CN101403666A - 木材和木质复合材料的动态弹性模量E和阻尼比ξ测量法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是木材和木质复合材料的动态弹性模量E和阻尼比ξ的测量方法。用加速度传感器将其固有的机械量(加速度)变成电信号，通过信号调理仪经滤波、信号放大后进行数据采集来测定附集中质量的悬臂梁材料的基本频率f₁；借助频域图实测的基频f₁与材料弹性模量的确定关系，推算出材料的动弹性模量值E_动态。从时域图中的时域衰减的振波曲线上读取A₁，A₂，…A_n幅值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ。优点：能客观反映实际状况下的木材和木质复合材料的动态变形的情况；能同时测算木材和木质复合材料的动态弹性模量E、阻尼比ξ，其测试时间短，数据翔实、精确和可靠；能从试件的频域图、时域图中得到基频(f₁)、阻尼特性，并进行相关分析。

Description

木材和木质复合材料的动态弹性模量E和阻尼比ξ测量法

技术领域

本发明涉及的是木材和木质复合材料的动态弹性模量E、阻尼比ξ的测量方法。属于测量木材和木质复合材料技术领域。

背景技术

在木材工业中的材料检测领域，为了反映木材和木质复合材料的变形等特性，目前仅测定其静态弹性模量E，不能客观反映实际状况下材料的动态变形情况，因此测量木材和木质复合材料的动弹性模量值E和阻尼比ξ值等工作成为必然。

发明内容

本发明的目的在于运用动态信号随机激励功率谱的测振法，对采用悬臂梁自由端方式的木材或木质复合材料通过传感器进行动弹性模量值E、阻尼比ξ的测量。

本发明的技术解决方案：其特征是应用加速度传感器将其固有的机械量变成电信号，通过信号调理仪经滤波、信号放大后进行数据采集来测定附集中质量的悬臂梁材料的基本频率f₁；借助频域图实测的基频f₁与材料弹性模量的确定关系，推算出材料的动弹性模量值E_动态；

式中：l-梁的长度(mm)，h-厚度(mm)，b-宽度(mm)，f₁-基频(Hz)，M-梁质量(g)，m-加速度质量(g)；

从域图中的时域衰减的振波曲线上读取A₁，A₂，…A_n幅值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ； $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}};$

对包括农作物麦秸杆木质复合材料的动弹性模量E和动态阻尼比ξ的测量，测试步骤分为

第一步，测量农作物麦秸板试件的厚度、宽度和密度；然后，安装试件，实现悬臂梁，并实测梁的长度；

第二步，悬臂梁自由端依次串接加速度传感器、AZ信号调理仪、AZ采集箱、CPU处理机；

第三步，调用信号即系统分析软件，建立作业，进行参数设置；

第四步，正是测量前，进入示波方式，连续敲击试件，以检查仪器连接线是否接通；

第五步，用橡胶锤敲击试件，触发采集数据，进行信号频谱分析；

第六步，由频域图中第1峰值读出基频值并代入

式中，得出麦秸板试件在纵向的动弹性模量值，具体为

第七步，在时域图中，通过动态信号采集与分析系统的软件将光标依次点击单峰，得出附表1中的5个幅值(Eu)，并代入 $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5}$ 和 $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}$ 式中，得出麦秸板试件在纵向的阻尼比ξ值。

本发明的优点

1、采用的动态信号随机激励功率谱测振法能客观反映实际状况下的木材和木质复合材料的动态变形的情况。

2、能同时测算木材和木质复合材料的动态弹性模量E、阻尼比ξ，其测试时间短，数据翔实、精确和可靠。

3、能从试件的频域图、时域图中得到基频(f₁)、阻尼特性等，并进行相关的分析。

附图说明

附图1是试件纵、横向测试的方向图。

附图2是试件动态弹性模量和阻尼比的实验框图。

附图3是用数据采集及处理软件测动弹性模量E、阻尼比ξ工作原理框图。

附图4是麦秸板纵向频谱图。附图5是麦秸板的纵向时域波形图

图中的A是纵向、B是横向。

具体实施方式

木材和木质复合材料的动态弹性模量E和阻尼比ξ测量方法，其特征是应用加速度传感器将其固有的机械量变成电信号，通过信号调理仪经滤波、信号放大后进行数据采集来测定附集中质量的悬臂梁材料的基本频率f₁；借助频域图实测的基频f₁与材料弹性模量的确定关系，推算出材料的动弹性模量值E_动态；

式中：l-梁的长度(mm)，h-厚度(mm)，b-宽度(mm)，f₁-基频(Hz)，M-梁质量(g)，m-加速度质量(g)；

从域图中的时域衰减的振波曲线上读取A₁，A₂，…A_n幅值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ； $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}};$

