本發(fā)明屬于材料切變模量測定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種材料切變模量測定裝置及測定方法。

背景技術(shù)：

材料的切變模量g是衡量材料抵抗剪切變形能力的性能參數(shù)，也是材料的彈性常數(shù)之一，工程實(shí)際中在對受扭構(gòu)件進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)或校核時(shí)，必須運(yùn)用這一性能參數(shù)。基于切變模量在工程技術(shù)中的重要地位，許多高等院校工科類專業(yè)都開設(shè)了測定材料切變模量的實(shí)驗(yàn)。

目前，廣大高等院校在進(jìn)行測定實(shí)驗(yàn)時(shí)，普遍采用的是扭角儀，扭角儀百分表上指針走過的位移d，除以百分表頂桿與試樣軸線間的距離γ，得到截面間的相對扭轉(zhuǎn)角進(jìn)而求得材料的切變模量g。由于試樣材料在線彈性范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其相對扭轉(zhuǎn)角很小，而扭角儀精度不高，穩(wěn)定性較差，讀數(shù)時(shí)也易產(chǎn)生較大誤差，難以實(shí)現(xiàn)高精度測量。

一維光柵在微小量測量領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，根據(jù)入射光與衍射光的角度改變關(guān)系，可以對難以測量的微小角度進(jìn)行放大后測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種基于光柵衍射的材料切變模量測定裝置及測定方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種材料切變模量測定裝置，包括主底座和副底座，主底座上設(shè)有第一支架和第二支架，第一支架上設(shè)有固定夾頭，第二支架上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭，試件的兩端分別與固定夾頭和轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭相連，轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭與加荷臂相連；試件上套設(shè)有夾箍推環(huán)，夾箍推環(huán)與連接桿相連，連接桿的一端穿過第一支架與轉(zhuǎn)動(dòng)盤相連，連接桿可相對于第一支架轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)盤上設(shè)有指向轉(zhuǎn)動(dòng)盤圓心的平行光源；副底座上設(shè)有刻度盤，刻度盤與游標(biāo)轉(zhuǎn)盤相連，刻度盤、游標(biāo)轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤的圓心均位于試件的軸線延長線上；游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的圓心處設(shè)有光柵，平行光源發(fā)出的光線與光柵相交；光柵的一側(cè)設(shè)有望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡與平行光源位于同一直線上。

優(yōu)選地，所述光柵平面垂直于游標(biāo)轉(zhuǎn)盤，游標(biāo)轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)動(dòng)盤平行。

優(yōu)選地，所述游標(biāo)轉(zhuǎn)盤可繞自身圓心轉(zhuǎn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述夾箍推環(huán)上等距的設(shè)有三顆定位螺釘。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭通過滾珠軸承與第二支架可轉(zhuǎn)動(dòng)相連。

優(yōu)選地，所述第二支架與主底座為可拆卸連接。

優(yōu)選地，所述第一支架上設(shè)有用于連接桿通過的通孔。

優(yōu)選地，所述游標(biāo)轉(zhuǎn)盤上設(shè)有兩個(gè)游標(biāo)，兩個(gè)游標(biāo)設(shè)于游標(biāo)轉(zhuǎn)盤上相隔180度的對稱位置。

優(yōu)選地，所述望遠(yuǎn)鏡的視野中心設(shè)有水平叉絲。

一種材料切變模量測定方法，包括以下步驟：

s1、對試件進(jìn)行測量，計(jì)算出試件的極慣性矩其中d為試件圓截面直徑，測量加荷臂的端部載荷處距離試件圓截面圓心的距離a，測量夾箍推環(huán)至固定夾頭的水平距離l；

s2、打開平行光源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤，使第k級衍射光與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，此時(shí)平行光源轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角度：

其中d為光柵常數(shù)，λ為平行光源發(fā)出的入射光波長，讀取游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的初始讀數(shù)α1；

s3、在加荷臂的端部載荷施加適當(dāng)向下的力δf，試件受到負(fù)扭矩δm＝δfa的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，截面間產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角固夾在試件上的夾箍推環(huán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤和平行光源隨著截面間的相對扭轉(zhuǎn)而等量轉(zhuǎn)動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡視野中第k級衍射光將偏離水平叉絲位置；

s4、順著力δf的方向轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤，使第k級衍射光再次與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，讀取此時(shí)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的讀數(shù)α2，則光柵旋轉(zhuǎn)了α角度：

