杨氏模量的测定

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杨氏模量的测定范文第1篇

关键词：弯曲法；读数显微镜；SPSS线性估计；不确定度分析；杨氏模量

中图分类号：04-33 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）33-0126-02

杨氏模量是表征固体材料性质的重要物理量[1]，是工程技术中机械构件选材时的重要参数[2]，也是大学物理实验的重要内容之一。杨氏模量的测定是大学物理实验中的一个重要实验[3]。在传统的弯梁法[4]基础之上，逐步形成了一些新的实验方法[5-7]，但这些新的实验方法普遍存在着实验系统相对复杂、实验成本较高的情况，或者易受外界环境（温度、湿度、电磁）的影响。因此，高等学校实验教材中普遍采用的还是传统的弯梁法的实验方法，但由于传统的弯梁法存在着处理实验数据的方法较为陈旧，实验结果使用的是不确定的置信概率较低的现象（68.3%的正态分布）。为此，引入SPSS[8]曲线估计功能去分析实验数据，试图减小人为因素和仪器因素带来的偶然误差和系统误差，提高对实验数据及实验结果分析的精度，用置信率为95%的不确定度（七分布）对实验数据及其结果进行评价，可得到更为合理的实验结果。

一、实验仪器

1.实验装置（见图1）。

2.实验安装及调试。通过底板三个角上的水平调节螺丝，用水准器观察，使底板调整到水平位置。将横梁穿入砝码铜刀口内，并安放在两立柱的正中央位置，使砝码盘下的限位杆垂直插入限位器内，防止砝码盘的过度摆动。将读数显微镜安装在显微镜架上，调节读数显微镜目镜，直到眼睛观察镜内的十字线和数字清晰，同时观察能否通过读数显微镜清楚地看到铜刀口上的基线，再转动读数旋钮使刀口的基线与读数显微镜内十字刻线的水平线吻合。调节好仪器就可以进行测量，但要注意在加减砝码时，砝码轻拿轻放，尽量不要碰到实验装置。

二、实验原理

测量原理。测量原理如图2所示，将横梁厚度为x，横梁宽度为y的铜片放在相距为l的二刀刃上，在梁上l/2处系上质量为m的砝码，使梁弯曲。挂砝码处由于外力作用而下降的位移变化量为ΔZ。在梁受力弯曲达到平衡时，根据胡克定律可推演铁片的杨氏模量，由下式[9]决定：E=■（1），考察（1）式，设各位移与重力加速度的综合量δ=■，则（1）式可简化为m=Eδ （2）。

实验中，用物理天平测定mi。用米尺测得l，螺旋测微器测得x、y，用读数显微镜读取Zi，从而可得系统各长度与重力加速度的综合量（δi）。应用SPSS的曲线估计功能，试图去分析系统的附加质量（mi）与系统各长度与重力加速度的综合量（δi）之间的线性相关性，由此标定出铁片的杨氏模量，并对其不确定度进行估算。

三、对杨氏模量的不确定度分析[10]

若直接测量为a，其不确定度可由A、B类进行评定。测量列平均值的标准偏差为：u■=■ （3）

对于A类分量，实验中测量次数为7次，此时测量结果服从t分布，tp为与一定置信概率相联系的置信因子，当p=0.95时，tp=2.45，则：u■=2.34u■ （4），（4）式中的a可以分别表示l、x、y、ΔZ。

对于B类分量，若其误差极限为Δ，kp为一定置信概率下相应分布的置信因子，Δ为仪器精度，C为相应分布的置信系数，若仪器误差服从均匀分布C=■，当p=0.95时，kp=1.96，那么u■=1.96■ （5），（5）式中的a可以分别表示l、x、y、ΔZ。

直接测量为a的合成不确定度为：

u■=■ （6）

根据（2）式u■=■，可得E的相对不确定度为：

u■=■■ （7）

四、测量数据及线性分析

1.测量数据及其结果。

2.用SPSS分析mi-δi定标曲线。

将表3实验结果输入SPSS软件中，应用SPSS中的线性估计功能，以系统附加砝码质量（mi）为因变量，以各长度和重力加速度的综合量（δi）为自变量，可得定标曲线方程为：

■ （8）

所得其定标曲线如图3所示。

五、对杨氏模量不确定度的估算

根据图3的m-δ定标曲线，在直线上适当的位置取样δ1、m1，δ2、m2，合理估算E的不确定度。由（8）式可得：

u■=■ （9）

在图3上δ1、m1，δ2、m2取值可得：E=■ （10）

由上式可得：u■=■ （11）

由图3取样点结合（9）、（10）、（11）可得杨氏模量的实验结果见下表。

从测量原理所得的（2）式可知，只要测量条件允许，理论上，系统附加砝码质量（m）与系统各长度和重力加速度的复合量（δ）应该具有线性关系，若能从实验的角度研究出mi-δi的关系曲线，必然可以证明系统附加砝码（m）与系统各长度和重力加速度的复合量（δ）存在线性关系，从而可以较为直观地标定出铁片的杨氏模量，这在弯梁法的测量原理上具有一定的创新性。

由表3实验数据，利用SPSS的曲线估计功能得定标方程（8）式及其图3的m-δ定标曲线图。验证了系统附加砝码（m）系统各长度与负重的复合量（δ）具有线性关系，实验所得定标方程（8）式及图3实验曲线与理论分析的（2）式具有一致性。

