專利名稱：一種同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測試技術領域，特別涉及到一種利用激光測振技術和有限元模 擬技術同時提取靜水壓力條件下材料復楊氏模量和復剪切模量的方法及裝置。
背景技術：
復楊氏模量和復剪切模量用來表征材料動態(tài)力學性能的重要參數(shù)，可用來 表征材料內(nèi)部能量耗散以及振動疲勞特性，是結(jié)構動力學設計和水聲材料研制 過程中的重要參數(shù)，是阻尼材料和水聲材料研發(fā)中要獲得的重要參數(shù)。
測試材料復楊氏模量和復剪切模量的方法較多，GB/T 16406-1996《聲學聲 學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《粘彈阻尼材料強迫非共振型動態(tài)測試方法》、ANSI S2. 22-1998、 ANSI S2. 23-1998以及IS06721-1994等標準提出了測試這些參數(shù) 的各種方法。
目前商品化采用上述標準測試材料動態(tài)力學性能的儀器較多，如法國OldB 公司的VA4000粘彈儀，TA公司的DMAQ800熱機械分析儀，Perkin Elmer公司 的DMA7e熱機械分析儀等，通過改變夾持試樣的夾具，可以分別獲得材料的復 楊氏模量和復剪切模量。但現(xiàn)有儀器無法在同一時間獲得材料的復楊氏模量和 復剪切模量，并且無法獲得靜水壓力條件下材料的復模量參數(shù)。
美國專利(公開號US 6， 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態(tài)力學性能方法和裝置。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態(tài)參數(shù)。該方法可以獲得材料在空氣
中的動態(tài)參數(shù)，但該方法無法同時獲得靜水壓力材料的復楊氏模量和復剪切模
國內(nèi)外尚無可同時材料靜壓力條件下復楊氏模量和復剪切模量方法和裝置 的相關報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種利用激光測振技術和有限元模擬技 術同時提取靜水壓力條件下材料復楊氏模量和復剪切模量的方法及裝置，在同 時獲得靜水壓力條件下材料的復楊氏模量和復剪切模量問題，為耐靜水壓阻尼 材料和水聲材料制品研發(fā)，提供了重要基礎數(shù)據(jù)支持。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法，是對處在環(huán)境室可
設定溫度和靜水壓力的樣品進行激勵，用He/Ne激光源輻射在被測樣品上，通 過對從樣品散射信號的接收和處理而獲得材料三維方向上表面運動，結(jié)合有限 元方法獲得材料的復楊氏模量和復剪切模量，包括以下步驟-
1) 對處在一定溫度下和靜水壓力條件下的樣品進行振動信號激勵；
2) 利用He/Ne激光源輻射在環(huán)境室的樣品上，產(chǎn)生散射信號；
3) 接收并處理散射信號，獲得材料在三維方向上表面的振動響應A;設定 材料復楊氏模量和復剪切模量的初始值，采用有限元模擬方法預測到的振動響 應B;通過不斷調(diào)整有限元模擬計算中材料的復楊氏模量和復剪切模量設定值 使模擬振動響應信號B與實際獲得的響應信號A特征在允許差別范圍內(nèi)，此時 的復楊氏模量和復剪切模量設定值即為材料在靜水壓力條件下的復楊氏模量和 復剪切模量。
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法，其有限元模擬方法 是通過設定復楊氏模量和復剪切模量初始值，根據(jù)邊界條件，計算出相同響應 條件下模擬振動激勵信號，并將此模擬振動激勵信號經(jīng)功率放大器進行信號放 大后，對樣品進行振動激勵后，獲得模擬振動響應信號B。
