[发明专利]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。

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f_0(I)和f_0(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f_0(I)和f_(I)，以及f_0(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E_p和密度ρ_p：其中，h_p为所述待测材料膜(4)的厚度，h_Base为所述基准振动体(2)的厚度，E_Base为所述基准振动体(2)的等效弹性模量，ρ_Base为所述基准振动体(2)的平均密度，C_E和C_ρ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C_E和C_ρ，C_E(I)和C_ρ(I)一个所述振动模态下的参数，C_E(II)和C_ρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。