由表3数据，应用SPSS线性估计功能得到定标方程（8）式，得到铁片的杨氏模量为1.88×1011N・m-2，对比通过查看手册[11]所得铁片杨氏模量E=1.85×1011N・m-2，二者具有较好吻合度，表明所拟合的m-δ直线是客观的。

为了能较好的实现实验数据线性分析的合理性。应保证铜片尽量平直，实验选择最小本底为挂钩砝码10kg，负重砝码（mi）以每组20kg为标准递增（或递减），所对应的竖直方向上的位移Zi从0.658mm变化到2.054mm，可以推算出位移Zi的变化量ΔZ从0.202mm变化到1.396mm。由图3可看出表2测量的数据可靠性较高，从而使得测量结果、实验结果更为合理。

查手册的钢丝的杨氏模量为1.87×1011N・m-2，对照表4所得铁片杨氏模量的实验结果为1.88×1011N・m-2，二者吻合度较高。尤其查看表4中杨氏模量的实验结果，由该实验方案所得杨氏模量的实验值只在千分位上可疑，而以往采用的实验方案所得杨氏模量的实验值一般为十分位或百分位上可疑。表明应用SPSS的曲线分析估计标定的杨氏模量，是可以显著提高测量数据及实验结果的分析精度，且数据的处理过程及结果较为直观有效。因此，该实验方案具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]刘超，蒲玉萍，等.硅铝复合材料杨氏模量有限元计算研究[J].粉末冶金工业，2013，23（4）：50-53.

[2]周晓明.三种杨氏模量测量方法比较[J].实验科学与技术，2011，9（6）：97-99.

[3]金三梅，左谨平，等.基于光电传感器的金属杨氏模量的测量[J].电子测量技术，2011，（11）：51-52.

[4]张春梅.用弯曲法测杨氏模量的不确定度的评定[J].大学物理实验，2003，16（4）：46-48

[5]王新春，王昆林，等.对液压法测杨氏模量的研究[J].大学物理实验，2011，24（2）：21-24.

[6]许巧平，苏芳珍，等.用光衍射法测量杨氏模量[J].实验技术与管理，2012，（10）：101-102.

[7]彭涛，王新春，等.电桥法测杨氏模量的实验研究[J].大学物理实验，2011，24（1）：51-54.

[8]沈家旺，王新春，等，定标法求钢丝杨氏模量的研究[J].技术物理学，2012，20（2）：86-90.

[9]梁霄，田源，等.横梁弯曲衍射法测杨氏模量实验仪的研制[J].物理实验，2011，31（8）：31-33.

杨氏模量的测定范文第2篇

关键词：信息融合；教学模型；效果

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）29-6591-04

本人在大学物理实验中心做实验教师多年，这为信息融合教学模型的实施提供了支持。因条件有限，为检验新模型和传统模型的效果差异，我只选择了一个大学物理实验项目——《杨氏模量的测量》，作为研究对象，分析运用信息融合教学模型和运用传统教学模型的实施效果。

1 《杨氏模量的测量》实验的课程描述

1.1 课程开展说明

《杨氏模量的测量》是一个比较复杂的实验，要求学生要有细心观察能力、独立操作仪器的能力和复杂数据处理的能力。这些都是大学物理实验课程开设的对学生要求的必须达到的能力目标，是一个工科类学生必修的实验项目。本学期《杨氏模量的测量》课开设的时间是：2013 年 3 月 8 号至 5 月 30 号，总共是 8 周 24节课。实验班级一个，人数43人，首先，我将该班分成4个组，实验项目和其他3个实验项目同时轮流进行，其中，两个组为实验组，运用信息融合教学模型，剩下两个组运用传统教学模型，主要以杨氏模量的测量为观测点。

1.2 教学方法与手段

在实验组，采用了信息融合学习模型，来增强学生接受能力、操作能力，挖掘并激发学生的潜能[1]。首先，利用学院的网站资源，把《杨氏模量的测量》相关的仪器介绍，原理说明，操作流程已经实验注意事项的视频资料，放到网站上，要求每个学生在课前必须预习观看。同时，在网站上还有很多该实验的背景资料，同学们可以随时随地浏览获取课外的扩展知识。平时，老师和学生可以利用现代通讯设施（微博、QQ等）进行互动，让他们随时讨论《杨氏模量的测量》实验课程的相关问题，这样可以了解更多杨氏模量的测量方法及其前景应用的知识，把大学物理实验的教学从过去的传统课堂延伸到丰富多彩的课外，从而，也促使学生学习目的发生变化，不再是为了来修学分，应付考试。培养了学生学习兴趣，独立思考能力、动手能力和想象能力[2]。

2 课程设计与实施的过程

2.1 《杨氏模量的测量》内容分析

在对《杨氏模量的测量》实验课程的初步分析后，下面对实验课程内容进行说明，详见表1。

（2）学会《杨氏模量的测定》的仪器操作规范。

（3）理解《杨氏模量的测量》实验的基本原理。

（4）通过拉伸法测杨氏模量，熟悉数据处理应用。＼&课程分析＼&学习本实验课程的学生，主要是在校大学生，他们来自不同的地域，在高中学习物理的基础各不相同，各自的学习能力及个性都存在差别，而且，对信息技术的掌握也有很大的差异，来自经济发达的地方明显比经济落后的地方的学生掌握的更多更好。但是，经过大一一个学年的学习，对于物理基础实验，信息技术基础知识，掌握都有较大的提升，大部分同学对本实验的开展，障碍都不大 [3]。＼&教学方式＼&自学、课堂讲授、网络学习。＼&学习活动＼&预习并做预习报告、资料收集、讨论交流、自主学习、协作学习、课堂讲授、问题解决、思考作业等。＼&学习资源 ＼&自编教材《大学物理实验教程》；视频资料；网络资料。＼&]