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，是由40.0MHz振蕩 器、He/Ne激光源、布拉格格子、光纖耦合器、面外探測器、環(huán)境室、雪崩光 敏二極管、40.1MHz振蕩器、混頻器、鎖相環(huán)、低通濾波器、鎖位放大器、功 率放大器、計算機組成,.其中40.0MHz振蕩器、He/Ne激光源和布拉格格子組 成激光器，經(jīng)光纖耦合器把一路光纖信號分配成多路光纖信號，信號輸入環(huán)境 室中的振動器，振動器對樣品進行振動激勵，經(jīng)面內(nèi)探測器檢測，并通過雪崩 光敏二極管隔離噪聲信號后，然后通過混頻器并經(jīng)40.1MHz振蕩器，將檢出的 信號變頻經(jīng)鎖相環(huán)、低通濾波器和鎖位放大器，再經(jīng)過計算機處理得到振動響 應信號A;利用計算機，通過有限元程序，根據(jù)實際獲得振動響應信號A，設 定復楊氏模量和復剪切模量初始值和邊界條件，獲得模擬受激勵狀態(tài)下的樣品 振動激勵信號；將模擬振動激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，通過振動器對樣品 進行振動激勵，并獲得此狀態(tài)下的模擬振動響應信號B。
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其環(huán)境室上設置有 面外探測器，夾層之間設置玻璃窗口，其內(nèi)從上到下依次為樣品、膠粘劑、金 屬片、膠粘劑、振動器、基座、隔振墊，反光鏡設置在環(huán)境室一側(cè)并與樣品對 應。
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其振動器由壓電陶 瓷片制成。
所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其帶有激光可以透
過的玻璃窗口也可是有機玻璃。
由于采用了如上所述技術方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性 通過本發(fā)明可以同時獲得材料的復楊氏模量和復剪切模量，能夠解決現(xiàn)有
商品化的測試儀器不能同時獲得上述參數(shù)這一難題，為阻尼材料和水聲材料的
研制提供數(shù)據(jù)支持。


圖1是同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置配置示意圖2是同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的環(huán)境室示意圖。 圖1、 2中l(wèi)一40.0MHz振蕩器；2—He/Ne激光源；3—布拉格格子；4— 光纖耦合器；5—面外探測器；6—環(huán)境室；7—雪崩光敏二極管；8—40.1MHz振 蕩器；9一混頻器；IO—鎖相環(huán)；ll一低通濾波器；12—鎖位放大器；13—功率 放大器；14—計算機；15—玻璃窗口； 16—樣品；17—金屬片；18—膠粘劑； 19—振動器；20—基座；21—隔振墊；22—反光鏡。
具體實施例方式
本發(fā)明的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法，是對處在環(huán)境室
可設定溫度和靜水壓力的樣品進行激勵，用He/Ne激光源輻射在被測樣品匕 通過對從樣品散射信號的接收和處理而獲得材料三維方向上表面運動，結(jié)合有 限元方法獲得材料的復楊氏模量和復剪切模量，包括以下的步驟
1) 對處在一定溫度下和靜水壓力條件下的樣品進行振動信號激勵；
2) 利用He/Ne激光源輻射在環(huán)境室的樣品上，產(chǎn)生散射信號；
3) 接收并處理散射信號，獲得材料在三維方向上表面的振動響應A，通過 與采用有限元模擬方法預測到的振動響應B進行對比，通過不斷調(diào)整有限元模 擬計算中材料的復楊氏模量和復剪切模量設定值，當模擬振動影響信號B與實 際獲得的響應信號A特征在允許差別范圍內(nèi)，即可同時獲得材料在靜水壓力條 件下的復楊氏模量和復剪切模量。其有限元模擬方法是通過設定復楊氏模量和 復剪切模量初始值，根據(jù)邊界條件，計算出相同響應條件下模擬振動激勵信號， 并將此模擬振動激勵信號經(jīng)功率放大器進行信號放大后，對樣品進行振動激勵 后，獲得模擬振動響應信號B。
