。待显示器出现“0.000”后，用液压加力盒的调节螺杆 加力，显示屏上会出现所施拉力。 （2） 为测量数据准确方便，先测量加载过程，将数显拉力从 14Kg 始，每间隔 1Kg 记录标尺读 数10组数据,分别记作 013456789 , nnnnnnnnn 。隔数分钟后，连续减载，每减少1kg 观测一次标尺读数。读取相应的十组数据，填入记录表格中。 （3） 重复上述步骤(2)重做一遍。 （4） 观测完毕应调节液压调节螺杆旋至最外，使测力秤指示“0.000”附近后，再关掉测力秤 “电源”。 （5） 测量 D,L,b,d 值，其中 D
12、,L,b 只测一次，d 用千分尺在金属丝的不同位置测 6 次，记入自 行设计表格中。 7、 操作要点： 调节好光路是本实验的基础，为此必须充分理解光杠杆的放大原理。调节标尺反射平面 镜望远镜光路系统，使标尺在平面镜中的反射像能进入望远镜；调节望远镜的目镜和物镜焦 距，确保在望远镜中能清晰且无视差地看到叉丝平面的三条准线和标尺像的刻度线。弄清光杠 杆和调节反射镜调节俯仰角的方法，操作时动作要轻，要精细准确。 七、 实验记录与数据处理 1、实验数据： 标尺读数(cm) 次数 拉力示值 （kg） 加载 减载 平均 逐差N 值(cm) 0 14.000 3.00 3.10 3.10 150 NPP 1
13、.46 1 15.000 3.30 3.40 3.35 261 NPP 1.49 2 16.000 3.59 3.70 3.64 372 NPP 1.47 5 3 17.000 3.99 3.97 3.98 483 NPP 1.44 4 18.000 4.20 4.23 4.22 594 NPP 1.48 5 19.000 4.50 4.52 4.51 N 1.47 6 20.000 4.80 4.87 4.84 7 21.000 5.10 5.12 5.110 8 22.000 5.40 5.43 5.415 9 23.000 5.70 5.71 5.705 次数 1 2 3 4 5 6 平
14、均 ) (mm d 0.796 0.797 0.798 0.796 0.797 0.795 0.7965 mm L 3 396 ， mm b 02 . 0 82 . 84 cm n n D b a 122 85 . 1 51 . 5 3 100 3 100 ， cm D 2 122 2、数据处理： 求d d 的 A 类不确定度： mm d d d i i d A 0010 . 0 1 6 ) ( ) ( 6 1 2 d 的 B 类不确定度： mm INS 004 . 0 合成不确定度： 2 2 B A d U mm 004 . 0 ) 004 . 0 ( ) 0010 . 0 ( 2 2 mm
15、 U d d 004 . 0 796 . 0 求F N F 01 . 49 8011 . 9 000 . 5 N g U B F 10 . 0 8011 . 9 010 . 0 N U F F 10 . 0 01 . 49 求N cm N N N i i N A 019 . 0 1 5 ) ( ) ( 5 1 2 cm N INS B 07 . 0 05 . 0 2 2 ) ( 6 2 2 B A N U cm 07 . 0 ) 07 . 0 ( ) 019 . 0 ( 2 2 mm U N N 07 . 0 47 . 1 求E 2 5 2 2 / 10 53 . 1 47 . 1 82 .
16、84 796 . 0 142 . 3 122 396 01 . 49 16 16 mm N bN d FLD E 2 2 2 2 2 2 4 ) ( N U b U d U D U L U F U E U N b d D L F r% 5 47 . 1 07 . 0 82 . 84 02 . 0 796 . 0 004 . 0 4 122 2 396 3 01 . 49 10 . 0 2 2 2 2 2 2 2 5 5 / 10 08 . 0 % 5 10 53 . 1 mm N E U E U r E E的测量结果： % 5 % 100 ) ( / 10 08 . 0 53 . 1 2 5 E U E U mm N U E E r E求放大倍数 0 A 5 . 57 482 . 8 122 4 4 0 b D A 八、 思考题 1、 杨氏模量测量数据N若不用逐差法而用作图法处理，请想一想如何处理? 2、 根据误差分析，要使 Y 的实验结果理想，关键应抓住什么量进行测量?为什么?为什么不同的 长度量（共几个）要用不同仪器进行测量（有哪几种）? 3、 用光杠杆放大法测量微小长度变化有什么优点?怎样提高光杠杆放大系统的放大倍数? 4、 试证明：若测量前光杠杆反射镜与调节反射镜不平行，不会影响测量结果。
