[發(fā)明專利]一種根據(jù)共振原理測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201610323122.3
• 申請日: 2016-05-07
• 公開（公告）號: CN105788413A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田凱;張金平;高景霞;李慧;趙鵬濤
• 申請（專利權(quán)）人: 田凱
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種根據(jù)共振原理測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，它包括 在支架底座上設(shè)置支架，支架上端設(shè)置橫梁，橫梁中間設(shè)置上夾頭及激振器， 金屬絲一端與上夾頭及激振器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一金屬框 架固定在一起，金屬框架內(nèi)部固定一鐵塊；激振器通過接口與正弦信號源相連， 正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)， 并可在顯示屏上顯示出來，激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率 的機(jī)械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧 振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動；兩塊規(guī)格完全相同的活動極板分別 設(shè)置在金屬框架兩側(cè)面，可隨金屬框架上下移動，四塊規(guī)格完全相同的固定極 板分別設(shè)置在四個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置；

四塊規(guī)格完全相同的固定極板與兩塊規(guī)格完全相同的活動極板構(gòu)成四只電 容器，由此四只電容器分別作為電橋的四個橋臂，構(gòu)成一個差動電橋，由可調(diào) 交流電壓源給電橋提供電源，可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率 大小可以通過旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可在可調(diào)交流電壓源顯示屏上顯示出來；電橋 的輸出端連接運(yùn)算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數(shù)可以通 過改變可調(diào)反饋電阻及可調(diào)輸入電阻的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，將電橋的輸出電壓放大， 再經(jīng)作為輸出緩沖器的運(yùn)算放大器二輸出，運(yùn)算放大器二通過接口與模擬示波 器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進(jìn)行觀察 與測量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)共振原理測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置測金 屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，該方法的具體過程包括以下步驟：

步驟一、通過觀察支架底座水準(zhǔn)儀，調(diào)整支架底座上的支架底座調(diào)平螺絲， 使支架底座水平；

步驟二、沿支架移動夾具，使活動極板一位于固定極板一與固定極板二中 間，活動極板二位于固定極板三與固定極板四中間，通過可調(diào)交流電壓源電壓 調(diào)節(jié)旋鈕及頻率調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，將可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅 度及頻率調(diào)節(jié)合適，通過改變可調(diào)反饋電阻及可調(diào)輸入電阻的大小將運(yùn)算放大 器一的電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)合適，通過模擬示波器將放大后的電橋輸出電壓的波 形顯示出來，通過模擬示波器顯示屏觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，進(jìn)一 步沿支架移動夾具，仔細(xì)調(diào)整固定極板一、固定極板二、固定極板三及固定極 板四的位置，使電橋輸出電壓為零，此時活動極板一位于固定極板一與固定極 板二的正中間，活動極板二位于固定極板三與固定極板四的正中間；

步驟三、將正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)合適，通過調(diào)節(jié)正弦 信號頻率粗調(diào)旋鈕逐漸增加正弦信號源輸出的正弦信號的頻率，激振器將正弦 信號源輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動，傳給由固定在一起的鐵塊和 金屬框架與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動， 當(dāng)正弦信號的頻率遠(yuǎn)離金屬絲彈簧振子的固有頻率時，金屬框架幾乎不動或振 動非常微弱；當(dāng)正弦信號的頻率逐漸接近金屬絲彈簧振子的固有頻率時，基于 共振原理，金屬框架的振動幅度逐漸增大，在金屬框架帶動下，活動極板一及 活動極板二一起上下振動，因此固定極板一與活動極板一構(gòu)成的電容器一，固 定極板二與活動極板一構(gòu)成的電容器二，固定極板三與活動極板二構(gòu)成的電容 器三，固定極板四與活動極板二構(gòu)成的電容器四的電容值隨之發(fā)生周期性的變 化，從而使電橋輸出電壓隨之周期性地變化；

步驟四、該周期性變化的電橋輸出電壓經(jīng)運(yùn)算放大器一放大后，再經(jīng)作為 輸出緩沖器的運(yùn)算放大器二輸出，波形在模擬示波器上顯示出來，在模擬示波 器顯示屏上觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率細(xì)調(diào)旋 鈕，進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)正弦信號源輸出的正弦信號的頻率大小，直到電橋輸出電 壓的波形幅度最大為止，此時從正弦信號頻率顯示屏上讀出的頻率就是共振頻 率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率f；

步驟五、用天平測出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測出 激振器與下夾頭間金屬絲的長度L，用千分尺測出金屬絲的直徑d，并計(jì)算金屬 絲的截面積

步驟六、將金屬絲的長度L、截面積S、金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì) 量m，以及金屬絲彈簧振子的固有頻率f代入公式即可求出金屬 絲的楊氏模量Y。