用于冲击测量的改进的支承的制作方法

本发明涉及一种使用冲击激发技术对固体测试件执行测量的非破坏性方法和系统。本发明尤其适用于在不同温度下对测试件执行测试。这些测量可用于检测固体中的缺陷和异常，以及表征e模量、g模量、泊松常数和阻尼参数。

背景技术：

1、固体测试可以以多种方式进行。第一测试通常包括目测，以确定固体是否具有正确的尺寸和形状，并检查表面缺陷。然而，在许多情况下，固体的特性主要取决于不可见的内部结构。例如，金属和合金的强度主要取决于某些类型和数量的块体缺陷。这些缺陷有大有小，可能是由于自然原因、生产方式、磨损、事故等造成的。

2、无论缺陷是如何产生的，在一些情况下，了解固体的缺陷状态是重要的。为了对固体进行缺陷分析，可以在固体测试件上使用侵入式方法或非侵入式方法。非侵入式方法可以在不破坏或改变测试件的情况下进行分析。因此，非侵入式方法通常用于日后仍需使用的测试件，或需要经历进一步测试(进一步测试可以是侵入式或非侵入式的)的测试件。

3、一种类型的用于固体的非侵入式测试方法使用振动来分析测试件。在此，测试件会受到受控振动的影响，该受控振动可以经过固体传播，由此传递、反射或吸收。受控振动可以通过冲击激发技术(iet)来引起，从而测试件定位成使得其在受冲击时基本上不受阻碍地振动。在脉冲激发技术中，通过用专用工具或抛射体冲击测试件，分析振动信号测量传感器，比如压电传感器、麦克风、激光测振仪或加速度计接收到的振动，来确定测试件的材料特性。经过固体的振动也被称为声音或声波，并且测量也被称为声学测量。因此，在本技术中，振动信号测量传感器也称为“声学传感器”。

4、国际申请wo 2019/020825 a1中已经描述了一种使用声音测试固体的设备。该文件公开了一种用于分析固体材料样品的机械振动响应的设备，该设备包括：成阵列的冲击器，布置成对所述固体材料样品表面上各自定义明确的点施加冲击；传感器，构造为在所述至少一个冲击器施加冲击后捕获所述机械振动响应，作为时变信号；以及处理装置，构造为分析所述时变信号，以确定构成所述时变信号的正弦波的频率和衰减常数。本发明还涉及一种表征固体材料样品的对应方法。

5、分析固体测试件对于振动激发的响应通常涉及提取以下参数中的一个或多个、并且优选地全部：

6、杨氏模量(e)，其指示测试件的拉伸弹性；

7、剪切模量(g)，其指示测试件对于剪切应力的响应；

8、泊松比(ν)，其指示测试件在施加的单轴应力的正交方向上的变形；

9、由内部摩擦引起的信号的阻尼或衰减。

10、这些特性通常取决于振动激发的频率或频率范围。在此，测试件可能具有多个共振频率，这取决于测试件的不同振动模式。重要的模式是弯曲模式和扭转模式。在这些共振频率下的参数值是描述测试件状态的重要数字。

11、在许多应用中，固体部件，例如在机械中的固体部件在不同的温度下使用。在此，工作温度可能会快速波动和/或在较大的温度范围内波动。例如，汽车中的制动碟在操作期间会显著且迅速地升温(在几秒钟内从基本环境温度到高于500℃)。另一个示例是喷气式飞机的煤油喷嘴，其在操作期间可升温至高于1500℃。高的温度范围可能会严重影响部件的材料特性，尤其是诸如上文所述的杨氏模量、剪切模量和泊松比等弹性特性。例如，一般来说，由于内部键的平均地减弱，固体在较高温度下会变得更加柔性，这基本意味着随着温度的升高，e和g会逐渐减小。

12、在不同温度下，固体部件可能具有不同的材料特性。这可能影响部件的功能。重要的是要找出在哪个温度下或在哪个温度范围内，部件的正常功能或旨意功能会受阻碍。这可能是由于材料的块体特性、改变温度可能导致的缺陷、在较高温度下可能变得更加重要的缺陷、部件的不同部分膨胀的可变性等。部件材料特性与温度有关的具体示例有：

13、弹性特性的总体变化，其会使部件的刚性降低，从而妨碍其正常工作，例如，制动碟在高温下可能会变得太有弹性而无法正常制动，

14、在某温度下或某温度范围内发生相变，严重改变部件的材料特性，化学反应同样会改变部件的材料特性，

15、由于生产方法不当等原因，材料中可能会出现不同化学成分相的沉淀、例如合金中的沉淀，从而导致具有不同温度膨胀性的材料之间出现内部材料边界。这显然会导致严重的问题，

16、在层压板或其他分层部件中，当温度升高时，一层与下一层的粘合力会降低。

17、为了测试固体部件在旨意操作的不同温度下和/或在整个温度范围内的正常功能，需要在不同温度下测量测试件的材料特性。在此，测试件可以是整个部件、部件的一部分，或者部件的相同材料件。测试优选在至少允许控制温度的受控环境中进行。然后在不同温度下测量材料特性。

18、发明人已经发现，要在很宽的温度范围(从低于-50℃跨越到高于2000℃)内测量测试件的材料特性，实践上是非常困难的。为这样的温度范围创造温控环境通常需要烘箱，而烘箱可能包括许多会产生振动的部件。显然，烘箱产生的背景振动会干扰测量过程。这些背景振动在较高温度下通常会加剧。此外，由于某些材料特性(例如e和g)会随着温度的升高而降低，因此信号也会降低。这两种效应都会导致在高温下的较低的信噪比(stn)。