对包括农作物麦秸杆木质复合材料的动弹性模量E和动态阻尼比ξ的测量，测试步骤分为

第一步，测量农作物麦秸板试件的厚度、宽度和密度；然后，安装试件，实现悬臂梁，并实测梁的长度；

第二步，悬臂梁自由端依次串接加速度传感器、AZ信号调理仪、AZ采集箱、CPU处理机；

第三步，调用信号即系统分析软件，建立作业，进行参数设置；

第四步，正是测量前，进入示波方式，连续敲击试件，以检查仪器连接线是否接通；

第五步，用橡胶锤敲击试件，触发采集数据，进行信号频谱分析；

第六步，由频域图中第1峰值读出基频值并代入

式中，得出麦秸板试件在纵向的动弹性模量值，具体为

第七步，在时域图中，通过动态信号采集与分析系统的软件将光标依次点击单峰，得出附表1中的5个幅值(Eu)，并代入 $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5}$ 和 $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}$ 式中，得出麦秸板试件在纵向的阻尼比ξ值。

所述的测量测试步骤第二步所述的固定在悬臂梁自由端试件上的加速度传感器将通过橡胶锤敲击试件，使试件的机械量信号转变成电信号，加速度传感器的信号输出端接在动态信号采集与分析系统中的信号调理箱的输入信号接口上，信号调理部分有抗混滤波器和信号放大器，抗混滤波器将试件所产生的激励信号进行滤波，然后经信号放大器放大后的信号进入信号采集部分，信号采集部分有计算机接口、数字信号器处理DSP芯片、A/D转换器，采集到的模拟信号经计算机接口进入数字信号器处理DSP芯片，进行数字信号处理，然后经A/D转换器转换成数字信号通过信号处理分析部分中的CPU处理机的信号输入端进入信号处理分析部分中的CPU处理机，由CPU处理机及其系统控制软件实行处理分析。

所述的测量测试步骤第三步参数设置为：分析频率为500Hz、触发方式为负触发，触发电平20％、触发延迟-20、电压范围为±5000mV、平均次数2次、校正因子252、频谱参数为定带宽FFT、工程单位m/s²、为防止频率混迭，选择低通滤波器的频率上限，滤波频率设为500Hz。

由于悬臂梁试件的自由振动中含有丰富的阻尼信息，为此再从振动及动态信号采集分析系统软件中的时域图中的时域衰减的振波曲线上读取A₁，A₂，…A_n幅值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ。阻尼比ξ的推算公式是： $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}.$

所述的运行振动及动态信号采集分析系统软件控制流程见附图3，主要包括参数设置、示波、采集信号、频域图显示、时域图显示、图形输出和文件存盘过程。

所述的利用数据采集是经橡胶锤的敲击所采集到的试件机械信号(加速度信号)经计算机接口进入数字信号器处理DSP芯片，进行A/D转换处理的过程。

所述的谱分析是通过频域图(附图5)、时域图(附图4)确定试件的基频f₁，以及时域衰减的振波曲线上读取振幅值A1，A2，…An，作为分别计算动态弹性模量E和阻尼比ξ的基础数据。

对照附图1，箭头指的是用橡皮锤敲击试件进行示波和采集由加速度传感器拾振到的电信号的方向。

对照附图2，固定在悬臂梁自由端试件上的加速度传感器将通过橡胶锤敲击试件，使试件的机械量(加速度)信号转变成电信号。加速度传感器的信号输出端接在动态信号采集与分析系统中的信号调理箱的输入信号接口上。信号调理部分有抗混滤波器和信号放大器，抗混滤波器将试件所产生的激励信号进行滤波，然后经信号放大器放大后的信号进入信号采集部分，信号采集部分有计算机接口、数字信号器处理DSP芯片、A/D转换器，采集到的模拟信号经计算机接口进入数字信号器处理DSP芯片，进行数字信号处理，然后经A/D转换器转换成数字信号通过信号处理分析部分中的CPU处理机的信号输入端进入信号处理分析部分中的CPU处理机，由CPU处理机及其系统控制软件实行处理分析。

悬臂梁自由端依次串接加速度传感器、AZ信号调理仪、AZ采集箱、CPU处理机。

对照附图4，它是用橡胶锤在麦秸板纵向方向敲击经过加速度传感器拾振得到振动信号得到的频域图，通过动态信号采集与分析系统的软件确定麦秸板纵向频谱图幅值(Eu)，并代入

式中，得出麦秸板试件在纵向的动弹性模量值。

对照附图5，它是用橡胶锤在麦秸板纵向方向所敲击经过加速度传感器拾振得到振动信号得到的时域波形图，通过动态信号采集与分析系统的软件将光标依次点击单峰，得出附表1中的5个幅值(Eu)，并代入 $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5}$ 和 $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}$ 式中，得出麦秸板试件在纵向的阻尼比ξ值。

