專利名稱：一種材料彈性性能測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測量材料彈性的設(shè)備，具體的說是一種利用脈沖激振設(shè)計(jì) 的智能化的材料彈性性能測試儀。
背景技術(shù)：
各種固體材料和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的彈性性能對于結(jié)構(gòu)和部件的設(shè)計(jì)以及高溫
變形預(yù)測和失效預(yù)測至關(guān)重要。這一類材料的基本彈性性能在常溫下的測試可 以采用動態(tài)性能測試的原理，通過樣品的基本固有頻率以及振幅衰減等途徑獲 得材料的彈性性能和內(nèi)耗參數(shù)。
通過脈沖激振和頻率響應(yīng)測試固體材料樣品的基本固有頻率，利用頻率和 材料的彈性模量，泊松比等參數(shù)之間的關(guān)系，算出彈性模量，這種原理在國際 上已經(jīng)廣泛應(yīng)用；國內(nèi)有用共振原理或采用示波器等方法，測到樣品的固有頻 率，然后用手算得到彈性模量，但實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差，且現(xiàn)有方法獲得扭振頻率 較困難，所以往往只能得到彈性模量，得不到剪切模量和泊松比。在己有測試 中，激勵(lì)一般是采用手動敲擊的方法，容易引起誤差，在很多情況下只能測到 彎曲頻率，測不到扭轉(zhuǎn)振動頻率，因此無法得到剪切模量和泊松比，使得彈性 性能測試不完整。不利于推廣使用。

實(shí)用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供能自動計(jì)算得到 材料的三項(xiàng)彈性性能的一種材料彈性性能測試儀，適用于測量各種結(jié)構(gòu)材料在 常溫及高溫環(huán)境下的彈性性能。
為達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是
一種材料彈性性能測試儀，包括一激勵(lì)器， 一傳感器，用于擱置試件的支 架以及一主機(jī)，其中，激勵(lì)器的激勵(lì)觸點(diǎn)與傳感器的信號采集點(diǎn)分置于試件的 兩對角位置，激勵(lì)器和傳感器與具有控制和計(jì)算功能的主機(jī)電連接，主機(jī)控制 端連接激勵(lì)器，傳感器信號輸出端與主機(jī)信號輸入端連接。
其中，主機(jī)具有殼體以及內(nèi)置的檢測電路，其中殼體上設(shè)置有傳感器接口、 激勵(lì)器接口及激發(fā)指示燈、電源輸入接口、電源開關(guān)及電源指示燈以及USB通訊接口，這些元件分別通過線路與設(shè)于主機(jī)殼體內(nèi)部的檢測電路相對應(yīng)的接口 連接。
主機(jī)內(nèi)部檢測電路包括有一前置放大器、一A/D轉(zhuǎn)換器、一FPGA信號處理 芯片、 一同步動態(tài)RAM、 一80c51主控芯片、一USB總線轉(zhuǎn)接芯片、電源管理芯 片和激勵(lì)觸發(fā)芯片；所述傳感器的輸出端通過傳感器接口與前置放大器的輸入 端相接，前置放大器的輸出端連接所述增益調(diào)節(jié)器的輸入端，增益調(diào)節(jié)器的輸 出端連接所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸出端連接所述FPGA信號處理 芯片的輸入端，F(xiàn)PGA信號處理芯片的輸出端連接所述同步動態(tài)RAM的輸入端， 同步動態(tài)RAM的輸出端與所述8051主控芯片的接口插接，所述USB總線轉(zhuǎn)接芯 片、電源管理芯片和激勵(lì)觸發(fā)芯片，分別與所述主控芯片相接。
殼體設(shè)置的激發(fā)指示燈、電源指示燈分別與8051主控芯片對應(yīng)接口連接； USB通訊接口與所述USB總線轉(zhuǎn)換芯片對應(yīng)接口連接，電源輸入接口與所述電源 管理芯片的對應(yīng)接口連接。
8051主控芯片另一輸出端口連接激發(fā)用繼電器，激發(fā)用繼電器連接激發(fā)器 接口，激勵(lì)器通過線路連接到激發(fā)器接口上。
