专利名称：倒扭摆内耗仪的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种内耗仪的测量方法，尤其是一种倒扭摆内耗仪的测量方法。
背景技术：
内耗是指在一定的外部条件下，如温度、频率、振幅等，材料内部缺陷和原子运动所引起的机械振动能量的耗散。由于内耗对材料中缺陷的动力学行为，包括缺陷浓度和分布、缺陷扩散激活能、相变动力学过程等非常敏感，因此被广泛用于研究材料的阻尼机制、 缺陷扩散、固态相变、辐照损伤等领域。同传统微结构表征和力学性能测量方法获得材料微结构变化的静态信息相比，内耗可获得缺陷扩散过程的动态信息；并且，内耗方法为非破坏性试验方法，试样易于制备并可重复使用，通过对比分析同一试样的测量结果，可以直接、 真实的获取外界环境条件的变化，如温度、辐照、应力、时效等对材料性能的影响。基于以上缘由，为了适应内耗测量发展的需要，人们做了一些尝试和努力来研发自动化程度较高的内耗测量仪器，如在1985年《物理》期刊第8期第489 490页报道了朱震刚等发表的题为“自动倒扭摆内耗仪的研制简讯”的文章。该文公开的倒扭摆内耗仪的结构包括倒扭摆部件以及与该倒扭摆部件中的元件电连接的电控测量部件；其中，倒扭摆部件包括与真空机组连通的真空室中所置有的其上绕有缆绳的吊轮，缆绳的一端连接有重锤、另一端连接有竖摆杆，竖摆杆上置有永磁体、摆锤和平面镜，永磁体的两侧置有激发线圈，摆锤的两端位于激发线圈的上端或下端，平面镜的入射和反射光路上分别置有平行光源和光电位器，竖摆杆与底座之间固定着待测样品，待测样品外套有加热器和金属杜瓦瓶。 电控测量部件包括相互电连接的TRS-80微型计算机、AD/DA转换器、与光电位器连接的放大器、与激发线圈连接的功放器和DWK温控仪，其中的放大器的输入端与光电位器电连接， 功放器的输出端与激发线圈电连接，温控仪的输出端与加热器电连接。该倒扭摆内耗仪的测量方法为，先使用激发线圈驱动带有永磁体、摆锤和平面镜的竖摆杆发生扭转振动，从而带动同轴的待测样品也同时发生扭转振动，再于此基础上通过光电转换测量其相对振幅变化量，然后利用振幅法计算振动衰减曲线的振幅对数减缩量来确定内耗值。这种基于电控测量部件与倒扭摆部件相配合的自动倒扭摆内耗仪虽基本实现了应力和应变的自动化测量和内耗的自动化计算，却也存在着不足之处，首先，缺少强迫振动测量的方法，由于其内耗测量属于共振测量模式，待测样品的振动频率由系统的惯量决定，因此缺少强迫振动模式的内耗仪仅适用于单一频率模式下的内耗测量，而不能实现强迫振动模式下的连续变频测量；其次，在进行自由振动衰减模式测量内耗时，由于使用的是振幅法(即通过连续测量多个振幅K，并线性拟合振幅的自然对数InAn与振动次数η之
间的关系，获得的拟合直线的斜率即为S，然后利用公式込得到的内耗值)，其最高的
π
测量精度也只能达到10_5。造成相对较低测量精度的原因是振幅法自身的缺陷引起的，其缺陷主要为，一是自由振动衰减曲线的采样周期数对内耗测量的精度影响很大，在高阻尼即大内耗的情况下，由于振幅衰减很快，导致有效振动周期较少，在线性拟合InAn η时，难以精确地确定其振幅对数减缩量，从而导致内耗测量误差偏大，二是不能克服零点漂移对测量精度的影响，振动曲线不对称时将导致振幅难以精确地确定而影响测量精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有强迫振动模式和自由振动衰减模式下内耗测量精度高的倒扭摆内耗仪的测量方法。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为倒扭摆内耗仪的测量方法包括由与倒扭摆部件中的元件电连接的电控测量部件输入待测样品的参数、测量模式及其参数，以及据此进行的测量和计算，特别是，若测量选择强迫振动模式，则先将设定有振动频率和振幅的激发正弦信号σ = ο pincot送往激发线圈，以获得待测样品的应变扭转振动信号ε = ε ^in(ω t_Φ)，再计算出激发正弦信号与应变扭转振动信号之间的相角差Φ，以及对应的相角差tan Φ值，得到内耗值(Τ;若测量选择自由振动衰减模式，则对待测样品扭转至最大振幅后的自由衰减运动数据使用最小二乘法进行全谱拟合，得到其振幅对数减缩量δ和共振频率f，并由其计算