实施例

对农作物麦秸杆木质复合材料的动弹性模量E和动态阻尼比ξ的测量，

测试步骤

第一步，测量农作物麦秸板试件的厚度26mm、宽度52mm和密度0.65g/cm3；然后，安装试件，实现悬臂梁，并实测梁的长度310mm。

第二步，按附图2连接各仪器，即悬臂梁自由端依次串接加速度传感器、AZ信号调理仪、AZ采集箱、CPU处理机。

第三步，调用信号即系统分析软件，建立作业，进行参数设置，参数设置为：分析频率为500Hz、触发方式为负触发(触发电平20％、触发延迟-20)、电压范围为±5000mV、平均次数2次、校正因子252、频谱参数为定带宽FFT、工程单位m/s2、为防止频率混迭，选择低通滤波器的频率上限，滤波频率设为500Hz。

第四步，正是测量前，进入示波方式，连续敲击试件，以检查仪器连接线是否接通，电源是否打开，以及参数设置、程控放大和放大倍数设置档是否合理。如不合理应重新设置；

第五步，用橡胶锤敲击试件，触发采集数据，进行信号频谱分析；

第六步，由频域图中第1峰值读出基频值并代入

式中，得出麦秸板试件在纵向的动弹性模量值，具体为

第七步，在时域图中，通过动态信号采集与分析系统的软件将光标依次点击单峰，得出附表1中的5个幅值(Eu)，并代入 $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5}$ 和 $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}$ 式中，得出麦秸板试件在纵向的阻尼比ξ值。

麦秸板试件纵向时域图和频谱图见图4～图5；其时域值和幅频值一览表如附表1、附表2所示。

附表1麦秸板纵向时域数一览表

时间(ms)	12	24	35	47	58
						幅值(Eu)	1474.61	1132.81	996.094	726.367	688.477

附表2麦秸板纵向幅频值一览表

频率(Hz)	72.2656	86.9141
			幅值(Eu)	115.308	61.088

表3用振动试验和静力试验法获得的麦秸板弹性模量的比较表

材性指标

单位

麦秸板

云杉

栎木

密度	g/cm3	0.65	0.501	0.653
					纵向振动弹性模量	Mpa	2505	18050	12550
纵向静力弹性模量	MPa	2323	15140	11050

Claims (3)

1、木材和木质复合材料的动态弹性模量E和阻尼比ξ测量方法，其特征是应用加速度传感器将其固有的机械量变成电信号，通过信号调理仪经滤波、信号放大后进行数据采集来测定附集中质量的悬臂梁材料的基本频率f₁；借助频域图实测的基频f₁与材料弹性模量的确定关系，推算出材料的动弹性模量值E_动态；

式中：l-梁的长度(mm)，h-厚度(mm)，b-宽度(mm)，f₁-基频(Hz)，M-梁质量(g)，m-加速度质量(g)；

从域图中的时域衰减的振波曲线上读取A₁，A₂，…A_n幅值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ； $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}};$

对包括农作物麦秸杆木质复合材料的动弹性模量E和动态阻尼比ξ的测量，测试步骤分为

第一步，测量农作物麦秸板试件的厚度、宽度和密度；然后，安装试件，实现悬臂梁，并实测梁的长度；

第二步，悬臂梁自由端依次串接加速度传感器、AZ信号调理仪、AZ采集箱、CPU处理机；

第三步，调用信号即系统分析软件，建立作业，进行参数设置；

第四步，正是测量前，进入示波方式，连续敲击试件，以检查仪器连接线是否接通；

第五步，用橡胶锤敲击试件，触发采集数据，进行信号频谱分析；

第六步，由频域图中第1峰值读出基频值并代入

式中，得出麦秸板试件在纵向的动弹性模量值，具体为

第七步，在时域图中，通过动态信号采集与分析系统的软件将光标依次点击单峰，得出附表1中的5个幅值(Eu)，并代入 $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_5)}{5}$ 和 $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}$ 式中，得出麦秸板试件在纵向的阻尼比ξ值。

2、根据权利要求1所述的木材和木质复合材料的动态弹性模量E阻尼比ξ测量方法，其特征是测量测试步骤第二步所述的固定在悬臂梁自由端试件上的加速度传感器将通过橡胶锤敲击试件，使试件的机械量信号转变成电信号，加速度传感器的信号输出端接在动态信号采集与分析系统中的信号调理箱的输入信号接口上，信号调理部分有抗混滤波器和信号放大器，抗混滤波器将试件所产生的激励信号进行滤波，然后经信号放大器放大后的信号进入信号采集部分，信号采集部分有计算机接口、数字信号器处理DSP芯片、A/D转换器，采集到的模拟信号经计算机接口进入数字信号器处理DSP芯片，进行数字信号处理，然后经A/D转换器转换成数字信号通过信号处理分析部分中的CPU处理机的信号输入端进入信号处理分析部分中的CPU处理机，由CPU处理机及其系统控制软件实行处理分析。

3、根据权利要求2所述的木材和木质复合材料的动态弹性模量E阻尼比ξ测量方法，其特征是测量测试步骤第三步参数设置为：分析频率为500Hz、触发方式为负触发，触发电平20％、触发延迟-20、电压范围为±5000mV、平均次数2次、校正因子252、频谱参数为定带宽FFT、工程单位m/s²、为防止频率混迭，选择低通滤波器的频率上限，滤波频率设为500Hz。

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