80C51主控芯片內(nèi)置一計(jì)算分析模塊，計(jì)算分析模塊輸出端與USB總線轉(zhuǎn)接 芯片連接。
所述材料彈性性能測試儀中，傳感器選用CD 14423高精度傳聲器，前置放 大器選用M14602芯片，A/D轉(zhuǎn)換器選用BB ADS831E芯片，F(xiàn)PGA信號處理芯片 選用EP1C3T144C8芯片，80C51主控芯片選用AT89s52，同步動態(tài)RAM選用 IS61LV25616AL芯片，USB通訊芯片選用WCH CH341A芯片，電源管理芯片選用 AS1084-3V3芯片。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了材料動態(tài)性能測試儀器、信號分析儀器 和計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)合與有機(jī)匹配，具有簡單、實(shí)用、智能及高可靠性的特點(diǎn)，
能自動計(jì)算得到材料的三項(xiàng)彈性性能，適用于測量各種結(jié)構(gòu)材料在常溫及高溫 環(huán)境下的彈性性能。


圖1為本實(shí)用新型材料彈性性能測試儀整體結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖； 圖2為本實(shí)用新型中主機(jī)外表各接口設(shè)計(jì)示意圖； 圖3為本實(shí)用新型主機(jī)內(nèi)部檢測電路構(gòu)成及工作原理圖； 圖4為本實(shí)用新型使用中被測材料和激勵(lì)信號觸發(fā)點(diǎn)、感應(yīng)信號釆集點(diǎn)的 位置關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型一種材料彈性性能測試儀，整體裝配如圖l所示，其包括一激
勵(lì)器l， 一傳感器2，用于擱置被測材料(試件)4的支架3，以及一主機(jī)5 (附 有計(jì)算分析單元6)。這里激勵(lì)器1的激勵(lì)觸點(diǎn)與被測材料4接觸，用于對被 測材料4發(fā)出激勵(lì)信號；傳感器2用于采集被測材料4在激勵(lì)后的信號，信號
采集點(diǎn)位于被測材料4的上方；激勵(lì)器1和傳感器2均與主機(jī)信號相連；
主機(jī)5為本實(shí)用新型的控制機(jī)，其具有殼體11以及內(nèi)置的檢測電路。外殼 配制參見圖2所示，在殼體11上設(shè)置有傳感器接口 12、激勵(lì)器接口13及激發(fā) 指示燈14、電源輸入接口 15、電源開關(guān)16及電源指示燈17以及USB通訊接口 18，這些元件分別通過線路與設(shè)于主機(jī)殼體11內(nèi)部的檢測電路相對應(yīng)的接口連 接。
主機(jī)5內(nèi)部構(gòu)成參見圖3所示，檢測電路包括有一前置放大器、一A/D轉(zhuǎn) 換器、一FPGA信號處理芯片、 一同步動態(tài)RAM、 一80c51主控芯片、一 USB總 線轉(zhuǎn)接芯片、電源管理芯片和激勵(lì)觸發(fā)芯片；所述傳感器2的輸出端通過傳感 器接口 12與前置放大器的輸入端相接，前置放大器的輸出端連接所述增益調(diào)節(jié) 器的輸入端，增益調(diào)節(jié)器的輸出端連接所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸 出端連接所述FPGA信號處理芯片的輸入端，F(xiàn)PGA信號處理芯片的輸出端連接所 述同步動態(tài)RAM的輸入端，同步動態(tài)RAM的輸出端與所述8051主控芯片的接口 插接，所述USB總線轉(zhuǎn)接芯片、電源管理芯片和激勵(lì)觸發(fā)芯片，分別與所述主 控芯片相接。
上述的殼體設(shè)置的激發(fā)指示燈14、電源指示燈17分別與8051主控芯片對 應(yīng)接口連接；USB通訊接口 18與所述USB總線轉(zhuǎn)換芯片對應(yīng)接口連接，電源輸 入接口 15與所述電源管理芯片的對應(yīng)接口連接；8051主控芯片控制激發(fā)用繼 電器并通過激發(fā)器接口 13連接控制激勵(lì)器1產(chǎn)生激勵(lì)信號。
