專利名稱：一種靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料測試技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用激光技術(shù)測試材料在靜壓力下 的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)是表征材料的內(nèi)部能量耗散以及振動(dòng)疲勞特性的重要 參數(shù)，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和水聲材料研制必須要獲得的參數(shù)，該參數(shù)在阻尼材 料和水聲材料研發(fā)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
測試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)方法和儀器很多，GB/T 16406-1996《聲學(xué)聲 學(xué)材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》、GB/T 18258《阻尼材料阻尼性能測試 方法》、GJB981-1990《粘彈阻尼材料強(qiáng)迫非共振型動(dòng)態(tài)測試方法》等標(biāo)準(zhǔn)提出 了測試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的各種方法。但沒有涉及如何獲得材料在靜壓力下的 動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。目前商品化用于測試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的儀器很多，如法國 OldB公司的VA3000粘彈儀，TA公司的DMA2980熱機(jī)械分析儀，Perkin Elmer 公司的DMA 7e熱機(jī)械分析儀等，但僅能測試材料在常壓條件下的性能。由于 材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與其水聲性能之間的相關(guān)性，獲得靜壓力下的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù) 可以為在深水條件下應(yīng)用的水聲材料研發(fā)提供依據(jù)，因而對于耐壓水聲材料的 研究具有非常重要的意義。
國內(nèi)外尚無靜水壓條件下的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)方法和裝置的專利報(bào)道。 美國專利(見公開號US6，320，665)介紹的一種利用聲光掃描激光測振儀， 測試宏觀組件和微觀組件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方法和裝置。該裝置將單頻激光束分成 兩束正交的極化束，其中的一個(gè)光束入射到考察的表面然后返回，該光束與從 參考面反射回來的另一光束產(chǎn)生干涉。在干涉點(diǎn)位置有一光探測器，該探測器 的信號經(jīng)信號處理器可得到被測樣品的動(dòng)態(tài)參數(shù)。但該方法無法獲得在靜壓條件下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài) 力學(xué)參數(shù)的方法及裝置；通過激光技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)無法獲得材料在靜壓力條 件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下所述技術(shù)方案
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法，是對處在一定靜壓力下的 樣品進(jìn)行信號激勵(lì)，用激光光束輻射在被測樣品上，通過對散射信號的接收和 處理而獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，其步驟如下
1) 對處在一定靜壓力下的樣品進(jìn)行振動(dòng)信號激勵(lì)，其激勵(lì)是由振動(dòng)器將任 意波形發(fā)生器產(chǎn)生的信號，經(jīng)功率放大器后，經(jīng)過振動(dòng)傳遞桿傳遞給樣品；其 振動(dòng)信號激勵(lì)包括共振法、非強(qiáng)迫共振法以及波傳播法產(chǎn)生的激勵(lì)；
2) 利用激光器提供的激光源輻射在處理壓力容器中的樣品上，產(chǎn)生散射信
號；
3) 接收并處理信號，獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及聲學(xué)性能參數(shù)，是通過 樣品的位移變化特性以及聲波傳播特性被記錄，經(jīng)接收分析處理得到材料靜壓 力條件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)以及聲學(xué)性能參數(shù)。
其操作步驟如下選用各組件組成本裝置，其中，壓力容器3可帶有三個(gè) 激光可以穿過的玻璃窗口的不銹鋼制壓力裝置。
1) 將計(jì)算機(jī)、信號源、功率放大器、濾波器、示波器等，預(yù)熱20分鐘；
2) 將樣品粘接于振動(dòng)器相連的振動(dòng)傳遞桿上，必要時(shí)對樣品進(jìn)行染色處理;
3) 根據(jù)測試需要，調(diào)整壓力容器內(nèi)的溫度和壓力，并使之保持恒定；
4) 根據(jù)測試要求，設(shè)定激勵(lì)信號的類型，并調(diào)節(jié)功率放大器、濾波器等參 數(shù)設(shè)置；