α＝α2-α1，

則步驟s3中相對扭轉(zhuǎn)角

根據(jù)得到最終切變模量的表達(dá)式為：

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提供的材料切變模量測定裝置，運(yùn)用光柵偏轉(zhuǎn)控制光衍射方向的方法，將難以測量的微小扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行放大讀出，進(jìn)而能夠應(yīng)用于測量材料的切變模量的測量中；較之以往的百分表，該裝置具有更穩(wěn)定、精確度更高、讀數(shù)更方便的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明材料切變模量測定裝置的示意圖。

圖2是本發(fā)明刻度盤與游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的示意圖。

圖3是本發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的視野示意圖。

圖4是本發(fā)明選用波長為546.1nm的入射光、100線的光柵、選取第1級衍射光，得到的試件相對扭轉(zhuǎn)角與光柵旋轉(zhuǎn)角度α的理論曲線圖。

附圖標(biāo)記說明：1、主底座；2、副底座；3、第一支架；4、第二支架；5、轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭；6、加荷臂；7、夾箍推環(huán)；8、連接桿；9、轉(zhuǎn)動(dòng)盤；10、平行光源；11、刻度盤；12、游標(biāo)轉(zhuǎn)盤；13、光柵；14、定位螺釘；15、通孔；16、鐵絲。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

實(shí)施例一

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的一種材料切變模量測定裝置，包括主底座1和副底座2，主底座1上設(shè)有第一支架3和第二支架4，第一支架3和第二支架4相對且平行，第一支架3固定安裝在主底座1上，第二支架4與主底座1為可拆卸連接。

第一支架3上設(shè)有固定夾頭，第二支架4上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭5，轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭5通過滾珠軸承與第二支架4可轉(zhuǎn)動(dòng)相連。固定夾頭和轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭相對設(shè)置，試件的兩端分別與固定夾頭和轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭5相連，轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭5與加荷臂6相連。

試件上套設(shè)有夾箍推環(huán)7，夾箍推環(huán)7上等距的設(shè)有三顆定位螺釘14，用于夾緊試件。夾箍推環(huán)7與連接桿8相連，連接桿8的一端穿過第一支架3與轉(zhuǎn)動(dòng)盤9相連，連接桿8可相對于第一支架3轉(zhuǎn)動(dòng)和沿著連接桿的軸向移動(dòng)。第一支架3上設(shè)有用于連接桿8通過的通孔15，通孔15為圓形孔或者腰形孔。在本實(shí)施例中，連接桿的數(shù)量為四。

轉(zhuǎn)動(dòng)盤9上設(shè)有指向轉(zhuǎn)動(dòng)盤9圓心的帶狹縫的平行光源10，平行光源可采用磁吸或者粘接的方式固定在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上。

副底座2上設(shè)有固定的刻度盤11，刻度盤11與游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12相連，刻度盤11、游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12和轉(zhuǎn)動(dòng)盤9的圓心均位于試件的軸線延長線上。游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12的圓心處設(shè)有光柵13，游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12可繞自身圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，光柵平面垂直于游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12，游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12與轉(zhuǎn)動(dòng)盤9平行。光柵和轉(zhuǎn)動(dòng)盤之間具有間隙，但平行光源10發(fā)出的光線與光柵13相交，從而平行光源發(fā)出的光線可垂直或以一定角度入射到光柵。

光柵13的一側(cè)設(shè)有望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡的視野中心設(shè)有水平叉絲，望遠(yuǎn)鏡用于觀察光柵的衍射光。望遠(yuǎn)鏡與平行光源10位于同一直線上，光柵平面垂直于該直線。

一種材料切變模量測定方法，使用上述的材料切變模量測定裝置，試件為圓形的鐵絲16，包括以下步驟：

s1、對鐵絲進(jìn)行測量，計(jì)算出鐵絲的極慣性矩其中d為鐵絲圓截面直徑，測量加荷臂的端部載荷處距離鐵絲圓截面圓心的距離a，卸下第二支架，將鐵絲裝入材料切變模量測定裝置，裝上第二支架，移動(dòng)夾箍推環(huán)至一適當(dāng)位置，夾緊定位螺釘，測量夾箍推環(huán)至固定夾頭的水平距離l。

s2、打開平行光源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤，使第k級衍射光與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，如圖3所示。此時(shí)平行光源轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角度：

