劉文莉

(嘉興學(xué)院 數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，浙江嘉興 314001)

根據(jù)教育部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》[1]及教育部《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》，[2]高等學(xué)校必須主動(dòng)適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求和世界高等教育發(fā)展新趨勢(shì)，牢牢抓住全面提高人才培養(yǎng)能力這個(gè)核心點(diǎn)，將最新科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教育教學(xué)內(nèi)容，以高水平科學(xué)研究支撐高質(zhì)量本科人才培養(yǎng)。在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天,將數(shù)字化技術(shù)融于實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)已成為一種發(fā)展趨勢(shì)；[3]將傳感器技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、信息化，已成為素質(zhì)教育的重要教學(xué)方式。[4]

金屬絲楊氏彈性模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)具有代表性的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在培養(yǎng)學(xué)生掌握理論基礎(chǔ)、訓(xùn)練操作技能和提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力方面具有非常重要的作用。測(cè)定楊氏模量的方法很多，有靜態(tài)測(cè)量法[5]、動(dòng)態(tài)測(cè)量法[6-7]、莫爾條紋技術(shù)[8]等。目前，應(yīng)用最多的是靜態(tài)測(cè)量法。但該方法存在諸如儀器調(diào)節(jié)復(fù)雜、占用空間大、平面鏡易掉落、金屬絲更換不易等問(wèn)題。近年來(lái)，也有研究者對(duì)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)，[9]但沒(méi)能從根本上改變?nèi)斯y(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。本文提出采用高精度壓力傳感器和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，結(jié)合數(shù)字化處理軟件對(duì)傳統(tǒng)楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行改造和設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和儀器占用空間，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、安全性好、準(zhǔn)確性高，為測(cè)量楊氏模量提供了新的思路，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

一、實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與制作

楊氏模量是表征固體材料性質(zhì)的一個(gè)重要物理量，也是選定機(jī)械零件材料的依據(jù)之一。

因此，如何準(zhǔn)確讀取或測(cè)量固體材料，如金屬絲的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)就顯得非常重要。本裝置基于楊氏模量測(cè)量原理，將壓力傳感器和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器融入傳統(tǒng)楊氏模量測(cè)量?jī)x，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)小型材料拉力測(cè)試儀，如圖1所示。該裝置體積小(長(zhǎng)、寬、高分別為250 mm×145 mm×130 mm )、耗材少(實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)H需金屬絲80～100 mm長(zhǎng)度)、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高(裝置采用最小線性分辨率為0.0157 mm的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)360°對(duì)應(yīng)金屬絲拉伸1 mm)。更重要的是，通過(guò)傳感器與電腦相連即可完成固體材料的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與記錄，并在電腦中繪制出應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)之間的變化曲線圖，進(jìn)而快速求出金屬絲的楊氏模量，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

二、數(shù)據(jù)連接

藍(lán)牙技術(shù)是一種低成本的近距離無(wú)線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于固定設(shè)備和移動(dòng)數(shù)字化硬件設(shè)備之間，操作容易上手，應(yīng)用非常廣泛。[10]該設(shè)備將傳感器采集到的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)Capstone軟件進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)時(shí)描繪出實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的變化曲線，再根據(jù)數(shù)據(jù)曲線圖快速計(jì)算出楊氏模量值。軟件設(shè)置過(guò)程如下：

1.應(yīng)力的計(jì)算

在Capstone軟件中，金屬絲實(shí)際受到的力(ActualF，N)是力傳感器上讀數(shù)(F傳，N)的5倍，即：

ActualF=5×F傳

(1)

金屬絲的應(yīng)力(MetalStress，Pa)等于金屬絲實(shí)際受到的力(ActualF，N)除以金屬絲的橫截面積(S，m2)，即：

(2)

2.應(yīng)變的計(jì)算

轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器每轉(zhuǎn)動(dòng)360°，螺桿移動(dòng)1 mm。金屬絲(含裝置)的長(zhǎng)度變化量(X，mm)等于金屬絲拉伸時(shí)滑輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度(Angle)除以360：

X=Angle/360

(3)

金屬絲的應(yīng)變(MetalStrain)等于金屬絲(含裝置)的長(zhǎng)度變化量(X，mm)與金屬絲未發(fā)生伸縮變化時(shí)的長(zhǎng)度(L0，mm)之比，即：

(4)

3.楊氏模量

楊氏模量(Y，Pa)等于金屬絲的應(yīng)力(MetalStress)除以金屬絲的應(yīng)變(MetalStrain)，即：

(5)

圖2是藍(lán)牙適配器連接電腦后顯示的硬件連接情況。

圖2 軟件設(shè)置圖

三、調(diào)試與優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)選取金屬絲作為測(cè)試樣品，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)楊氏模量值偏差較大。排查發(fā)現(xiàn)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力會(huì)導(dǎo)致金屬絲樣品伸展和裝置變形彎曲，從而影響轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的記錄數(shù)據(jù)。因此，測(cè)量時(shí)需要去除裝置本身的形變量。對(duì)于給定的力，不管金屬絲發(fā)生多大的應(yīng)變，其剩余部分的形變都是常數(shù)。因此，我們采用了校準(zhǔn)棒(不顯著伸展)代替金屬絲作為施加力，目的是為校準(zhǔn)棒創(chuàng)建距離——力的曲線圖(見(jiàn)圖3所示)，其中，該距離僅由裝置本身的彎曲引起。根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合得到裝置的形變量(xcal)為：

xcal=A×(ActualF)n

(6)

圖3 校準(zhǔn)棒的安裝測(cè)量和數(shù)據(jù)結(jié)果

金屬絲本身長(zhǎng)度(含裝置)變化量(ΔL，mm)等于金屬絲的拉伸距離(X，mm)減去裝置的形變量(xcal)，即：

ΔL=X-xcal

(7)

金屬絲的應(yīng)變(MetalStrain，Pa)等于金屬絲本身長(zhǎng)度(含裝置)變化量(ΔL，mm)除以金屬絲未發(fā)生伸縮變化時(shí)的長(zhǎng)度(L0，mm)：

(8)

修改后的楊氏模量計(jì)算值與理論值相符。

另外，裝置所用夾緊塊經(jīng)過(guò)多次加工測(cè)試驗(yàn)證，最終采用硬度更佳的材料鋼。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)不同材料金屬絲的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，金屬絲的楊氏模量與外力F、長(zhǎng)度L和橫截面積S無(wú)關(guān)，而只決定于金屬絲材料本身。表1和圖4是直徑分別為0.22 mm、0.28 mm和0.39 mm的同一種材料金屬絲進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量的結(jié)果，與理論值基本相符。

表1 三種不同直徑金屬絲楊氏模量的理論值、測(cè)量值及實(shí)驗(yàn)誤差

(a) 金屬絲直徑為0.22 mm

由圖4 可知，三種不同直徑金屬絲的楊氏模量值、屈服點(diǎn)、塑性區(qū)和斷裂點(diǎn)等參數(shù)，同時(shí)也驗(yàn)證了楊氏模量值僅與材料本身有關(guān)，達(dá)到了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效果。

五、結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)裝置采用高精度壓力傳感器和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，結(jié)合數(shù)字化處理軟件對(duì)傳統(tǒng)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，取得了不錯(cuò)的效果：裝置小巧便攜、測(cè)量方法新穎、數(shù)據(jù)效果直觀、軟件分析功能強(qiáng)大、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)為楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)提供了思路，也為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、學(xué)科交叉融合、新工科目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。