5) 打開測試程序，對樣品進(jìn)行激勵(lì)，采用激光器測試靜壓力條件下，特定 信號激勵(lì)下樣品的表面振動(dòng)響應(yīng)；6)記錄和處理振動(dòng)響應(yīng)信息，根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)與材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能之間的關(guān) 系，可通過程序控制獲得材料在靜壓力條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置包括環(huán)境室內(nèi)、壓力容器、 激光器、振動(dòng)器、加壓裝置、功率放大器、監(jiān)控裝置和計(jì)算機(jī)；其環(huán)境室內(nèi)設(shè) 置有壓力容器，壓力容器上部通過管道連通加壓裝置；壓力容器中部和底部設(shè) 置有玻璃窗口；壓力容器內(nèi)部的頂端裝置有振動(dòng)器，振動(dòng)器下部通過振動(dòng)傳遞 桿固定有待測樣品；在玻璃窗口外，環(huán)境室內(nèi)與壓力容器之間設(shè)置有與其對應(yīng) 的激光器，其壓力容器中部激光器的下方設(shè)置有壓力容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，實(shí) 時(shí)監(jiān)控裝置下方設(shè)置有壓力容器的溫度壓力監(jiān)控裝置；實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置與溫度壓 力監(jiān)控裝置由計(jì)算機(jī)通過GPIB總線控制。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其壓力容器設(shè)置有若干個(gè) 激光可以透過的窗口，其壓力容器能承受大于5MPa靜壓力；其壓力容器內(nèi)溫 度可進(jìn)行控制。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其振動(dòng)器由壓電陶瓷片制成。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其加壓裝置采用空氣壓縮 機(jī)或其他加壓裝置。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其壓力容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝 置由攝像頭通過監(jiān)視器監(jiān)測樣品形變。
所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其壓力容器的溫度壓力監(jiān) 控裝置，通過電加熱或其他加熱方式和液氮或干冰控制壓力容器內(nèi)的溫度；通 過熱電偶以及壓力傳感器檢測壓力容器內(nèi)的溫度和壓力。
由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性
通過本發(fā)明可以獲得材料在靜壓力下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，能夠解決現(xiàn)有 商品化的測試儀器無法獲得靜壓力下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)這一難題，為耐壓 水聲材料的研制提供數(shù)據(jù)支持。


圖1為激光測振法測試材料動(dòng)態(tài)參數(shù)裝置的方框圖2為激光測振法測試材料動(dòng)態(tài)參數(shù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖中l(wèi)一激光器；2—振動(dòng)器；3—壓力容器；4一發(fā)生器；5—功率放大 器；6—示波器；7—濾波器；8—計(jì)算機(jī)、9"實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置；IO—加壓裝置； ll一溫度和壓力監(jiān)視器；12—待測樣品；13—玻璃窗口； 14一環(huán)境室；15—管 道；16—振動(dòng)傳遞桿。
具體實(shí)施例方式
如圖1、 2所示該靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法，是對處在一定 靜壓力下的樣品進(jìn)行信號激勵(lì)，用激光光束輻射在被測樣品上，通過對散射信 號的接收和處理而獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，其步驟如下
1) 對處在一定靜壓力下的樣品進(jìn)行振動(dòng)信號激勵(lì)，其激勵(lì)是由振動(dòng)器(2)
將任意波形發(fā)生器(4)產(chǎn)生的信號，經(jīng)功率放大器(5)后，經(jīng)過振動(dòng)傳遞桿 (16)傳遞給待測樣品(12);其振動(dòng)信號激勵(lì)包括共振法、非強(qiáng)迫共振法以及 波傳播法產(chǎn)生的激勵(lì)；
2) 利用激光器(1)提供的激光源輻射在處理壓力容器(3)中的待測樣品 (12)上，產(chǎn)生散射信號；
3) 接收并處理信號，獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及聲學(xué)性能參數(shù)，是通過 待測樣品(12)的位移變化特性以及聲波傳播特性被記錄，經(jīng)接收分析處理得 到材料靜壓力條件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)以及聲學(xué)性能參數(shù)。
該靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置包括環(huán)境室(14)內(nèi)、壓力容 器(3)、激光器、振動(dòng)器、加壓裝置、功率放大器、監(jiān)控裝置和計(jì)算機(jī)；其環(huán) 境室(14)內(nèi)設(shè)置有壓力容器(3)，壓力容器上部通過管道(15)連通加壓裝 置(10);壓力容器(3)中部和底部設(shè)置有玻璃窗口 (13);壓力容器(3)內(nèi) 部的頂端裝置有振動(dòng)器(2)，振動(dòng)器下部通過振動(dòng)傳遞桿(16)固定有待測樣 品(12);在玻璃窗口 (13)夕卜，環(huán)境室(14)內(nèi)與壓力容器(3)之間設(shè)置有與其對應(yīng)的激光器(1)，其壓力容器(3)中部激光器的下方設(shè)置有壓力容器的 實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9)，實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置下方設(shè)置有壓力容器的溫度壓力監(jiān)控裝置 (11);實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9)與溫度壓力監(jiān)控裝置(11)由計(jì)算機(jī)(8)通過GPIB 總線控制。
其壓力容器(3)設(shè)置有若干個(gè)激光可以透過的窗口 (13)，其壓力容器能 承受大于5MPa靜壓力；其壓力容器內(nèi)溫度可進(jìn)行控制。其振動(dòng)器(2)由壓電 陶瓷片制成。其加壓裝置(10)采用空氣壓縮機(jī)或其他加壓裝置。其壓力容器 的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9)由攝像頭連接監(jiān)測樣品(12)形變的監(jiān)視器。其壓力容器 的溫度壓力監(jiān)控裝置(11),通過電加熱或其他加熱方式和液氮或干冰控制壓力 容器內(nèi)的溫度；通過熱電偶以及壓力傳感器檢測壓力容器內(nèi)的溫度和壓力。
其操作步驟如下選用各組件組成本裝置，其中，壓力容器3可帶有三個(gè) 激光可以穿過的玻璃窗口 (13)的不銹鋼制壓力裝置。
1) 將計(jì)算機(jī)、信號源、功率放大器、濾波器、示波器等，預(yù)熱20分鐘；
2) 將樣品粘接于振動(dòng)器相連的振動(dòng)傳遞桿上，必要時(shí)對樣品進(jìn)行染色處理；
3) 根據(jù)測試需要，調(diào)整壓力容器內(nèi)的溫度和壓力，并使之保持恒定；
4) 根據(jù)測試要求，設(shè)定激勵(lì)信號的類型，并調(diào)節(jié)功率放大器、濾波器等參 數(shù)設(shè)置；
5) 打開測試程序，對樣品進(jìn)行激勵(lì)，采用激光器測試靜壓力條件下，特定 信號激勵(lì)下樣品的表面振動(dòng)響應(yīng)；
6) 記錄和處理振動(dòng)響應(yīng)信息，根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)與材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能之間的關(guān) 系，可通過程序控制獲得材料在靜壓力條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
該靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，由壓力容器(3)、激光器、振 動(dòng)器、攝像機(jī)、空氣壓縮機(jī)、功率放大器、濾波器、任意波形發(fā)生器、示波器、 計(jì)算機(jī)組成。其中激光器提供激光；振動(dòng)器將任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的信號，經(jīng) 功率放大器后，經(jīng)過振動(dòng)傳遞桿傳遞給樣品，樣品的位移變化特性以及聲波傳 播特性被記錄，分析處理得到材料靜壓力條件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。采用激光測試材料動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的裝置，裝有被測樣品的裝置有若干個(gè)窗
口 ，且激光能夠穿過窗口 ，輻射在被測樣品上;且壓力容器能夠承受不小于5MPa 靜壓力；所述被測樣品的壓力容器內(nèi)溫度可進(jìn)行控制。
其中激光器1產(chǎn)生激光；振動(dòng)器2將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)信號；壓力容器3 通過10為樣品提供靜壓力；信號源4提供信號；功率放大器5將產(chǎn)生的信號放 大；示波器6用來顯示和記錄信號；濾波器7濾掉干擾信號；計(jì)算機(jī)8用來處 理信息和通過程序控制信號源4、示波器6和濾波器7;攝像頭9用來監(jiān)測樣品 形變；空氣壓縮機(jī)IO用來控制樣品容器的靜壓力；溫度和壓力監(jiān)視器ll用來 實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品容器內(nèi)的壓力和溫度情況。
權(quán)利要求
1、一種靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法，其特征在于是對處在一定靜壓力下的樣品進(jìn)行信號激勵(lì)，用激光光束輻射在被測樣品上，通過對散射信號的接收和處理而獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，其步驟如下1)對處在一定靜壓力下的樣品進(jìn)行振動(dòng)信號激勵(lì)，其激勵(lì)是由振動(dòng)器(2)將任意波形發(fā)生器(4)產(chǎn)生的信號，經(jīng)功率放大器(5)后，經(jīng)過振動(dòng)傳遞桿(16)傳遞給待測樣品(12)；其振動(dòng)信號激勵(lì)包括共振法、非強(qiáng)迫共振法以及波傳播法產(chǎn)生的激勵(lì)；2)利用激光器(1)提供的激光源輻射在處理壓力容器(3)中的待測樣品(12)上，產(chǎn)生散射信號；3)接收并處理信號，獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及聲學(xué)性