其中d為光柵常數(shù)，λ為平行光源發(fā)出的入射光波長，讀取游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的初始讀數(shù)α1，k＝0，±1，±2，...

s3、在加荷臂的端部載荷施加適當(dāng)向下的力δf，由于滾珠軸承的摩擦阻力偶極微小，鐵絲受到負(fù)扭矩δm＝δfa的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在負(fù)扭矩δm的作用下，鐵絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，截面間產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角固夾在鐵絲上的夾箍推環(huán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤和平行光源隨著截面間的相對扭轉(zhuǎn)而等量轉(zhuǎn)動(dòng)，平行光源的入射光相對于初始狀態(tài)有一微小角度的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視野中第k級衍射光將偏離水平叉絲位置；

s4、順著力δf的方向轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤，使第k級衍射光再次與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，讀取此時(shí)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤的讀數(shù)α2，則光柵旋轉(zhuǎn)了α角度：

α＝α2-α1，

則步驟s3中相對扭轉(zhuǎn)角

根據(jù)得到最終切變模量的表達(dá)式為：

圖4是選用波長為546.1nm的入射光、100線的光柵、第1級衍射光，得到的相對扭轉(zhuǎn)角與光柵旋轉(zhuǎn)角度α的理論曲線圖。從圖中可以看出，若鐵絲相對扭轉(zhuǎn)角為5′，則需要轉(zhuǎn)動(dòng)光柵約11°才能保證衍射光還在原來位置。本實(shí)施例所提供的材料切變模量測定方法，將難以測量的微小扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行放大讀出，進(jìn)而能夠應(yīng)用于測量材料的切變模量的測量中。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中的一種材料切變模量測定裝置為了消除游標(biāo)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)造成的偏心差。在實(shí)施一中的材料切變模量測定裝置的基礎(chǔ)上，在游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12上設(shè)置兩個(gè)游標(biāo)，兩個(gè)游標(biāo)設(shè)于游標(biāo)轉(zhuǎn)盤12上相隔180度的對稱位置。

一種材料切變模量測定方法，使用本實(shí)施例提供的材料切變模量測定裝置，試件為圓形的鐵絲16，包括以下步驟：

s1、對鐵絲進(jìn)行測量，計(jì)算出鐵絲的極慣性矩其中d為鐵絲圓截面直徑，測量加荷臂的端部載荷處距離鐵絲圓截面圓心的距離a，卸下第二支架，將鐵絲裝入材料切變模量測定裝置，裝上第二支架，移動(dòng)夾箍推環(huán)至一適當(dāng)位置，夾緊定位螺釘，測量夾箍推環(huán)至固定夾頭的水平距離l。

s2、打開平行光源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤，使第k級衍射光與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，如圖3所示。此時(shí)平行光源轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角度：

其中d為光柵常數(shù)，λ為平行光源發(fā)出的入射光波長，讀取游標(biāo)轉(zhuǎn)盤分別相隔180度位置的兩個(gè)游標(biāo)的初始讀數(shù)α1和α1′，k＝0，±1，±2，...

s3、在加荷臂的端部載荷施加適當(dāng)向下的力δf，由于滾珠軸承的摩擦阻力偶極微小，鐵絲受到負(fù)扭矩δm＝δfa的作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在負(fù)扭矩δm的作用下，鐵絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)，截面間產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角固夾在鐵絲上的夾箍推環(huán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤和平行光源隨著截面間的相對扭轉(zhuǎn)而等量轉(zhuǎn)動(dòng)，平行光源的入射光相對于初始狀態(tài)有一微小角度的旋轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡視野中第k級衍射光將偏離水平叉絲位置；

s4、順著力δf的方向轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤，使第k級衍射光再次與望遠(yuǎn)鏡視野中的水平叉絲重合，讀取此時(shí)游標(biāo)轉(zhuǎn)盤分別相隔180度位置的兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)α2和α2′，則光柵旋轉(zhuǎn)了α角度：

則步驟s3中相對扭轉(zhuǎn)角

根據(jù)得到最終切變模量的表達(dá)式為：

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。