2.2 《杨氏模量的测量》课程教学目标

根据信息融合教学模型要求，制定教学目标（如表 2 所示）：

2.3 《杨氏模量的测量》活动设计

根据信息融合学习的理论基础，针对《杨氏模量的测量》实验课程的内容，笔者对信息融合学习活动进行了设计，具体设计详见图1 所示。

2.4 《杨氏模量的测量》实验的学习支持

本实验的学习支持，主要是大学生物理实验中心的实践教学网和海量互联网资源。在课前，要求学生浏览学院实验中心的网站，并观看《杨氏模量的测量》的相关教学视频，同时，通过互联网，查阅实验相关的资料，了解本实验课程的大量背景知识。

在正式课堂教学时，老师先收取学生预习报告，并提问学生，检查是否达到要求。在实验教学过程中，首先，对实验原理做简要说明，然后对测量过程进行讲解，重点突出实验的注意事项，仪器调整的步骤，和关键环节；其次，跟踪学生实验过程，发现学生出现的误操作和不明白的地方，提供适当帮助。当然，教师要尽量少参与学生的实验过程，鼓励学生多独立思考，培养独立解决问题的能力。杨氏模量的测量实验过程繁琐，步骤多，需要学生有耐心地学习与操作，鼓励学生，增前自信，相信自己能顺利把实验完成。

在课后，要求老师及时和同学们交流，这可以充分利用信息技术的优点，运用QQ、微博和E-mail等形式与学生互动，利用这些工具可以及时了解学生实验后，对知识的掌握程度，了解学生作业情况，还可以进行课后答疑等。同时，还可以启发学生利用互联网进一步学习杨氏模量的测量的最新进展以及应用情况等[4]。

2.5 教学评价

《杨氏模量的测量》教学评价，从以下几方面来开展：

1）实验的预习情况。

2）实验过程，学生纪律，操作规范和数据收集合理性。

3）实验报告完成情况，数据处理是否正确。

4）实验效果分析。

3 实验的效果分析

在信息融合学习课程实施结束后，我对学生学习情况进行了全面的调查分析，把实验组和传统组的学生对照分析，发现两组学生在诸多方面存在差别。

3.1学生对学习课程的满意度显著提高

我们发现，实验组学生对学习的课程满意度显著提高，说明信息融合学习模型的实施是有效的。传统组学生比较对照组后，我们可以发现，传统组学生对学习过的课程满意度无明显变化。

在实验课程结束后，采用自编的里克特量五点问卷对学生进行测量。主要针对学生的创新能力、学习认可、研究能力、与人沟通能力、总结归纳能力等情况进行测查。

表3是实验组与传统组学生对课程实施后的满意度评估结果。实验组的总体评价为 3.68，显著超过平均水平，说明新方法的实施情况是非常有效的，但在创新能力条目上的得分为 2.12，略低于平均水平，分析原因，可能是因为本次研究的时间较短，课程实施只有 8 周时间，而创新能力的提高不是一蹴而就的，需要长期的积累，或许课程实施时间的增强，可能会继续提高，而传统组的总体评价为2.53，显著低于平均水平，说明传统方法不适合当前学生的学习，经过统计检验发现，实验组与传统组之间存在差异，而且差异非常显著[5]。

3.2 知识和操作能力有显著提高

实验组学生不但能够很好地掌握课程的基础知识、很好地完成作业，而且会利用互联网资源扩展知识进行深入学习，能够顺利地运用知识解决问题，实验操作能力有显著提高，明显达到了新教学模型实施之前的理想标准，而传统组学生在基础知识理解、扩大知识与实验能力方面的效果不理想[5]。

3.3自学能力有了明显的提高

自学方面，老师可以利用网络平台，指导学习在线学习，扩张了学习的时空范围，有效提升了学生的自学能力。访谈调查发现，实验组学生的自主学习能力都较高水平，说明实验组学生的自主学习能力得到了提高，而传统组学生的自主学习能力没有显著影响。

3.4互相协作学习的能力提高显著

信息融合学习模型中互相协作学习能力是其要求达到的教学目标之一，学习效果的进步快慢，互相协作学习是十分重要的促进手段，需要得到不断加强。调查说明，实验组学生的互相协作学习能力的总体水平较高；传统组学生的互相协作学习能力的总体存在不足，说明学生的这两方面的能力存在较大的差异。

3.5 新教学模型实施效果的总体评价

在实验组中，学生对教学的各个方面比较认同，如：学习模式、总结归纳能力、沟通能力以及研究能力，这从表3.1中的数据也可以反映出来，这几项指标均高于平均值。而在传统组中，从表3.1中反映各种指标均不理想，集中反映了传统教学模型认可度较低，有较大的提升空间。

3.6新教学模型实施后的实验成绩比较

总成绩=课前预习*20%+课堂表现*10%+实验报告*30%+期末考试*40%，其中期末考试是采用抽签的方式抽取一个实验，把整个实验过程完整地操作一遍。结果，实验组的总平均成绩是86.58，传统组的总平均成绩是74.31，经统计检验发现，实验组与传统组的期末总平均成绩存在差异，而且差异非常显著，说明在大学物理实验课程的教学中，信息融合学习模式比传统方式优越。

参考文献：

[1] 黄荣怀.教育信息化助力当前教育变革：机遇与挑战[J].中国电化教育，2011（1）： 36-40.