能參數(shù)，是通過待測樣品(12)的位移變化特性以及聲波傳播特性被記錄，經(jīng)接收分析處理得到材料靜壓力條件的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)以及聲學(xué)性能參數(shù)；其操作步驟如下選用各組件組成本裝置，其中，壓力容器3可帶有三個(gè)激光可以穿過的玻璃窗口(13)的不銹鋼制壓力裝置；1)將計(jì)算機(jī)、信號源、功率放大器、濾波器、示波器等，預(yù)熱20分鐘；2)將樣品粘接于振動(dòng)器相連的振動(dòng)傳遞桿上，必要時(shí)對樣品進(jìn)行染色處理；3)根據(jù)測試需要，調(diào)整壓力容器內(nèi)的溫度和壓力，并使之保持恒定；4)根據(jù)測試要求，設(shè)定激勵(lì)信號的類型，并調(diào)節(jié)功率放大器、濾波器等參數(shù)設(shè)置；5)打開測試程序，對樣品進(jìn)行激勵(lì)，采用激光器測試靜壓力條件下，特定信號激勵(lì)下樣品的表面振動(dòng)響應(yīng)；6)記錄和處理振動(dòng)響應(yīng)信息，根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)與材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能之間的關(guān)系，可通過程序控制獲得材料在靜壓力條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
2、 一種靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征在于包括環(huán)境 室(14)內(nèi)、壓力容器(3)、激光器、振動(dòng)器、加壓裝置、功率放大器、監(jiān)控 裝置和計(jì)算機(jī)；其環(huán)境室(14)內(nèi)設(shè)置有壓力容器(3)，壓力容器上部通過管 道(15)連通加壓裝置(10);壓力容器(3)中部和底部設(shè)置有玻璃窗口 (13); 壓力容器(3)內(nèi)部的頂端裝置有振動(dòng)器(2),振動(dòng)器下部通過振動(dòng)傳遞桿() 固定有待測樣品(12);在玻璃窗口 (13)夕卜，環(huán)境室(14)內(nèi)與壓力容器(3) 之間設(shè)置有與其對應(yīng)的激光器(1)，其壓力容器(3)中部激光器的下方設(shè)置有 壓力容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9),實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置下方設(shè)置有壓力容器的溫度壓力 監(jiān)控裝置(11);實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9)與溫度壓力監(jiān)控裝置(11)由計(jì)算機(jī)(8) 通過GPIB總線控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征 在于其壓力容器(3)設(shè)置有若干個(gè)激光可以透過的窗口 (13)，其壓力容器 能承受大于5MPa靜壓力；其壓力容器內(nèi)溫度可進(jìn)行控制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征 在于其振動(dòng)器(2)由壓電陶瓷片制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征 在于其加壓裝置(10)采用空氣壓縮機(jī)或其他加壓裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征 在于其壓力容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置(9)由攝像頭連接監(jiān)測樣品(12)形變的監(jiān) 視器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征 在于其壓力容器的溫度壓力監(jiān)控裝置(11)，通過電加熱或其他加熱方式和液 氮或干冰控制壓力容器內(nèi)的溫度；通過熱電偶以及壓力傳感器檢測壓力容器內(nèi) 的溫度和壓力。
全文摘要
一種靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法及裝置，涉及材料測試技術(shù)領(lǐng)域，該靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法，是對處在一定靜壓力下的樣品進(jìn)行信號激勵(lì)，用激光光束輻射在被測樣品上，通過對散射信號的接收和處理而獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)該靜壓力下提取材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的裝置包括環(huán)境室(14)內(nèi)、壓力容器(3)、激光器、振動(dòng)器、加壓裝置、功率放大器、監(jiān)控裝置和計(jì)算機(jī)；本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有商品化的測試儀器無法獲得靜壓力下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)這一難題，為耐壓水聲材料的研制提供數(shù)據(jù)支持。
文檔編號G01N21/49GK101315325SQ20071005447
公開日2008年12月3日 申請日期2007年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月28日
發(fā)明者張用兵, 兵 王 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所