一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置
专利汇可以提供一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种高低温环境下材料 弹性模量 与内耗的测量方法及装置。本发明采用 压电换能器 、熔融 石英 隔热 棒、阻抗分析仪、 热电偶 、高温炉以及低温箱；设计熔融石英隔热棒的长度，使得熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应 力 为零，通过在不同 温度 下的导纳曲线得到m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的 频率 ，进而得到弹性模量及其对应的内耗；本发明能够精确测量不同温度下的材料的弹性模量与内耗；本发明装置极其简单，易于制作，测量速度快捷并且测量成本低；本发明具有很强的实用价值，有望进一步推动材料参数测量技术的发展。，下面是一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置专利的具体信息内容。
1.一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；其中，压电换能器为纵向振动型压电换能器或扭转振动型压电换能器；被测试件为圆柱形，熔融石英隔热棒以及压电换能器为直径与被测试件的直径相同的圆柱形；熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接压电换能器；压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；被测试件放置在高温炉或低温箱中；在被测试件旁设置热电偶；
高温炉或低温箱使得被测试件处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒阻碍被测试件与压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；
测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗 时，熔融石英隔热棒粘接纵向振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；纵向振动型压电换能器感应测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；
热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗 时，熔融石英隔热棒粘接扭转振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；扭转振动型压电换能器感应测试组件的扭转振动信号，并转化为其内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗 n和m分别为自然数。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述纵向振动型压电换能器为延厚度方向极化的压电圆环，外径为D，内径为d，厚度为h，两个面积为π(D2-d2)/4的上下底面为电极面。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述扭转振动型压电换能器包括两个尺寸完全相同的半圆环，外径为D，内径为d，厚度为h；两个半圆环均沿厚度方向极化；两个半圆环的面积为(D-d)h/2的侧面为电极面，两个半圆环的电极面相对，并且极化方向相反，固定粘接在一起组成圆环。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述纵向振动型压电换能器和扭转振动型压电换能器的材料采用压电材料。
5.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述扭转振动型压电换能器中的两个半圆环的电极面采用导电胶粘接在一起。
6.一种如权利要求1所述的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗 以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
一、测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
1)测量得到被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接纵向振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与纵向振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；纵向振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)纵向振动型压电换能器接收测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
二、测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
1)测量得到被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接扭转振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与扭转振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；扭转振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)扭转振动型压电换能器接收测试组件的扭转振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在步骤1)中，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动或扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，包括以下步骤：
a)在常温下，将被测试件直接粘接纵向振动型压电换能器或者扭转型压电换能器；
b)通过阻抗分析仪进行测量，得到常温下被测试件的纵向振动或扭转振动时的导纳曲线，从纵向振动或扭转振动时的导纳曲线中得到一阶纵向振动或扭转振动的谐振峰与反谐振峰对应的频率，即n＝1，从而求得常温下被测试件的杨氏模量EM0与剪切模量GM0：
其中，ES、GS和ρS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量、剪切模量和密度；D、d和h分别为压电换能器的外径、内径和厚度；ρM为被测试件的密度，lM为被测试件的长度；
c)常温下，测试件的n阶纵向振动共振频率 和扭转振动共振频率 分别为：
d)被测试件处于n阶纵向共振或者扭转振动，使得在常温下的熔融石英隔热棒m阶纵向振动或扭转振动共振频率与被测试件的n阶纵向共振或者扭转振动共振频率一样：
通过上式分别确定测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗 时以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗 时的熔融石英隔热棒的长度lS。
8.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在步骤6)中，根据以下公式计算杨氏模量EM、剪切模量GM、纵向振动对应的内耗 和扭转振动对应的内耗
其中， 和 分别为纵向振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，而 与 为扭转振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，ρM是被测试件的密度，ρP是压电换能器的密度,ρS是熔融石英隔热棒的密度，lM是被测试件的长度,lS是被熔融石英隔热棒的长度，ES和GS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量与剪切模量。
一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
72Gpa，剪切模量GS＝31Gpa，密度ρS＝2193kg/m 。用于测量杨氏模量与纵向振动对应的内耗的Fe64Ni36合金的长度为60mm；用于测量剪切模量与扭转振动对应的内耗的Fe64Ni36合金的长度为57mm。阻抗分析仪施加的电压幅值为5V。设定n＝m＝1。图4画出了多个不同温度下扭转振动的导纳曲线。将导纳曲线的谐振与反谐振频率带入弹性模量与内耗的计算公式后可以得到Fe64Ni36合金的弹性模量与内耗随温度变的曲线如图5和图6所示。
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