[2] Barohny Eun， Steven E Knotek. Reconceptualizing the Zone ofproximal Development： The Importance of the Third Voice.Educational Psychology Review， 2008（10）： 133-147.

[3] 何克抗.从Blending Learning 看信息技术理论的新发展上[J].中国电化教育，2004（3）： 5-10.

杨氏模量的测定范文第3篇

关键词：工科院校；物理实验；教学分析

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0254-02

随着科技发展，社会对大学生的需求也相应地转变为培养应用型人才，高校对大学生的培养逐步转变为应用型人才的培养模式。高校开设实验与实践课程，主要培养和提升学生的动手能力、探究能力与创新能力。

大学物理实验是学生在高校首先接触到的实践课程，被作为基础必修课，是大学生锻炼能力的敲门砖，起到关键性的引导作用。通过完成一定数量的实验，学生能掌握物理实验基本知识，学会一些物理量的常用测量方法、常用仪器使用方法和原理，培养和提高学生的动手能力，学会用实验去观察、分析、研究物理现象和物理规律并加深对理论知识的理解，学会对实验数据的处理及误差分析，养成良好的实验习惯和严谨的科学作风，为后续的实验课程打好基础。

对此，很多高校注重物理实验，采取许多措施，注重物理实验从演示型实验转变为探索性、设计性实验。但从目前学生的状况来看，教学实践中会忽视一些问题。

一、被忽略的问题

1.忽略学生的理论基础是否牢固。我们往往强调物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的发现和理论的建立必须以严格的物理实验为基础，受到实验的检验，强调实验的重要性。实验固然重要，通过实验，我们可以发现全新领域，开拓新的篇章，但我们容易忽略要想通过实验达到新的领域，必须有一定的基础知识。如果没有扎实的基础知识，只是一味地做实验，想必不会发现其中的奥妙。毕竟，大学生初步接触物理，不像研究者那样发现新规律或现象，而是先来学习已经知道的知识，在此基础上，对问题进行研究。例如，没有学过电磁波，打电话时不会发现电磁波的存在；没有学过干涉现象，对阳光下肥皂泡沫上的美丽图案，不会明白它是有规律可循的。

2.忽略培养学生基本的实验习惯和素养。物理实验是大学生首先接触的实验课程，物理教师对学生实验习惯的培养起到关键作用，如果起初没有养成习惯，学生容易形成对实验不重视的态度，课前不预习，课堂走过场，课后不认真处理报告等，后来想根本纠正会比较困难。不良习惯已经养成，在专业领域是一个致命伤。尤其对工科院校的学生来说，优良习惯尤为重要。比如，工科院校制冷专业、建筑专业、汽车专业、机械专业，没有在设计或实验实践中养成良好的习惯修养，在以后的工作中，可能会因一个小数点，造成无法估量的损失。

3.忽略学生的整体水平。对物理实验的课程内容设计，尤为重要。在这一这方面，在现今讲究效率的时代，大家往往要求的是时效，应用型人才更被重视，看重的是培养学生的探索能力和创新能力。但在教学改革时，我们容易忽略不同院校的学生，整体水平是不一样的。探究性、设计性实验，要在学生拥有一定的基础实验能力和基础知识的基础上才能进行操作。

4.在实验考核过程中，忽略考核的正式性。目前，实际操作环节采取抽签方式进行考核。考核过程中，有些教师仅注重学生最终测量结果，往往忽略过程中的细节问题。比如，在做拉伸法测定金属丝杨氏模量实验中，往往忽略杨氏模量测定仪水平调整，忽略此实验中的测量数据是不是和要求的对象相符合。例如，测量D时，实际表示是望远镜的标尺到平面镜的垂直距离，但有的学生在考核中测量的对象是望远镜镜头到平面镜的垂直距离。这些细节，在重视测量结果中不会被发现。

二、采取的措施

针对这些问题，在开设物理实验课时，应引起重视，采取相应措施，让学生真正地从物理实验课有所收获。

1.当前学习认知比重大于探究。学生要先学习已有物理知识，然后再进行物理实验。大学生处在认知时代而不是探索时代，要先学好已有知识，打好坚实理论基础，再进行物理实验，效果会事半功倍。比如，规则形状物体的密度测量实验，需要学生首先了解相关理论知识ρ=■、体积计算知识，然后才能进行相关实验测量。在牛顿环的实验中，学生如果之前在理论上没有了解干涉现象、等厚干涉，想必对牛顿环现象及牛顿环仪的应用也不会有很深刻的理解。所以，对高校学生来说，要给予了解与重视。对大学物理实验，打好物理基础知识，尤为重要。

2.大学物理实验课的要求和注意事项要明确。对实验的相关章程和注意事项，要重点强调，可引起学生注意。每堂实验课要针对相应基本要求和注意事项进行严肃强调，循序渐进地引导，让学生在教师的潜移默化中养成良好的习惯。