出内耗值β 。 π作为倒扭摆内耗仪的测量方法的进一步改进，所述的强迫振动模式时的相对模量 Ml为激发正弦信号的振幅与应变扭转振动信号的振幅比值；所述的强迫振动模式下的参数设定为强迫振动频率为IO-4Hz 100Hz，每次测量的频率数为1 10个，温度为-120 1000°C，振幅范围为10_2 10_6 ；所述的自由振动衰减模式时的相对模量M2为待测样品共振频率的平方；所述的自由振动衰减模式下的参数设定为温度为-120 1000°C，振幅为 1(Γ2 1(Γ6，共振频率为0. 1 IOHz。相对于现有技术的有益效果是，其一，测量方法扩展有了强迫振动模式，使其对内耗的测量更加全面；其二，经大量的对比试验，在自由振动衰减模式下，通过采用基于最小二乘法的全谱拟合内耗测量方法，有效地克服了传统振幅法中振动衰减曲线的周期数、零点漂移对测量精度的影响，将内耗测量精度提高到了 10_6量级，比现有的内耗测量精度提高了 1个数量级。作为有益效果的进一步体现，一是强迫振动模式时的相对模量Ml为激发正弦信号的振幅与应变扭转振动信号的振幅比值，更充实了强迫振动模式时内耗测量的内涵；二是强迫振动模式下的参数设定优选为强迫振动频率为10_4Ηζ 100Hz，每次测量的频率数为1 10个，温度为-120 1000°C，振幅范围为10_2 10_6，涵盖了强迫振动模式下待测材料可能处于的极限使用条件；三是自由振动衰减模式时的相对模量M2为待测样品共振频率的平方，充实了自由振动衰减模式时内耗测量的内涵；四是自由振动衰减模式下的参数设定优选为温度为-120 1000°C，振幅为10_2 10_6，共振频率为0. 1 10Hz，涵盖了自由振动衰减模式下待测材料可能处于的极限使用条件。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是使用本发明中的自由振动衰减模式进行自由振动衰减曲线的全谱拟合的结果图；图1右上角的插图为拟合曲线的局部放大图。图2是对待测样品多晶铜使用现有技术振幅法于室温下进行测量后得到的内耗-测量时间关系曲线图。图3是对图2所用的待测样品使用本发明中的自由振动衰减模式于室温下进行测量后得到的内耗-测量时间关系曲线图，由其可看出，使用本发明方法大大地提高了内耗测量的精度。
具体实施例方式测量时，先将待测样品固定于竖摆杆与底座之间，再由与倒扭摆部件中的元件电连接的电控测量部件输入待测样品的参数、测量模式及其参数，如输入待测样品的尺寸大小、测量的工作模式及其振动频率和振幅、工作温度范围、数据采样时间和采样频率、光电转换系数等参数。在强迫振动模式下，微型计算机根据输入的强迫振动频率(可于10_4Hz IOOHz 之间选择)、每次测量的频率数(可于1 10个之间选择)、温度(可于-120 1000°C之间选择)和振幅范围(可于10_2 10_6之间选择)产生激发正弦信号σ = OciSiriCOt,并经 D/A转换和功率放大后送至激发线圈，驱动附有永磁体的竖摆杆发生扭转，使待测样品按正弦波规律进行扭转振动；由待测样品产生的应变扭转振动信号ε = ^ciSin(Ot-Cj5)经光电转换、放大器放大和A/D转换后送往微型计算机；微型计算机由激发正弦信号和应变扭转振动信号计算出两者之间的相角差Φ，以及对应的相角差tan Φ值，得到内耗值Q—1。