如圖l、 2所示本發(fā)明的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置， 是由40.0MHz振蕩器(1)、 He/Ne激光源(2)、布拉格格子(3)、光纖耦合器 (4)、面外探測器(5)、環(huán)境室(6)、雪崩光敏二極管(7)、 40.1MHz振蕩器 (8)、混頻器(9)、鎖相環(huán)(10)、低通濾波器(11)、鎖位放大器(12)、功率 放大器(13)、計算機(14)組成，其中40.0MHz振蕩器(1)、 He/Ne激光源(2)
和布拉格格子(3)組成激光器，經(jīng)光纖耦合器(4)把一路光纖信號分配成多 路光纖信號，信號輸入環(huán)境室(6)中的振動器(19)，振動器(19)對樣品(16) 進行振動激勵，經(jīng)面內(nèi)探測器(5)檢測，并通過雪崩光敏二極管(7)隔離噪 聲信號后，然后通過混頻器(9)并經(jīng)40.1MHz振蕩器(8)，將檢出的信號變 頻經(jīng)鎖相環(huán)(10)、低通濾波器(11)和鎖位放大器(12)，再經(jīng)過計算機(14) 處理得到振動響應信號A;利用計算機(14)，通過有限元程序，根據(jù)實際獲得 振動響應信號A，設定復楊氏模量和復剪切模量初始值和邊界條件，獲得模擬 受激勵狀態(tài)下的樣品(16)振動激勵信號；將模擬振動激勵信號經(jīng)功率放大器 (13)放大后，通過振動器(19)對樣品(16)進行振動激勵，并獲得此狀態(tài) 下的模擬振動響應信號B。此外，環(huán)境室(6)上設置有面外探測器(5)，夾層 之間設置玻璃窗口 (15)，其內(nèi)從上到下依次擺放樣品(16)、膠粘劑(18)、金 屬片(17)、膠粘劑(18)、振動器(19)、基座(20)、隔振墊(21)，反光鏡(22) 設置在環(huán)境室(6) —側(cè)并與樣品(16)對應。振動器(19)也可由壓電陶瓷片 制成。激光可以透過的玻璃窗口 (15)也可是有機玻璃構成。 上述裝置具體操作步驟簡述如下
1) 將整個測試系統(tǒng)接通電源，預熱20分鐘；
2) 將樣品粘接在與振動器或壓電陶瓷片相連的金屬片上，必要時對樣品進 行染色處理，并把振動器與基座用膠粘劑進行粘接；
3) 根據(jù)測試需要，調(diào)整壓力容器內(nèi)的溫度和靜水壓力，并使之保持恒定；
4) 根據(jù)測試要求，設定激勵信號的類型，并調(diào)節(jié)功率放大器、混頻器、濾 波器等參數(shù)設置；
5) 打開測試程序，對樣品進行激勵，采用激光器測試特定溫度和靜水壓力 條件下，特定信號激勵下樣品的表面振動響應；
6) 用計算機記錄和處理振動響應信息，獲得振動響應信號A;
7) 采用有限元模擬方法，根據(jù)振動響應信號A，設定樣品的復楊氏模量和 復剪切模量初始值，從而獲得的模擬振動激勵信號；
8) 將采用有限元獲得的模擬振動激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，通過振動
器對處在環(huán)境室中的樣品進行振動激勵，并處理得到振動響應信號B;
9) 采用優(yōu)化算法，不斷調(diào)整復楊氏模量和復剪切模量數(shù)據(jù)，使采用有限元 模擬獲得的振動激勵信號，經(jīng)過處理獲得的振動響應信號B，與實際測試得到
的振動響應信號A在允許的差別范圍內(nèi)；將此時設定的復楊氏模量和復剪切模
量作為特定溫度和靜水壓力條件下的參數(shù)。
權利要求
1.一種同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法，其特征在于對處在環(huán)境室可設定溫度和靜水壓力的樣品進行激勵，用He/Ne激光源輻射在被測樣品上，通過對從樣品散射信號的接收和處理而獲得材料三維方向上表面運動，結(jié)合有限元方法獲得材料的復楊氏模量和復剪切模量，包括以下的步驟1)對處在一定溫度下和靜水壓力條件下的樣品進行振動信號激勵；2)利用He/Ne激光源輻射在環(huán)境室的樣品上，產(chǎn)生散射信號；3)接收并處理散射信號，獲得材料在三維方向上表面的振動響應A，通過與采用有限元模擬方法預測到的振動響應B進行對比，通過不斷調(diào)整有限元模擬計算中材料的復楊氏模量和復剪切模量設定值，當模擬振動影響信號B與實際獲得的響應信號A特征在允許差別范圍內(nèi)，即可同時獲得材料在靜水壓力條件下的復楊氏模量和復剪切模量。