大学物理实验的基本要求是：

（1）能够完成预习，进行实验和撰写报告等主要实验程序。

（2）能够调整常用实验装置，基本掌握常用的操作技术。例如：零位调整；水平、铅直调整；光路的共轴调整；根据给定的电路图正确接线等。

（3）了解物理实验中常用的实验方法和测量方法。例如：比较、平衡和干涉等方法。

（4）能够进行常用物理量的一般测量。例如：长度、质量、时间、热量、温度、电流强度等。

（5）了解常用仪器的性能，学会使用方法。例如：测长仪器、变阻器、直流电表、通用示波器、低频信号发生器、常用电源和常用光源等。

（6）了解测量误差的基本知识，具有正确处理数据的初步能力。其中包括：测量误差的基本概念；直接测量量的误差计算；数据处理的一些基本方法。

（7）实验过程中要爱护仪器，谨记注意事项，实验结束后要排好仪器。这一点，在目前的大学物理实验中，学生的重视度不够。例如，在拉伸法测定金属丝杨氏模量实验时，要用到螺旋测微计来测量金属丝的直径d，教师在讲解中强调螺旋测微计精度很高，如果直接旋转微分筒压被测物体，物体容易变形，造成误差，所以当旋转微分筒刚接触被测物体时，改用棘轮转动。当刚听到棘轮发出咔咔声时，表明物体被刚好压住，既不松也不紧，应开始测量。如再接着旋紧，会造成测微螺旋与被测物体受损。但在实验过程中，经常能听到螺旋测微计发出连续的咔咔声，表明学生对此要求重视度不够，没有养成良好的习惯。

因此，大学物理实验中，每做一个实验，教师都应反复、详细而严肃地说明与强调，增强学生的重视度，养成良好的实验习惯，逐步形成求实、严谨的态度。

3.大学物理实验大多开设在大一下学期或大二上学期，此阶段学生对知识的掌握还不够熟练与灵活。因此，对大学生而言，更容易接受测量性实验、验证性实验。所以，在物理实验内容设计上，要有层次性。例如，对于拉伸法测定金属丝的杨氏模量实验、三线摆测定刚体的转动惯量的实验，学生更容易接受。通过开设这些实验，学生会发现物理实验是比较容易做的，愿意学习。如果我们只注重探索性能力和创新性能力的培养，设计的实验难度较大，如分光计实验，学生不明白偏向角测量及相应原理，会觉得物理实验难度大，不能理解，对物理实验课积极性不高，兴趣被削弱，主动性变差，实验课就只是在走过场，就谈不上提升学生的探索、创新能力了。

为了避免这种情况的发生，设计实验时应遵循如下比例，比例设计得好，会引起学生兴趣，他们自然会表露出求知欲、探索欲，在无形中完成思考与创新。从调查情况来看，学生希望实验开设比例如表1所示。

4.大学物理实际操作采用具体提问环节，使考试正式化，让学生重视操作过程，而不是走形式。在实际考核中，应每人一组，限定时间考核，操作实验结束后，教师在观察的基础上，对具体操作进行提问，根据学生回答的项目点给予相应分数。在物理实验开课初期，教师应告知学生这种操作考核方式，提升学生对实验课的重视度，督促养成良好习惯。

三、结束语

大学物理实验课程的开设，使学生对理论知识有了进一步的深刻理解与认识。在开设过程中，重视细节设计，重视学生处于基础层面的状态，采取相应措施，设计合理内容，让学生在扎实的基础功下，循序渐进、潜移默化地在大学物理实验课上培养好的习惯与素养，从而培养启发、探索、创新能力。

参考文献：

[1]刘勇.物理实验教学浅谈[J].考试周刊，2008，48（214）.

杨氏模量的测定范文第4篇

关键词：剪切波弹性成像；甲状腺结节；超声

临床上甲状腺结节越来越常见，通过超声检查获得的甲状腺结节的患病率为20%～76%。但是，其中恶性病变仅占结节性病变的9.2%～14.8%[1]。我们常规超声检查依据的TI-RADS诊断标准进行分类，发现TI-RADS 4级的结节数量较多，达不到很好的指导临床效果。实时剪切波弹性成像 （shear wave elastography，SWE）通过测量剪切波在组织内的传播速度计算弹性模量值，能定量评价结节的硬度，为我们判断结节性质提供了一种新的技术。

1 资料与方法

1.1一般资料 2015年2月～2016年1月在核工业四一六医院经超声检查发现的甲状腺实性结节，并且经超声引导下穿刺活检或手术病理证实的患者69例，其中女41例，男28例，年龄16～69岁。

1.2方法 使用法国Supersonic imagine公司推出的 Aicplorer 型实时剪切波弹性成像超声诊断仪，配置有L4-15线阵探头，频率 4～15MHz。患者仰卧位，充分暴露颈部，于病灶皮肤处涂抹适当厚度耦合剂，轻置探头，尽量不施压，选定取样框，覆盖病灶，待图像稳定后定帧、存储，冻结图像时嘱患者屏气，静置图像不低于3s。每个结节做出三个SWE图像。彩色量程图标显示的单位为kPa，默认量程为0～180kPa。取三次Emean的平均值并记录。

1.3统计学方法 采用SPSS18.0统计软件，计量资料（Emean）以（x±s）表示， 良、恶性结节的弹性模量值比较采用t检验，P

2 结果

2.1病理结果 69个甲状腺结节中，良性结节44个（甲状腺腺瘤17个，结节性甲状腺肿27个）恶性结节25个（状癌23例，髓样癌2例）

2.2良恶性结节的平均弹性模量值Emean的比较 恶性结节的弹性平均值（Emean）为（89.4±69.1）kPa，良性结节弹性平均值（Emean）为（24.2±13.1）kPa。良性结节的Emean低于恶性结节，差异有统计学意义（P

