弯曲法测横梁弹性模量研究性报告

1、卅京航生就天大拳BEIHANGUNIVERSITY根底物理实验研究性报告弯曲法测横梁弹性模量第一 马奎元14051206第二 蒲兴宇14051212学院：航空科学与工程学院摘要：弹性模量就是描述材料形变与应力关系的重要特征量,它是工程技术中常用到的一个参数.弯曲法测量横梁弹性模量是一种轻便有效的试验方法.本文主要从实验原理,实验方法和内容,数据的测量与处理,以及存在的问题这几个方面进行讨论.关键词：弹性模量,霍尔位置传感器,数据处理实验目的1 .熟悉霍尔位置传感器的特性：2 .了解弯曲法测弹性模量的原理和霍尔传感器原理的应用；3 .掌握根本长度和微小位移量测量的方法,学习游标卡尺、千分尺等常用

2、长度测量仪器的使用.实验原理(1)霍尔位置传感器霍尔元件放置于磁感应强度为B的磁场中,在垂直于磁场方向通以电流I,那么与这二者相垂直的方向上将产生霍尔电势差Uh：UH=K-I-：(1)(1)式中K为元件的霍尔灵敏度.如果保持霍尔元件的电流I不变,而使其在一个均匀梯度的磁场中移动时,那么输出的霍尔电势差变化量为：Uh=K四=ZA(2)dZ(2)式中AZ为位移量,此式说明假设些为常数时,AUh与AZ成正比,其dZ比例系数用K表示,称为霍尔传感器灵敏度.均匀梯度磁场为实现均匀梯度的磁场,可以如图1所示,两块相同的磁铁磁铁截面积及外表磁感应强度相同相对放置,即N极与N极相对,两磁铁之间留一等间距间隙,

3、霍尔元件平行于磁铁放在该间隙的中轴上.磁铁截面要远大于霍尔元件,以尽可能的减小边缘效应影响,提升测量精确度.假设磁铁间隙内中央截面处的磁感应强度为零,霍尔元件处于该处时,输出的霍尔电势差应该为零.当霍尔元件偏离中央沿Z轴发生位移时,由于磁感应强度不再为零,霍尔元件也就产生相应的电势差输出,其大小可以用数字电压表测量.由此可以将霍尔电势差为零时元件所处的位置作为位移参考零点.霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系,当位移量较小V2mm,这一对应关系具有良好的线性.2攸英装置攸英装置如图4所示,在二支架上设置互用平的钢制刀刃,其上放置待测棒和辅助棒.在待测棒上二刀刃间的中点处,挂上有刀刃的挂钩和祛

4、码托盘,往托盘上加破码时待测棒将被压弯,通过在待测棒和辅助棒上放置的分表测量出棒弯曲的情况,从而求出棒材的杨氏模量.3弹性模量将厚度为a、宽度为b的横梁放在相距为1的两刀口上,在梁上两刀口的中间处挂一质量为m的硅码,这时梁被压弯,梁的中央处下降的距离AZ称为弛垂度.在横梁发生微小弯曲时,梁的上半局部发生压缩,下半局部发生拉伸：而中间存在一个薄层,虽然弯曲但长短不变,称为中性面见图2o取中性面上相距为y、厚为dy、形变前长为dx的一段作为研究对象见图2.梁弯曲后所对应的张角为d,长度改变量为ydJ,所受的拉力为-dF.图3弯曲梁弹性模量计算用图根据胡克定律有京-E曙(3)3式中,dS表示形变层的

5、横截面积,设横梁宽为b,那么dS=bdy°于是,dF=-EbydydxAn此力对中性面的转矩dM为dM=dFy=Eb-rdy积分得M=Eb.y2dy=dxJ412dx(4)如果将梁的中点O固定,在两侧各为,处分别施以向上的力那么梁上距22中点O为X、长为dx的一段,由于弯曲产生的下降d(AZ)为d(AZ)=(1-x)d11C)当梁平衡时,由外力3】岖对该处产生的力矩不mg-x等于由式(4)求-212/1(1、Eba3dd出的力矩M,町mg?-x卜丁菽<1从该式中解出代入式d(AZ)=l-xdff中并积分,可求出驰垂度Z了是弹性模量为ingl34Ea3b4a3bA2(5)AZ属微

6、小位移,用一般工具很难测准,在此可用霍尔位置传感器进行测量.实验仪器见图4,图5I.霍尔位置传感器测杨氏模量装置一台底座固定箱、读书显微镜、95型集成霍尔位置传感器、磁铁两块等；II.霍尔位置传感器输出信号测量仪一台包括直流数字电压表.图4实验所需仪器图5试验装置示意图其中：1.铜刀口上的基线2.读数显微镜3.刀口4.横梁5.铜杠杆顶端装有型集成霍尔传感器6.磁铁盒7.磁铁极相对放置8.调节架9硅码实验内容令利用霍尔传感器测量弹性模量一.实验仪器调整1调节三维调节架的调节螺丝,使集成霍尔位置传感器探测元件处于磁铁中间的位置.2用水准器观察是否在水平位置,假设偏离时可以用底座螺丝调节.3调节霍尔