在本實(shí)施例中，傳感器選用CD 14423高精度傳聲器，前置放大器選用M14602 芯片，A/D轉(zhuǎn)換器選用BB ADS831E芯片，F(xiàn)PGA信號處理芯片選用EP1C3T144C8 芯片，80C51主控芯片選用AT89s52，同步動態(tài)RAM選用IS61LV25616AL芯片， USB通訊芯片選用WCHCH341A芯片，電源管理芯片選用AS1084-3V3芯片，上述 配件均為市場銷售產(chǎn)品，也可以選用市售的同等功能的其它型號產(chǎn)品代替。
除以上控制功能外，本實(shí)用新型中，80C51主控芯片還通過其內(nèi)置的計(jì)算分 析模塊(即圖1中計(jì)算分析單元)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，并最終將計(jì)算結(jié)果 通過USB通訊接口顯示在外接的顯示器上。在得到基本頻率的情況下，80C51主控芯片的計(jì)算分析模塊可以采用下面算 法計(jì)算得到彈性性能。
一、 計(jì)算矩形截面梁試樣彎曲振動的動態(tài)彈性模量
公式為
￡ = 0.9465+(—)3[1 + 6.585(丁)2] ^
6^ ^ 式一
其中
E為動態(tài)彈性模量，單位Pa; m為試樣的質(zhì)量，單位Kg; /,為試樣的基礎(chǔ)彎曲響應(yīng)頻率，單位Hz; b為試樣的寬度，單位m; L為試樣的長度，單位ra; t為試樣的厚度，單位m。
式一中的所有參數(shù)變量均與被測材料本身有關(guān)，其中力由本儀器通過傳 感器獲取彎曲振動周期數(shù)值后計(jì)算得到，彎曲頻率公式 ff =1/7>= /2冗，7>為彎曲振動周期。
其它參數(shù)數(shù)值在使用本實(shí)用新型進(jìn)行彈性性能測試前用其它常規(guī)方法(如 尺寸測量)獲得，并在檢測前輸入主控芯片的計(jì)算分析模塊。
二、 計(jì)算矩形棱柱的動態(tài)剪切模量
公式為<formula>formula see original document page 6</formula>
其中
G為動態(tài)剪切模量，單位Pa;
/t為試樣的基礎(chǔ)扭曲共振頻率，單位HZ;
B為試樣的形狀參數(shù)，5 = [(6/0 + (〃W]/[4(//6)-2-52("Z02+0-2Kz/W6] A為經(jīng)驗(yàn)修正參數(shù)，可以由公知的算法得出
^ =/[12.03(6/r) + 9.892(6/,)2] 8 4 其它代號含義與式一相同。
式二中的所有參數(shù)變量均與被測材料本身有關(guān)，其中(這里基礎(chǔ)扭曲共振頻率/t由本儀器通過傳感器獲取扭轉(zhuǎn)振動周期數(shù)值后計(jì)算得到，扭轉(zhuǎn)頻率公式 ft=l/r(= /2;r ， 7;為扭轉(zhuǎn)振動周期。
其它參數(shù)數(shù)值在使用本實(shí)用新型進(jìn)行彈性性能測試前用其它常規(guī)方法(如 尺寸測量)獲得，并在檢測前輸入主控芯片的計(jì)算分析模塊。
三、計(jì)算動態(tài)泊松比
公式為
其中V為泊松比。E為式一計(jì)算得到的動態(tài)彈性模量，G為式二計(jì)算得 到的動態(tài)剪切模量。
本實(shí)用新型依據(jù)以上設(shè)計(jì)，其具體實(shí)施中，主機(jī)5控制激勵(lì)器2對被測試 樣4進(jìn)行激勵(lì)后，傳感器2將接收到的信號經(jīng)前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA 信號處理芯片和同步動態(tài)RAM送入80C51主控芯片，經(jīng)80C51主控芯片內(nèi)置的 計(jì)算模塊處理后，得到被測試樣相應(yīng)的頻率值，通過USB通訊芯片將結(jié)果傳送 到與之相連的PC機(jī)上進(jìn)行顯示。該測試過程智能化，無需手工操作與計(jì)算，其 測試結(jié)果直觀，較傳統(tǒng)技術(shù)所測得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，為進(jìn)一步改善試樣性能提 供了較準(zhǔn)確的參考依據(jù)。同時(shí)，該檢測儀操作簡單、易于維修且便于攜帶，使 用安全方便，特別適用于企業(yè)、建筑工程質(zhì)量檢測站、產(chǎn)品質(zhì)量檢測站、科研