3 讨论

SWE的基本原理是采用探头发射安全的声辐射脉冲，在组织内连续聚焦引起组织微粒振动并产生横向剪切波，可对被检测组织的剪切波速度（shear wave velocity，SWV）进行精确的定量测量，从而实现扫查切面内剪切波传播过程的实时准确监测；弹性模量值的计算公式为 E=3×组织密度×剪切波速度？即得到组织弹性的绝对值，实现定量分析[2]。同时对SWV进行彩色编码叠加于二维解剖图像上，从而形成活体组织的实时剪切波速度图。不仅实现了声波下的触诊，而且是目前唯一能测定表示组织绝对硬度--杨氏模量值的系统，具有客观、重复性好、受操作者影响小等优点[3]。生物组织的弹性（或硬度）与病灶的生物学特性紧密相关，通常病理情况下组织的弹性（或硬度）会发生改变，如恶性病变常导致弹性特性的改变，组织硬度相应增加，弹性系数增大，其原因主要是恶性病灶主要有坚硬的病变组织组成，且呈浸润性生长，边缘呈星状或蟹足状，与周围组织相粘连。

在依据TI-RADS诊断标准进行分级时，我们依据结节的边界、形态、回声及有无砂砾样钙化来进行判断。其中边界是否清楚、形态是否规整与操作医生的个人感觉及对机器的调节有关，回声低的程度及钙化是否粗大也存在着一定的主观因素，因此，TI-RADS分级的精确程度而SWE可以定量分析，来对甲状腺结节的良恶性进行提示。本研究结果显示，良性病灶的弹性模量明显低于恶性病灶，与国内外研究一致[4]。

综上所述，实时剪切波弹性成像在对甲状腺实性结节良恶性判定上是一种可靠的方法，通过对硬度的判断，可以对TI-RADS分级进行补充，对4级结节进行重新分类，更好的指导临床，值的我们在工作中去推广应用，降低一些不必要的穿刺、手术，给临床治疗方式的选择提供进一步的参考。

参考文献：

[1]C.Oliver， F.Sebag. What is the contribution of elastography to thyroidnodules evaluation？ Annales d，Endocrinologie， 2011（72）：120- 124.

[2]汤乔颖，邓又斌，刘琨，等.实时剪切波弹性成像测量猪离体心脏心肌剪切模量[J].中华超声影像学杂志，2012，21（8）：708-710.

杨氏模量的测定范文第5篇

在制备涂层的材料熔融、沉积过程中，由于粉末颗粒本身的淬火应力、其对已沉积涂层的冲击应力以及涂层与基体材料在热-机械性能方面差异造成的失配应变和热梯度效应，某些情况下还有后续加工和服役环境的作用，都会使涂层内不可避免地出现或大或小的残余应力。已有研究表明，残余应力的大小和分布严重影响着涂层零件整个体系的主要性能，如基体疲劳寿命、涂层结合强度、耐剥落以及硬度、耐磨、抗热冲击、热循环疲劳等性能，导致涂层开裂、翘起、剥落和分层，因此残余应力对涂层质量、使用性能、涂层构件精度和尺寸稳定性等都有重要影响，甚至导致涂层零件过早失效。

理论认为当残余应力超过涂层弹性极限时，拉伸应力会在垂直方向导致涂层开裂；一定的压应力是有利的，因其能使涂层裂纹闭合，改善疲劳性能，但压应力过大会导致涂层粘附性失效。在实际涂层生产中，残余应力的产生及其影响非常复杂。对于热喷涂涂层，其残余应力与喷涂气体流速、基体温度、涂层/基体体系的温度梯度、涂层材料性能、送粉速率、零件尺寸和几何形状、夹具、冷却、喷枪相对于零件的表面速率、走枪路径、涂层与基体厚度、弹性模量、热膨胀系数、热导率等诸多因素密切相关。

基体预处理、涂层后续加工及其服役工况对残余应力也有很大影响。例如表面粗糙化预处理可以提高界面结合强度，然而粗糙界面复杂形貌容易出现垂直于界面的残余拉应力，导致涂层破裂和剥离。精密磨削时，砂轮磨粒钝化导致小平面磨钝，使磨粒产生垂直于涂层表面的作用力，该力和摩擦力同时对涂层表面产生挤光作用，使涂层表面形成压应力。砂轮黏结剂对残余应力也有影响。

残余应力还与涂层零件的结构和喷涂区域有关。圆周喷涂的轴类零件或环形件，涂层结合强度足够大时，涂层破坏以开裂形式为主，其裂纹走向为圆周方向，也有轴向裂纹扩展的现象。小型零件内孔表面喷涂涂层，在喷涂、加工或试车考核等阶段都会出现整体涂层剥落的严重质量问题。对于薄壁件，涂层应力导致零件变形，对涂层零件尺寸精度造成影响，严重时会使零件超差报废。

机械式应力检测技术

（1）曲率检测技术

曲率检测技术的优点是试验设备简单，可以直接测定涂层残余应力，其原理是在基体上生成涂层时产生的残余应力导致曲率变化，通过曲率变化可以计算残余应力大小，一般采用Stoney方程计算残余应力。Stoney方程的优点在于只使用基体弹性模量，不使用涂层弹性模量，从而解决了涂层弹性模量受各种喷涂参数的影响而比较难以准确测量的问题。Gill和Clyne对曲率法做了较大改进，其一是将摄像进行曲率远程监测的方法用于真空等离子喷涂涂层的过程控制；其二是开发出数值计算程序，可以对不同曲率形状产生的残余应力进行计算，并区分喷涂粉末颗粒淬火应力和热膨胀系数差异导致的失配应力。