7、位置传感器的毫伏表.磁铁盒下的调节螺丝可以使磁铁上下移动,当毫伏表数值很小时,停止调节固定螺丝,最后调节调零电位器使毫伏表读数为零.4调节读数显微镜,使眼镜观察十字线及分划板刻度线和数字清楚.然后移动读数显微镜前后距离,使能够清楚看到铜架上的基线.转动读数显微镜的鼓轮使刀口架的基线与读数显微镜内十字刻度线吻合,记下初始读数值.二.数据测量记录1逐次增加祛码每次增加10g破码,相应从读数显微镜上读出梁的弯曲位移及数字电压表相应的读数值单位mVo以便于计算杨氏模量和霍尔位置传感器进行定标.注意：在进行测量之前,要求符合上述安装要求,并且检查杠杆的水平、刀口的垂直、挂跌码的刀口处于梁中间,要预防外加

8、风的影响,杠杆安放在磁铁的中间,注意不要与金属外壳接触,一切正常后加祛码,使梁弯曲产生位移；精确测量传感器信号输出端的数值与固定袪码架的位置Z的关系,也就是用读数显微镜对传感器输出量进行定标,检验的关系o2测量横梁两刀口间的长度d及测量不同位置横梁宽度b和梁厚度ao3用逐差法根据公式3进行计算,求得待测材料的杨氏模量,并估算不确定度,并把测量值与标准值进行比拟.4用一元线性回归法计党求出霍尔位置传感器的灵敏度及其不确定度.令利用攸英装置测量弹性模量1按图2安置好仪器,用千分表直接测出.2用螺旋测微计在横梁的各处测厚度,宽度,要测5次取平均值.3用米尺测二刀刃间的距离.4将测得的量代入公式求出棒

9、材的杨氏模量.5求测量结果的误差.数据处理1)用一元线性回归计算霍尔位置传感器的灵敏度K及其不确定度.2)用逐差法计算待测材料的弹性模量E,并估算不确定度,计算与标准值的相对误差.黄铜材料的标准值为Ecu=10.55x16°N/m铸铁材料的标准值为EFe=18.15xlO10N/m2o3)用逐差法计算攸英装置所测得弹性模量:.(-)原始数据23.09+23.10_1)两刀口间隙d一-%-23.095cm2)横梁厚度和宽度横梁厚度a(mm)铜铁横梁宽度b(mm)铜铁ai0.9890.881bl2.3202.330a20.9920.888b)2.3222.332a30.9910.882b

10、32.3232.341a0.9910.879b42.3272.343a50.9930.884b52.3202.332a0.99120.8828b2.32242.33543)弯曲法测黄铜横梁弹性模量祛码质1020304050607080uj-100-240-386-512-624-750-880-1005u-1-44-177-326-457-596-716-883U-57-208.5-356-484.5-610-733-881.5-10054+3.2793.3783.5283.6353.7933.9374.0604.1754一3.4163.5323.6453.7423.8824.0174.111

11、Z3.34753.4553.58653.68853.83753.9774.08554.1754铸铁材料试验数据祛码质量1020304050607080U+1-124-229-332-437-542-645-746-852-130-236-341-442-548-6507525攸英装置测横梁弹性模量序号12345678+q4.0783.8333.6043.3683.1212.8782.6322.397u4.0913.8463.6093.3693.1272.8812.637厚度宽度刀口£巨离dz=200.1+199.9=400mm0.3571.4050.3581.4000.3601.40

12、70.3561.4040.3561.4040.35741.404(-)用一元线性回归计算霍尔元件灵敏感xy-xy(IMk?1)回归计算列表及结果:类别AzAz2AuAu2AzThu13.347511.2058-573249-190.807523.45511.9370-208.543472.25-720.367533.586512.8630-356126736-1276.79443.688513.6050-484.5234740.25-1787.078353.837515.8165-733537289-2915.14163.97715.8165-733537289-2915.14174.0855

13、16.6913-881.5777042.5-3601.3682584.17517.4306-10051010025-4195.875z30.1525114.2756-4335.53104653.75-17028.3066平均3.769114.2845-541.937538808.7188-2128.5383由一元线性回归法得:=-1096.1467183.76912-14.28453.7691x(-541.9375)+2128.5383a=y-bx=(-541.9375+1096.146718x3.7691)=3589.549095由计算得-x-y-2128.5383+3.7691x541.9