院校等材料生產(chǎn)檢測以及開發(fā)研究領(lǐng)域。
以下結(jié)合圖4對試樣進(jìn)行彈性性能測試的具體過程做更為詳細(xì)的說明。 (1)試樣尺寸和質(zhì)量的測量 稱量試樣的質(zhì)量要求干燥試樣直至質(zhì)量天平顯示穩(wěn)定，精確到lmg且誤 差小于0.1%。在試樣的三個(gè)點(diǎn)分別測量其厚度和寬度，精確到0.02mm且誤差 小于O. 1%，取平均值。測量試樣的長度，精確到O. 05mm且誤差小于0. 1%。 (2)試樣的定位
符合要求放置試樣。參見圖4所示，將樣品4平放在支撐框架3上，兩根 支撐架3的相對距離為約0.552L (L為被測試樣長度)，且試樣兩端伸出的長 度相等。為了同時(shí)測得彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率，激勵(lì)點(diǎn)和信號接收點(diǎn)可分別對應(yīng)在試 樣的兩個(gè)對角上，即確定好脈沖激勵(lì)器1的接觸點(diǎn)和傳感器2的信號采集點(diǎn)互 為對角的位置，激勵(lì)器1與試樣4接觸應(yīng)能保證試樣自由的振動，傳感器2置 于試樣上方10 20毫米，以便獲得預(yù)期的振動信號。(3) 基本頻率的測量
啟動儀器的操作系統(tǒng)，通過PC機(jī)向主機(jī)輸入樣品的尺寸和質(zhì)量，設(shè)置好儀 器的基本參數(shù)，通過激勵(lì)器對被測試樣進(jìn)行激勵(lì)后，傳感器接收到的信號經(jīng)前
置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA信號處理芯片和同步動態(tài)RAM送入80C51主控芯 片，經(jīng)80C51主控芯片內(nèi)置的計(jì)算模塊處理后，先獲得被測試樣相應(yīng)的頻率值， 該頻率值可通過USB通訊芯片將結(jié)果傳送到與之相連的PC機(jī)上進(jìn)行顯示。
(4) 彈性性能的計(jì)算與輸出-
基本頻率值獲得后，計(jì)算模塊再通過彈性性能公式(式一 式三)計(jì)算并 得到被測試樣的彈性模量等性能，通過USB通訊芯片將結(jié)果傳送到與之相連的 PC機(jī)上進(jìn)行顯示。
綜合而言，本實(shí)用新型為一種采用動態(tài)方法測試固體材料振動頻率及彈性 性能的測試儀器。儀器結(jié)構(gòu)精巧，測量準(zhǔn)確，操作簡單，只要用激勵(lì)器輕敲(激 勵(lì))試樣，通過采集信息和計(jì)算分析即可以準(zhǔn)確得出試樣的振動頻率與彈性常 數(shù)。該儀器實(shí)現(xiàn)了材料動態(tài)性能測試、可用于各種工程材料特別是高溫結(jié)構(gòu)材 料和耐火材料的常規(guī)彈性性能的測試，并可以結(jié)合高溫爐等輔助設(shè)備測試材料 的高溫彈性性能。可廣泛應(yīng)用于材料性能檢測領(lǐng)域。
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權(quán)利要求1.一種材料彈性性能測試儀，其特征在于，包括一激勵(lì)器，一傳感器，用于擱置試件的支架以及一主機(jī)，其中，激勵(lì)器的激勵(lì)觸點(diǎn)與傳感器的信號采集點(diǎn)分置于試件的兩對角位置，激勵(lì)器和傳感器與具有控制和計(jì)算功能的主機(jī)電連接，主機(jī)控制端連接激勵(lì)器，傳感器信號輸出端與主機(jī)信號輸入端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，主機(jī)具有殼體 以及內(nèi)置的檢測電路，其中殼體上設(shè)置有傳感器接口、激勵(lì)器接口及激發(fā)指示 燈、電源輸入接口、電源開關(guān)及電源指示燈以及USB通訊接口，這些元件分別 