其中的激发正弦信号ο = ο pin t采用直接数字频率合成技术(DDFS)进行合成，具体方法如下先将正弦信号分成N个等间隔点，利用公式σ = σ ClSinot计算出每个间隔点的正弦函数值，以多位二进制形式将函数值存储起来，再于频率合成时，在系统时钟控制下将这些数值循环地读出并转化成模拟信号，输送至功率放大器。之后，微型计算机再由激发正弦信号的振幅与应变扭转振动信号的振幅之间的比值计算出强迫振动模式下的相对模量Ml。在自由振动衰减模式下，微型计算机根据输入的温度(可于-120 1000°C之间选择)、振幅(可于10_2 10_6之间选择)和共振频率(可于0. 1 IOHz之间选择)发出指令，经D/A转换和功率放大后送至激发线圈，使待测样品扭转至设定的最大振幅处；然后使待测样品作自由衰减运动，并通过光电转换、放大器放大和A/D转换后将自由衰减运动数据送往微型计算机；微型计算机对自由衰减运动数据使用最小二乘法进行全谱拟合，得到
如图1所示的振幅对数减缩量δ和共振频率f，并由其计算出内耗值
权利要求
1.一种倒扭摆内耗仪的测量方法，包括由与倒扭摆部件中的元件电连接的电控测量部件输入待测样品的参数、测量模式及其参数，以及据此进行的测量和计算，其特征在于若测量选择强迫振动模式，则先将设定有振动频率和振幅的激发正弦信号ο = ο ClSincot送往激发线圈，以获得待测样品的应变扭转振动信号ε = ε ^in(ω t_Φ)，再计算出激发正弦信号与应变扭转振动信号之间的相角差Φ，以及对应的相角差tan Φ值，得到内耗值(Τ;若测量选择自由振动衰减模式，则对待测样品扭转至最大振幅后的自由衰减运动数据使用最小二乘法进行全谱拟合，得到其振幅对数减缩量δ和共振频率f，并由其计算出内
2.根据权利要求1所述的倒扭摆内耗仪的测量方法，其特征是强迫振动模式时的相对模量Ml为激发正弦信号的振幅与应变扭转振动信号的振幅比值。
3.根据权利要求1所述的倒扭摆内耗仪的测量方法，其特征是强迫振动模式下的参数设定为强迫振动频率为IO-4Hz 100Hz，每次测量的频率数为1 10个，温度为-120 1000°C，振幅范围为10_2 10_6。
4.根据权利要求1所述的倒扭摆内耗仪的测量方法，其特征是自由振动衰减模式时的相对模量M2为待测样品共振频率的平方。
5.根据权利要求1所述的倒扭摆内耗仪的测量方法，其特征是自由振动衰减模式下的参数设定为温度为-120 1000°C，振幅为10_2 10_6，共振频率为0. 1 IOHz。
全文摘要
本发明公开了一种倒扭摆内耗仪的测量方法。它包括由与倒扭摆部件电连接的电控测量部件输入待测样品的参数、测量模式及其参数，以及据此进行的测量和计算，若测量为强迫振动模式，则先将设定有振动频率和振幅的激发正弦信号σ＝σ0sinωt送往激发线圈，以获得待测样品的应变扭转振动信号ε＝ε0sin(ωt-φ)，再计算出激发正弦信号与应变扭转振动信号之间的相角差φ，以及对应的相角差tanφ值，得到内耗值Q-1；若测量为自由振动衰减模式，则对待测样品扭转至最大振幅后的自由衰减运动数据使用最小二乘法进行全谱拟合，得到其振幅对数减缩量δ和共振频率f，并由其计算出内耗值它既有强迫振动模式，又有自由振动衰减模式下内耗测量精度高的特点，可用于对材料的内耗进行精确测量。
文档编号G01N29/04GK102478549SQ20101056289
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者庄重, 张涛, 方前锋, 杨俊峰, 王先平, 程帜军, 胡菁, 郭丽君 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院