14、375二0.9989256«1即x与y严格线性相关.灵敏度k的不确定度为ua(k)=s(b)=s(y)-v=s(y)1kfx2-x2那么最终表述为k=1096.147±16.993=16.993二用逐差法计算铸铁和黄铜弹性模E11234m=吗+4一叫40404040u+=ui+4+-u,+-418-416-414-415Au.=ui+/-418-414-411Au-418-415-412.5-4151铸铁mgd34a3bAz3i3E二二1al=1.9839xlO11N/m2=1.984xlO5MPa4a3b珏4a3bAuh相对误差(P二A-NN1.9841.8151.815

15、xl00%=9.31%不确定度的计算u(E)E得u(E)=0.1537xl0"N/m2=0.154xl05MPa那么最终表述为EFe=E±u(E)=(2.0±0.2)xl05MPa*11234口m=吗+4-吗40404040u+=u1+4+-ut+-524-510-494-493u=%-uj-552-539-557Au-538-524.5-525.5-4932)黄铜mgd34a3bAzmgd34a%一可d=1.1247xlOnN/nr=l.lxlO5MPa4a3bAu相对误差(p=A-NN1.1247-1.055L055x100%=12.47%不确定度的计算u(E

16、)E得u(E)=0.10683xl0iiN/m?=0.107xl05MPa那么最终表述为ECu=E±u(E)=(l.l±0.1)xl05MPa三攸英装置测量铸铁弹性模量逐差法11234口111=吗+4_吗80808080u+=%+-%+-0.957-0.955-0,972-0,971Au-=h+J-uJ-0.964-0.965-0.9721Au-0.9605-0.960-0.972-0.971E=粤一=mfd=2.0262IxlO11N/m2=2.026xlO5MPa4a3b24a3bAu/不确定度计算E=(2.0±0.1)xl0nPau(E)=0.132x1()

17、5MPa得最终表述为误差分析i仪器误差：螺旋测微计与游标卡尺的仪器零点误差,在计算过程中可以减去,消除误差.2人为误差：人的视觉误差如观察米尺等读数时未正视.3理论误差：g的值为近似值,g的真实值与当地的纬度有关.4在量取厚度与宽度的时候可能会有随机误差,要屡次测量消除误差.5要胆大心细地进行实验,掌握时间的长短,按时完成.实验总结、建议和改良进行四次试验,从失败和成功的例子中,我们得到:一考前须知1在用千分尺测量黄铜厚度时,将千分尺旋转时,当将要接触时,必须用微调轮.当听到答答答三声时,停止旋转.2霍尔位置传感器定标前,应先将霍尔传感器调整到零输出位置,这时可调节电磁铁盒下的升降杆上的旋钮,

18、到达零输出的目的,另外,应使霍尔位置传感器的探头处于两块磁铁的正中间稍端下的位置,这样测量数据更可靠一些；3加祛码时,应该轻拿轻放,尽量减小砂码架的晃动,这样可以使电压值在较短的时间内到达稳定值,节省实验时间；4实验开始前,必须检查横梁是否有弯曲,如有,应矫正.二改良建议L实验仪器的问题1012的实验仪器相对较少,一共四台,而且个别存在问题,导致现象不符合理论常识,实验无法进行.此外实验材料经过长期使用,弯曲明显,很难矫正.读数显微镜的的参照标准很不明显,这样影响试验速度,乂大大降低了读数的准确.我认为在加压框上刻上一个一条浅浅的参照,会十分清楚便捷.2 .挂载点的问题由实验思考题第二小题可知

19、,挂载不在正中间时,很小的偏移也会引起很大的误差.而固定挂载在中间很难操作,且我能想的固定方法都会对实验造成影响,不满足实验条件.参考学长思路,我觉得我们要尽可能减少误差,因此我们可以标记中央点,这样辅助摆正的同时,即便偏差,我们也可以测量偏差值AZ来修正.3 .数据处理的问题本实验计算数据同时用到了逐差法和一元线性回归,但是,计算出灵敏度K值之后计算铸铁的弹性模量的时候使用逐差法,相当于绕了个圈,还是使用Ax计算,感觉设定存在问题.4 .材料比照的问题实验使用两种材料的试件,虽然具有比照性,但是对于实验者而言,没有什么特别大的感觉,我认为可以多增加几种材料,分别测量,进行比拟.5 .实验总结这次的力学实验让我做出了光学实验的感觉,虽然做了很屡次出现问题,而且我们在做的时候,出现很多失误,但是正是这个过程让我对于物理实验有了新的熟悉,也让理论知识得到了在实践中的考验.参考文献(1) 李朝荣,徐平,唐芳