通過線路與設(shè)于主機(jī)殼體內(nèi)部的檢測電路相對應(yīng)的接口連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，主機(jī)內(nèi)部檢測 電路包括有一前置放大器、一A/D轉(zhuǎn)換器、一FPGA信號處理芯片、 一同步動態(tài) RAM、 一80c51主控芯片、一USB總線轉(zhuǎn)接芯片、電源管理芯片和激勵(lì)觸發(fā)芯片； 所述傳感器的輸出端通過傳感器接口與前置放大器的輸入端相接，前置放大器 的輸出端連接所述增益調(diào)節(jié)器的輸入端，增益調(diào)節(jié)器的輸出端連接所述A/D轉(zhuǎn) 換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸出端連接所述FPGA信號處理芯片的輸入端，F(xiàn)PGA 信號處理芯片的輸出端連接所述同步動態(tài)RAM的輸入端，同步動態(tài)RAM的輸出 端與所述8051主控芯片的接口插接，所述USB總線轉(zhuǎn)接芯片、電源管理芯片和 激勵(lì)觸發(fā)芯片，分別與所述主控芯片相接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，殼體設(shè)置的激 發(fā)指示燈、電源指示燈分別與8051主控芯片對應(yīng)接口連接；USB通訊接口與所 述USB總線轉(zhuǎn)換芯片對應(yīng)接口連接，電源輸入接口與所述電源管理芯片的對應(yīng) 接口連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，8051主控芯片 另一輸出端口連接激發(fā)用繼電器，激發(fā)用繼電器連接激發(fā)器接口，激勵(lì)器通過 線路連接到激發(fā)器接口上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，80C51主控芯 片內(nèi)置一計(jì)算分析模塊，計(jì)算分析模塊輸出端與USB總線轉(zhuǎn)接芯片連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l至6任一所述材料彈性性能測試儀，其特征在于，傳感 器選用CD 14423高精度傳聲器，前置放大器選用M14602芯片，A/D轉(zhuǎn)換器選用 BB ADS831E芯片，F(xiàn)PGA信號處理芯片選用EP1C3T144C8芯片，80C51主控芯片 選用AT89s52，同步動態(tài)RAM選用IS61LV25616AL芯片，USB通訊芯片選用WCH CH341A芯片，電源管理芯片選用AS1084-3V3芯片。
專利摘要一種材料彈性性能測試儀，涉及用脈沖激振智能化測量材料彈性性能的設(shè)備。包括一激勵(lì)器，一傳感器，用于擱置試件的支架以及一主機(jī)，其中，激勵(lì)器的激勵(lì)觸點(diǎn)與傳感器的信號采集點(diǎn)分置于試件的兩對角位置，激勵(lì)器和傳感器與具有控制和計(jì)算功能的主機(jī)電連接，主機(jī)控制端連接激勵(lì)器，傳感器信號輸出端與主機(jī)信號輸入端連接。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了材料動態(tài)性能測試儀器、信號分析儀器和計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)合與有機(jī)匹配，具有簡單，實(shí)用，智能及高可靠性的特點(diǎn)，自動計(jì)算得到材料的三項(xiàng)彈性性能，適用于測量各種結(jié)構(gòu)材料在常溫及高溫環(huán)境下的彈性性能。
文檔編號G01N3/32GK201340367SQ20092010507
公開日2009年11月4日 申請日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者劉小根, 包亦望, 立 孫, 巖 邱 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究總院