【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于测量，具体涉及一种精确测量杨氏模量的装置和方法。
技术介绍
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
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，本专利技术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，根据本专利技术的一个方面，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、本专利技术中，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、本专利技术中，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、本专利技术中，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、本专利技术中，所述位移光栅和指示光栅之间的栅距为1-3mm。
7、本专利技术中，所述光源为激光器。
8、本专利技术中，所述拉力传感器为s型拉力传感器。
9、根据本专利技术的另一个方面，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、本专利技术中，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、本专利技术中，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，本专利技术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、指本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种精确测量杨氏模量的装置，其特征在于：包括成像系统和测力系统，所述成像系统包括光源（1）、放大镜（2）、被测金属丝（13）、位移光栅（3）、指示光栅（4）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（5）、第一Arduino控制器（6）和第一显示屏（7），所述CCD线性图像传感器（5）的前端正对依次设置有所述指示光栅（4）、位移光栅（3）、放大镜（2）和光源（1），所述位移光栅（3）固定设置在所述被测金属丝（13）上；所述测力系统包括依次电连接的拉力传感器（8）、变送器（9）、第二Arduino控制器（10）和第二显示屏（11）；其中，所述拉力传感器（8）的一端与被测金属丝（13）的一端连接，所述拉力传感器（8）的另一端连接手动绞盘（12）。
2.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述被测金属丝（13）的另一端固定，且所述被测金属丝（13）在竖直方向伸直。
3.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述位移光栅（3）和指示光栅（4）的光栅常数d相同，光栅常数d取值范围为0.01-0.02
4.根据权利要求1或3所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述位移光栅（3）和指示光栅（4）的光栅常数d相同，光栅常数d取值范围为0.0125-0.02mm。
5.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述位移光栅（3）和指示光栅（4）之间的栅距为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述光源（1）为激光器。
7.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述拉力传感器（8）为S型拉力传感器。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述装置精确测量杨氏模量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的精确测量杨氏模量的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述被测金属丝（13）的直径D的具体测量方法为：任意选取被测金属丝（13）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。
10.根据权利要求8所述的精确测量杨氏模量的方法，其特征在于，步骤（5）中，所述拉力变化值ΔF的计算公式为：
...【技术特征摘要】
1.一种精确测量杨氏模量的装置，其特征在于：包括成像系统和测力系统，所述成像系统包括光源（1）、放大镜（2）、被测金属丝（13）、位移光栅（3）、指示光栅（4）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（5）、第一arduino控制器（6）和第一显示屏（7），所述ccd线性图像传感器（5）的前端正对依次设置有所述指示光栅（4）、位移光栅（3）、放大镜（2）和光源（1），所述位移光栅（3）固定设置在所述被测金属丝（13）上；所述测力系统包括依次电连接的拉力传感器（8）、变送器（9）、第二arduino控制器（10）和第二显示屏（11）；其中，所述拉力传感器（8）的一端与被测金属丝（13）的一端连接，所述拉力传感器（8）的另一端连接手动绞盘（12）。
2.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述被测金属丝（13）的另一端固定，且所述被测金属丝（13）在竖直方向伸直。
3.根据权利要求1所述的精确测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述位移光栅（3）和指示光栅（4）的光栅常数d相同，光栅常数d取值范围为0.01-...
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