曲率检测技术可以分作接触和非接触两种方法。接触方法主要有应变仪和轮廓测定法，非接触方法主要有光学、激光扫描、栅格和双晶衍射拓扑法。应变仪法就是用电阻应变片测量喷涂前后试样的曲率变化，通过曲率变化计算涂层残余应力分布及大小。将试样制备成窄条状，以避免产生多轴向曲率和力学不稳定性。但是如果涂层相对基体过薄就不能反映出正应力的变化梯度，因此该方法主要适用于比较薄基体表面涂层的情况。

曲率法测试的结果是平均应力，精度比较低（±30MPa），只能粗略测量厚度方向的平均残余应力，并且对试样形状和尺寸限制很严。如果可以对基体表面涂层进行逐层剥离测量，则可以测定整个涂层厚度范围内的残余应力详细数据，但是对于多层或者较厚的涂层则非常困难。另外单纯使用传统曲率检测技术时，难于测量小曲率试样，需要对测量技术和计算方法进行改进。

（2）钻孔检测技术

又称盲孔法和套孔法，是目前应用广泛的涂层面内残余应力测量方法。钻孔检测的原理是将特制箔式应变花粘贴在涂层表面上，在应变花中心钻一直径和深度接近的小孔，产生局部应力释放，释放的应变可由连接各个应变片的应变仪测读出来。通过修正的Kirsch弹性力学公式则可得到在孔深范围内的平均主应力和主应力方向角，反映厚度大于0.3mm涂层的各向异性。该技术测量手段简单，成本低，测量精度高，已成为一种标准测试方法并在工程实际中广泛采用。美国ASTM E 837《钻孔应变仪测量残余应力》标准规定了残余应力测试方法、要求及其相应的钻孔程序。

钻孔检测技术的缺点是被测涂层表面遭到钻孔破坏，且钻孔常引起材料损伤和屈服，改变局部应力状态，另外涂层去除均匀困难，以至于影响残余应力的测量效果。

（3）逐层剥离检测技术

该方法是先在方形试片上喷涂涂层，然后对在涂层抛光剥离前、数次剥离过程和剥离后的试样进行应变测量得到涂层的残余应力。美国金属学会（ASM）所属的热喷涂学会负责编制了《逐层剥离修正法评价热喷涂涂层残余应力》作为喷涂行业使用的涂层机械性能测试标准。该文件给出了试样制备、需要的设备、使用应变规的程序、逐层磨除涂层的程序以及为了计算残余应力而进行数据处理的方法。

光学式应力检测技术

（1）X射线衍射检测技术

X射线衍射法“sin2ψ”是测定涂层残余应力最可靠和最实用的一种检测方法。自1971年美国汽车工程师学会颁布X射线衍射残余应力测定的行业标准SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料学会颁布国家标准JSMS-SD-10-1973“Standard Method for X-ray Stress Measurement”以来，作为一种无损检测技术，测定残余应力的X射线衍射检测技术得到了越来越广泛的应用，技术手段也日渐成熟。为反映最新的技术进步和成熟的测定方法，欧盟标准委员会（CEN）于2008年7月批准使用新的X射线衍射残余应力测定标准EN 15305-2008“Non-destructive Testing： Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction”， 该标准于2009年2月底在所有欧盟成员国正式实施。与之相呼应，美国试验材料学会（ASTM）也2010年7月了最新X射线衍射残余应力测定标准ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。EN 15305-2008欧盟标准对涂层材料和薄层等被测材料的特性进行了详细说明。

我国在1987年和实施《X射线应力测定方法》（GB/T 7704-1987）标准，2009年则实施《无损检测 X射线应力测定方法》（GB/T 7704-2008）新标准，但该标准没有针对涂层特殊结构材料测定残余应力的相关规定，而在国外，X射线衍射技术在上世纪80年代初就被用于喷涂涂层残余应力的检测。

X射线衍射测量应力的基本原理是由于残余应力的存在引起晶格畸变，使得晶格常数发生变化，根据Bragg衍射公式确定涂层材料的晶面间距后，再通过材料的弹性特征参数按下列方程式求得残余应力：

式中，E为涂层材料的杨氏模量，ε是涂层应变，ν为泊松比，d0和d分别为理想态和应力状态的晶面间距。

X射线衍射检测技术对涂层表面应力敏感，是一种无损的测试方法，对试样尺寸和形状要求不严格，且可以直接对零件测量，加上测量手段简单，准确度较高，因此在热喷涂涂层研制和生产中得到了广泛的应用。其独到之处是能够同时测量涂层中不同相的残余应力，如WC-Co涂层表面应力表现为压应力，且涂层中各相的残余应力水平及状态不同，WC和W2C相为压应力，且W2C相残余压应力水平大于WC相；而CO6W6C相则表现为拉应力。使用掠入射XRD方法还可以测量薄涂层或者厚涂层表面浅层的应力，即其检测深度可以为1μm的薄层。

XRD方法一般适用于具有良好晶体结构的材料，当晶粒尺寸很小时会导致衍射峰值变宽，影响测试结果精度。EN 15305-2008欧盟标准对涂层材料和薄层特性的说明认为，在测试薄层时可能会遇到衍射强度低和/或晶粒数量不足、由多层材料导致的额外衍射、与基体材料的衍射峰重叠、陡的应力梯度以及强烈的结构等问题，同时涂层材料的X射线弹性常数值可能会与大块材料不同。另外由于X射线的穿透能力较低，测量深度一般约为10～50微米，因此仅能测试样品表面较薄一层的残余应力，涂层增厚会造成测试结果误差。