2、 如權利要求l所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法，其 特征在于有限元模擬方法是通過設定復楊氏模量和復剪切模量初始值，根據(jù) 邊界條件，計算出相同響應條件下模擬振動激勵信號，并將此模擬振動激勵信 號經(jīng)功率放大器進行信號放大后，對樣品進行振動激勵后，獲得模擬振動響應 信號B。
3、 一種同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其特征在于該裝 置是由40.0MHz振蕩器(1)、 He/Ne激光源(2)、布拉格格子(3)、光纖耦合 器(4)、面外探測器(5)、環(huán)境室(6)、雪崩光敏二極管(7)、 40.1MHz振蕩 器(8)、混頻器(9)、鎖相環(huán)(10)、低通濾波器(11)、鎖位放大器(12)、功 率放大器(13)、計算機(14)組成，其中40.0MHz振蕩器(1)、 He/Ne激光源(2)和布拉格格子(3)組成激光器，經(jīng)光纖耦合器(4)把一路光纖信號分配 成多路光纖信號，信號輸入環(huán)境室(6)中的振動器(19)，振動器(19)對樣 品(16)進行振動激勵，經(jīng)面內(nèi)探測器(5)檢測，并通過雪崩光敏二極管(7) 隔離噪聲信號后，然后通過混頻器(9)并經(jīng)40.1MHz振蕩器(8)，將檢出的 信號變頻經(jīng)鎖相環(huán)(10)、低通濾波器(11)和鎖位放大器(12)，再經(jīng)過計算 機(14)處理得到振動響應信號A;利用計算機(14)，通過有限元程序，根據(jù) 實際獲得振動響應信號A，設定復楊氏模量和復剪切模量初始值和邊界條件， 獲得模擬受激勵狀態(tài)下的樣品(16)振動激勵信號；將模擬振動激勵信號經(jīng)功 率放大器(13)放大后，'通過振動器(19)對樣品(16)迸行振動激勵，并獲 得此狀態(tài)下的模擬振動響應信號B。
4、 如權利要求3所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其 特征在于環(huán)境室(6)上設置有面外探測器(5)，夾層之間設置玻璃窗口 (15)， 其內(nèi)從上到下依次擺放樣品(16)、膠粘劑(18)、金屬片(17)、膠粘劑(18)、 振動器(19)、基座(20)、隔振墊(21)，反光鏡(22)設置在環(huán)境室(6) — 側(cè)并與樣品(16)對應。
5、 如權利要求3、 4所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置， 其特征在于振動器(19)也可由壓電陶瓷片制成。
6、 如權利要求4所述的同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的裝置，其 特征在于激光可以透過的玻璃窗口 (15)也可是有機玻璃構成。
全文摘要
一種同時提取材料復楊氏模量和復剪切模量的方法及裝置，振蕩器(1)、激光源(2)和布拉格格子(3)組成激光器，經(jīng)光纖耦合器(4)把一路光纖信號分配成多路光纖信號輸入環(huán)境室(6)中振動器(19)對樣品(16)進行振動激勵，經(jīng)面內(nèi)探測器(5)檢測，雪崩光敏二極管(7)隔離噪聲信號，混頻器(9)并經(jīng)振蕩器(8)將檢出的信號變頻經(jīng)鎖相環(huán)(10)、低通濾波器(11)和鎖位放大器(12)再經(jīng)過計算機(14)處理得到振動響應信號A；設定模量初始值和邊界條件，獲得模擬受激勵狀態(tài)下的樣品振動激勵信號經(jīng)功率放大器(13)放大后，通過振動器對樣品進行振動激勵獲得此狀態(tài)下的模擬振動響應信號B可得該參數(shù)條件下的模量值。
文檔編號G01N3/32GK101368896SQ20071005502
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月18日 優(yōu)先權日2007年8月18日
發(fā)明者張用兵, 兵 王 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所