详情

原文传递基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统

专利名称：	基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统
摘要：	提供一种基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统和测量方法。基准振动体和待测振动体安装于基座并相对于基座振动，待测振动体和基准振动体包括相同的振动骨架和相同的传感器，待测振动体还具有待测材料膜，振动骨架能够受激振力作用而被激发出至少两个振动模态，传感器测量至少两个振动模态下的基准振动体和待测振动体的变形，根据传感器的测量结果获得基准振动体和待测振动体的共振频率。结合三维结构的多方向和多模态的振动特性和传感器测量技术，根据三维结构在结合待测材料膜后的频率的变化来反推出待测材料的弹性模量和密度，对称地布置传感器以验证所激发的振动模态是否满足要求。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	冯雪;李海波;马寅佶
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-08T00:00:00+0800
申请号：	CN201910750601.7
公开号：	CN110308061A
代理机构：	北京林达刘知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	刘新宇;张会华
分类号：	G01N3/32(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	100084 北京市海淀区清华园1号
主权项：	1.一种基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括基座(1)、基准振动体(2)和待测振动体，所述基准振动体(2)和所述待测振动体安装于所述基座(1)并相对于所述基座(1)振动，所述基准振动体(2)和所述待测振动体包括相同的振动骨架(3)和相同的传感器(6)，所述传感器(6)安装于所述振动骨架(3)，所述振动骨架(3)能够受激振力作用而被激发出至少两个振动模态，所述传感器(6)测量所述至少两个振动模态下的所述基准振动体(2)和所述待测振动体的变形，所述振动骨架(3)具有第一对称轴(3a)，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均包括偶数个所述传感器(6)，所述偶数个传感器(6)关于所述第一对称轴(3a)对称，所述待测振动体还包括待测材料膜(4)，所述待测材料膜(4)与所述振动骨架(3)结合并能够跟随所述振动骨架(3)一同振动，所述基准振动体(2)和所述待测振动体具有所述第一对称轴(3a)，根据所述传感器(6)的测量结果获得所述基准振动体(2)在所述至少两个振动模态下的共振频率f0(I)和f0(II)，以及所述待测振动体在所述至少两个振动模态下的共振频率f(I)和f(II)，并分别将f0(I)和f(I)，以及f0(II)和f(II)带入以下两个线性公式，计算得出待测材料的弹性模量Ep和密度ρp：其中，hp为所述待测材料膜(4)的厚度，hBase为所述基准振动体(2)的厚度，EBase为所述基准振动体(2)的等效弹性模量，ρBase为所述基准振动体(2)的平均密度，CE和Cρ为与所述振动骨架(3)的形状、振动模态、组成材料相关的参数，采用有限元分析法计算得到CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。 2.根据权利要求1所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述振动骨架(3)包括振动区域(32)和固定区域(31)，所述固定区域(31)固定于所述基座(1)，所述振动区域(32)能够相对于所述基座(1)振动，所述传感器(6)测量所述振动区域(32)的靠近所述固定区域(31)的部分的变形。 3.根据权利要求1所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括磁体，所述基准振动体(2)和所述待测振动体包括相同的导线(5)，所述导线(5)安装于所述振动骨架(3)，所述导线(5)通有交变电流并与所述磁体配合而产生电磁激振力，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态。 4.根据权利要求3所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述导线(5)、所述传感器(6)的传感元件(61)和引线(62)均与所述振动骨架(3)一体形成，并且，所述传感元件(61)、所述引线(62)和所述导线(5)形成一个层。 5.根据权利要求3所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述振动骨架(3)和所述待测材料膜(4)具有第二对称轴(3b)，当所述振动骨架(3)处于稳定状态时，所述第二对称轴(3b)与所述第一对称轴(3a)垂直，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均包括至少两个所述导线(5)，所述至少两个导线(5)对称的位于所述第二对称轴(3b)的两侧，所述传感器(6)位于所述至少两个导线(5)之间从而所述基准振动体(2)和所述待测振动体具有所述第一对称轴(3a)和所述第二对称轴(3b)。 6.根据权利要求5所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，当激发一个所述振动模态时，所述磁体包括第一磁铁件(71)，所述第一磁铁件(71)位于所述至少两个导线(5)的排布方向的一侧，当激发另一个所述振动模态时，所述磁体包括第二磁铁件(72)，所述第二磁铁件(72)沿所述导线(5)的延伸方向位于所述导线(5)的端部的外侧。 7.根据权利要求6所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述第二磁铁件(72)包括两个第二磁铁，所述两个第二磁铁沿所述至少两个导线(5)的延伸方向分别位于所述至少两个导线(5)的端部的两侧。 8.根据权利要求1所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述传感器(6)为应变式传感器。 9.一种基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其采用根据权利要求1至8中任一项所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：采用激振力激发所述基准振动体(2)和所述待测振动体以分别具有所述至少两个振动模态，采用传感器(6)测量所述基准振动体(2)和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体在一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体的共振频率f0(I)和f(I)，采用传感器(6)测量所述基准振动体(2)和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体在另一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体的共振频率f0(II)和f(II)，测得所述待测材料膜(4)的厚度hp和所述基准振动体(2)的厚度hBase；计算所述基准振动体(2)的等效模量EBase和平均密度ρBase；联立以下两个方程得出待测材料的弹性模量Ep和密度ρp：其中，CE和Cρ为与所述振动骨架(3)的形状、振动模态、组成材料相关的参数，采用有限元分析法计算得到CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)为一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。 10.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述两个振动模态为第一阶至第五阶振动模态中的两者。 11.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述基准振动体(2)和所述待测振动体包括相同的导线(5)，所述导线(5)安装于所述振动骨架(3)，所述导线(5)通有交变电流并与磁体配合产生电磁激振力，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态，所述导线(5)、所述传感器(6)通过柔性电子技术与所述振动骨架(3)形成为一体。 12.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述振动骨架(3)通过将二维结构固定于具有预拉伸应变量的组装平台，然后释放组装平台使所述二维结构屈曲变形而成，在所述振动骨架(3)屈曲变形的过程中，所述二维结构沿主方向(Z)脱离所述组装平台；在激发一个所述振动模态时，所述基准振动体(2)和所述待测振动体被激发出在所述主方向(Z)的两侧摆动的振动模态；在激发另一个所述振动模态时，所述基准振动体(2)和所述待测振动体被激发出在所述主方向(Z)上往复振动的振动模态。
所属类别：	发明专利