（2）中子衍射检测技术

该技术是以中子流为入射束，照射涂层表面产生衍射峰。其原理与X射线衍射基本相同，即根据衍射峰位置的变化，利用布拉格方程式计算晶格应变量并算出残余应力值。与X衍射相比，中子衍射检测技术由于中子穿透的深度较大，可测量涂层深处的残余应力，在一定程度上弥补了X射线衍射穿透能力的不足。然而由于中子射线散射强度较低，收集信息速率慢，另外可利用的中子源较少，这些不利因素成为中子衍射检测技术在涂层残余应力研究中应用的障碍。

（3）散斑干涉检测技术

散斑干涉记录随机分布的散斑场，定量分析散斑场的变化。要求被测量的物体表面是漫反射表面。相干光照射到漫反射表面后的反射光干涉形成散斑，记录散斑场就可得出位移的变化值。Habib利用错位散斑干涉检测技术测量了温度变化造成金属与涂层之间变形的差异。

（4）光激发荧光谱（PLPS）技术

光激发荧光谱技术是利用Al2O3内痕量Cr3+在光激发态的d3电子衰减发出荧光，这种谱线称为光激发荧光谱。不同的Al2O3相结构，其Cr3+离子占据的空间位置不同，相应的荧光谱线也不同，d3电子衰减发出的荧光产生双峰型特征荧光谱R1和R2，在无应力状态下其频率位置分别为14402和14432cm-1。热生长α-Al2O3膜中存在应力会造成谱线频率位置的偏移，根据这些偏移值可以计算膜内应力。该技术的优势在于其分辨率高，缺点是只能测量含有Cr3+涂层或区域的残余应力。

（5）显微喇曼光谱技术

采用几微米的激光束作为激发源，可以测量残余应力的微观分布。其物理原理是，单色光束照射固体时，光子与物质分子相互碰撞引起光的散射。喇曼散射线与入射线波长稍有不同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之为斯托克斯线，其中发生非弹性碰撞而散射的光束经分光后形成了喇曼光谱，这是含有物质特征信息的光谱。如果物体存在应力，喇曼光谱中某些对应力敏感的谱带会产生移动。当物质受压应力作用时，谱带会向高频方向移动，受拉应力作用时谱带向低频方向移动，且频率改变与所受的应力呈正比关系。

试验中通常以激光光束为激励光源，采用显微光学系统对喇曼光谱进行观察，因此又称为显微激光喇曼光谱检测技术。该检测方法的空间分辨率可达到几个微米，检测范围仅是被测对象表面及其以下约50纳米的范围，检测精度非常高，适用于较薄的涂层。但是激光会导致涂层表面温度升高，因此要求被测涂层具有一定的耐热性能。

模拟计算技术

随着计算机计算能力的不断增强，数字模型，包括有限元模型，成为一种日益强大、有效且成本较低的模拟喷涂过程中涂层温度和应变衍生过程的计算工具。有限单元法的基本思想是将连续的结构体离散为有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是在节点处相连接的单元集合体；将场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设近似插值来表示单元中场函数的分布规律；利用力学变分原理来建立求解方程，以将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题来分析。ABACUS是HKS公司开发的一套功能强大的有限元工程模拟软件，被认为是功能最强的非线性CAE软件，它拥有丰富的单元库和与之相应的材料模型库，可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等多种问题，基本可以模拟计算任意实际形状、多种材料复杂结构的力学、热学和声学等方面的问题。在国外已广泛应用于航空航天、汽车、军事、土木工程、材料加工等各个行业。另一种使用广泛的有限元计算软件为ANSYS模拟软件。

有文献描述了喷涂态涂层内残余应力的几种模型。在有限元模拟多层涂层系统时，需要有正确的材料数据、多层及其界面的几何界面模型、足够的网格单元以及不同试验条件下的边界假设。对于热障涂层，将热生长氧化物、陶瓷面层及基体层视为弹性和黏性材料，黏结层则为弹性和黏性-塑性材料。其材料物理数据包括面层、热生长氧化物、粘结层和基体的热膨胀系数、杨氏模量和柏松比及其蠕变变形参数，另外还要具备不同温度下的黏结层应变-应力数据。在上述工作基础上，给出热载荷及边界条件，进行网格及其构成元素设计。

有限元法还可以对喷涂粉末颗粒沉积过程进行模拟计算，揭示表面粗糙度、温度等关键因素对涂层残余应力影响的热-机械变化过程。已有的有限元模型计算结果表明，在涂层厚度方向内存在应力梯度，即从涂层表面向内残余应力逐渐演变为面内压应力。基体温度对应力影响明显，喷涂过程中基体温度升高，面层内残余应力会从拉应力向压应力转变。另外，残余应力与涂层热历史密切相关，在涂层体系热循环过程中，由于陶瓷层显微裂纹萌生和合金黏结层蠕变作用，残余应力高温松弛，则在涂层体系冷却到室温过程中，因为基体与陶瓷层热膨胀系数差异而导致面内二维压应力增加。

作者简介

袁福河，研究员级高级工程师，中航工业一级专家，现在中航工业黎明从事航空发动机涂层喷涂和物理气相沉积涂层技术的工程应用工作；

王少刚，研究员级高级工程师，现为中航工业黎明副总经理，总工程师，主持和管理航空发动机制造技术工程应用方面的工作；