19、国际申请wo 2020/254698 a1公开了一种在高温下对测试件的材料特性进行声学测量的方法，包括以下步骤：a.将测试件加热到测试温度范围内；b.在所述测试温度范围内，通过捕获测试件在校准期内的振动信号执行背景测量，从而获得噪声信号；c.在所述测试温度范围内，在测试期内对所述测试件进行声学测量：c1.在测试件上施加振动激发；c2.捕获测试件在测试期内的振动信号，从而获得对于所述振动激发的振动响应信号；以及d.通过分析振动响应信号获得测试件的材料特性，在此考虑噪声信号。该文件还公开了一种用于在高温下声学地测量测试件的材料特性的系统。

20、尽管上述现有技术文件公开了一种在不同温度下获得冲击声学响应的方法和系统，但发明者发现精度仍可以提高，特别是对于在不同温度下进行的测试。

21、本发明旨在解决在高温下对测试件声学测量时stn比恶化的问题，并且旨在在任何温度下获得更精确的阻尼测量结果。此外，本发明还提出了一种具备新颖性和创造性的支承系统，用于在测试腔室内支承测试件，该支承系统能够在不同温度下以稳定和减少误差的方式支承测试件。

技术实现思路

1、本发明涉及一种冲击激发测量系统，包括测试腔室、冲击器、传感器系统和支承系统。测试腔室优选地是加热腔室，其包括构造成控制测试腔室中的温度的温度控制系统。支承系统构造成在测试腔室内的预定高度处支承固体测试件。冲击器构造成对由支承系统支承在所述预定高度处的测试件提供冲击。传感器系统构造成获得测试件对于冲击器提供至测试件的冲击的振动响应。

2、发明人已经发现，现有支承系统所获得的测量结果的精确度可以提高。在此，发明人已经注意到精确度可能取决于温度，并且已经发现支承系统的热膨胀对获得精确测量起着重要作用。如果执行测量的温度间隔较大，这种影响尤为明显。因此，本发明系统的支承系统包括成组支承杆，支承杆由热稳定材料制成，并且更优选为完全由热稳定材料构成。附加地或替代地，支承杆由与冲击器相同的材料制成，并且更优选为完全由该相同的材料构成。还附加地或替代地，支承杆的热膨胀系数基本上等于冲击器的热膨胀系数。

3、术语“热稳定材料”是指在较大温度区间上具有非常小的热膨胀的材料。优选地，材料的线膨胀系数至多为30.0x 10-6k-1，更优选为至多20.0x 10-6k-1，还更优选为至多10.0x 10-6k-1，甚至更优选为至多9.0x 10-6k-1，再更优选为至多8.0x 10-6k-1，还更优选为至多7.0x 10-6k-1，甚至更优选为至多6.0x 10-6k-1，甚至再更优选至多5.0x 10-6k-1，甚至还更优选为至多4.0x 10-6k-1，最优选为至多3.0x 10-6k-1。优选地，在执行测量的整个温度区间范围上，材料包括这样的低的热膨胀。

4、支承杆的热膨胀系数可以基本上等于冲击器的热膨胀系数。在此，术语“基本上等于”是指热膨胀系数与冲击器的热膨胀系数相同或只有很小的相对差异，通常相差至多25％，更优选为至多20％，还更优选为至多15％，再更优选为至多10％，再更优选为至多5％、比如5％、4％、3％、2％、1％或更少。

5、支承杆优选地包括支承端，可将测试件支承到支承端上，所述支承端包括点状形状。支承端的点状形状确保支承端与测试件之间的接触表面是小的，优选为小于2mm2，更优选为小于1.5mm2，还更优选为大约1mm2或更小。例如，支承端优选地可以包括具有球形帽形式的点状形状，高度h至多3mm，优选为在2mm至3mm之间，并且帽的基部半径a至多0.5mm。

6、该成组支承杆包括各自具有支承端的至少三根支承杆，这3个支承端非共线定位。三个非共线支承点趋向于产生稳定的支承。实际上，在优选实施例中，成组支承杆包括正好三根支承杆。在其他优选实施例中，成组支承杆包括正好四根支承杆，其中至少三根支承杆的支承端非共线定位。在此，该三个非共线支承点优选地限定了基本上水平的支承平面，测试件可以支承到该支承平面上。特别优选的是测试件包括基本上平坦的基部表面。应当注意，测试件通常可以包括梁状形状。

7、本发明还涉及一种成套装置，包括如上文和本文进一步描述的冲击激发测量系统和至少一个测试件，其中，测试件包括基部表面，该基部表面包括成组的至少三个非共线凹部，从而至少三个非共线凹部定位成与至少三根支承杆的非共线支承端对应。优选地，凹部各自位于测试件的用于测试件的预定振动模式的节点上。

8、本发明还涉及一种优选地在一个或多个温度下声学地测量测试件的材料特性的方法，包括以下步骤：

9、a将测试件放置在根据本发明的系统的测试腔室中的支承系统上，并且优选地将测试件加热到测试温度范围内；

10、b优选地，在所述测试温度范围内，通过捕获来自测试件在校准周期内的振动信号来优选地执行背景测量，从而获得噪声信号；

11、c优选地在所述测试温度范围内，在测试周期内，通过以下步骤对所述测试件执行声学测量：

12、c1.将振动激发施加到测试件上；

13、c2.在测试周期内捕获测试件的振动信号，从而获得对于所述振动激发的振动响应信号，以及

14、d通过分析振动响应信号，优选地在此考虑噪声信号，获得测试件的材料特性。