[发明专利]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

权利要求书

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，熔融石英隔热棒为直径与被测试件的直径相同的圆柱形，压电换能器为外径与被测试件的直径相同的圆环形；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E_M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E_M和纵向振动对应的内耗

测量剪切模量G_M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G_M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沿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。