[發明專利]基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量方法和系統

有效

• 申請號: 201910750601.7
• 申請日: 2019-08-14
• 公開（公告）號: CN110308061B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 馮雪;李海波;馬寅佶
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N9/00;G01N3/02
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;張會華

1.一種基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括基座(1)、基準振動體(2)和待測振動體，所述基準振動體(2)和所述待測振動體安裝于所述基座(1)并相對于所述基座(1)振動，

所述基準振動體(2)和所述待測振動體包括相同的振動骨架(3)和相同的傳感器(6)，所述傳感器(6)安裝于所述振動骨架(3)，所述振動骨架(3)能夠受激振力作用而被激發出至少兩個振動模態，所述傳感器(6)測量所述至少兩個振動模態下的所述基準振動體(2)和所述待測振動體的變形，

所述振動骨架(3)具有第一對稱軸(3a)，所述基準振動體(2)和所述待測振動體均包括偶數個所述傳感器(6)，偶數個所述傳感器(6)關于所述第一對稱軸(3a)對稱，所述待測振動體還包括待測材料膜(4)，所述待測材料膜(4)與所述振動骨架(3)結合并能夠跟隨所述振動骨架(3)一同振動，所述基準振動體(2)和所述待測振動體具有所述第一對稱軸(3a)，

根據所述傳感器(6)的測量結果獲得所述基準振動體(2)在所述至少兩個振動模態下的共振頻率f_0(I)和f_0(II)，以及所述待測振動體在所述至少兩個振動模態下的共振頻率f_(I)和f_(II)，并分別將f_0(I)和f_(I)，以及f_0(II)和f_(II)帶入以下兩個線性公式，計算得出待測材料的彈性模量E_p和密度ρ_p：

其中，h_p為所述待測材料膜(4)的厚度，h_Base為所述基準振動體(2)的厚度，E_Base為所述基準振動體(2)的等效彈性模量，ρ_Base為所述基準振動體(2)的平均密度，C_E和C_ρ為與所述振動骨架(3)的形狀、振動模態、組成材料相關的參數，采用有限元分析法計算得到C_E和C_ρ，C_E(I)和C_ρ(I)一個所述振動模態下的參數，C_E(II)和C_ρ(II)為另一個所述振動模態下的參數。

2.根據權利要求1所述的基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，其特征在于，所述振動骨架(3)包括振動區域(32)和固定區域(31)，所述固定區域(31)固定于所述基座(1)，所述振動區域(32)能夠相對于所述基座(1)振動，所述傳感器(6)測量所述振動區域(32)的靠近所述固定區域(31)的部分的變形。

3.根據權利要求1所述的基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括磁體，所述基準振動體(2)和所述待測振動體包括相同的導線(5)，所述導線(5)安裝于所述振動骨架(3)，所述導線(5)通有交變電流并與所述磁體配合而產生電磁激振力，所述基準振動體(2)和所述待測振動體均受所述電磁激振力的作用而被激發出所述至少兩個振動模態。

4.根據權利要求3所述的基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，其特征在于，所述導線(5)、所述傳感器(6)的傳感元件(61)和引線(62)均與所述振動骨架(3)一體形成，并且，所述傳感元件(61)、所述引線(62)和所述導線(5)形成一個層。

5.根據權利要求3所述的基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，其特征在于，所述振動骨架(3)和所述待測材料膜(4)具有第二對稱軸(3b)，當所述振動骨架(3)處于穩定狀態時，所述第二對稱軸(3b)與所述第一對稱軸(3a)垂直，所述基準振動體(2)和所述待測振動體均包括至少兩個所述導線(5)，至少兩個所述導線(5)對稱的位于所述第二對稱軸(3b)的兩側，所述傳感器(6)位于至少兩個所述導線(5)之間從而所述基準振動體(2)和所述待測振動體具有所述第一對稱軸(3a)和所述第二對稱軸(3b)。