CN103439251B - 足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置，由机械结构和数据处理两部分组成：机械结构部分主要由两个底座支架、两个支撑杆、两个力传感器、一个激光传感器、前连接杆、后连接杆等组成；数据处理部分包括信号调理盒及计算机；本发明的检测方法有五大步骤：一、放置板材；二、设定测量结果存储目录和文件名，输入板材基本参数；三、测量板材质量；四、测量弹性模量和动态粘弹性；五、存储、显示测量结果。本发明能快速、方便地测定足尺人造板弹性模量、储能模量和损耗模量，与传统测量装置和方法相比，本发明的足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置及检测方法，做到了无损检测，节约了时间、成本，操作简便。

Description

足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法，属于材料力学性能试验检测领域。

背景技术

足尺人造板是指国内外人造板生产和销售中最常见的，幅面为2.44×1.22m标准尺寸的成品人造板，主要包括密度纤维板、刨花板和胶合板三种。我国是人造板生产大国，产量近年来排名世界第一。

目前国内外足尺人造板弹性模量检测基本采用标准力学试件检测法。这一检测方法，有相关国标规定，首先在大尺寸板材不同部位截取数个标准试件，试件长×宽×厚（h）尺寸为（20h+50）×50×h（单位mm），然后在力学试验机上，对标准试件进行变形和破坏性试验。根据数个标准试件的测量结果综合评价足尺板材整体的刚度和强度。将大尺寸板材截取成小尺寸标准试件，必须破坏原始板材。这种方法属于有损检测，检测效率低，只适于产品的抽检，只能在实验室环境中进行。

由于现有检测方法的局限性，包括人造板在内的木质材料的动态力学性能很少被关注。动态粘弹性是评价木质材料动态力学性能的关键性指标，是指介质材料对自身振动持续或衰减的作用特性。衡量动态粘弹性的主要参数是储能模量（Storage modulus）和损耗模量（Lostmodulus）。木质材料在不同的使用场合，需要的动态粘弹性有所不同。如木质材料作为建筑结构材、室内屋顶墙面装饰材料时，希望其减振性、吸音性好，即损耗模量大；而木质材料作为乐器的面板材料时，则希望它的振动持续性好，即储能模量大、损耗模量尽量小。对人造板动态粘弹性的检测，一直处于空白，增加对足尺人造板这方面特性的检测，可以更全面地评价其品质，更好地选择其使用场所。

本发明基于板材自由振动原理，即根据足尺人造板自由振动特性与其弹性模量、动态粘弹性之间的相关关系进行工作。首先将被测板材支撑在其自由振动一阶振型的两条节线处，利用测力传感器测量板材的质量；然后沿垂直与板材幅面方向给板材一个激振，使其产生自由振动，通过激光传感器传感板材的自由振动位移信号，经计算机进行数据采集和处理后，得出板材的弹性模量、动态粘弹性（储能模量和损耗模量）和振动对数减幅系数等。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提出一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法，通过足尺人造板质量检测、自由振动检测，以及数据信号的分析和计算，测定足尺人造板的弹性模量、动态粘弹性（储能模量和损耗模量）和振动对数减幅系数等。

2、技术方案：本发明的技术方案如下：

1）本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置，它由机械结构和数据处理两部分组成，两者之间通过数据线，彼此相互连接。如图1所示。

所述机械结构部分，见图2，由两个底座支架1、两个支撑杆5、两个力传感器11、两个V型块3、激光传感器16、前连接杆13、后连接杆6、底板14、连支杆9及连接螺钉组成。两个底座支架1是整个装置机械部分的基础。左侧支撑杆5通过两个V型块3支撑在左侧底座支架上，V型块3通过螺钉a2与下面底座支架相固定，左侧支撑杆5与V型块3间通过两个螺钉b7相固定。右侧支撑杆5通过两个螺钉d10固定在两个力传感器11上，两个力传感器11又通过螺钉a2固定在右侧底座支架1上。两个力传感器11能传感到板材一半的质量（重量）。激光传感器16通过螺钉固定到底板14上，底板14通过两个螺钉f15固定到连支杆9上，连支杆9通过四个螺钉e12固定在左右底座支架1上。底板14上的螺钉孔为键槽型，可以适当调整激光传感器16的上下位置。前连接杆13、后连接杆6分别通过螺钉c8与两个底座支架1相连，它们的作用有两个：一是连接左右两个底座支架1，另一个是对被测板材4的位置起标尺作用。前连接杆13、后连接杆6长度均为2.44m，两者前后外侧面距离为1.22m。该底座支架1是A字型金属结构支架，用型材制作；该支撑杆5是圆钢管结构件，用于支撑足尺人造板；该力传感器11是按需选购的精密力传感器；该V型块3是整体机加工件，上部有用于放置左侧支撑杆5的V型开口，它支撑着支撑杆5；该激光传感器16是按需选购的高精度位移传感器；该前连接杆13、后连接杆6是除螺钉孔位置外形状、尺寸相同的角钢件；该底板14是矩形板料件；该连支杆9是方钢或方管制作，用于固定底板14和激光传感器16。机械结构部分的主要功能是足尺人造板的支撑、重力传感、激振和振动信号的传感。在机械结构部分，板材被水平支撑在其一阶振型的两条节线处，两节线间距离为1346.8mm，板材两端伸出节线位置的长度各自为546.6mm。激光传感器位于板材中部，在板材放置在装置上后，测力传感器可以传感板材质量的大小；在给予板材一个初始位移激励后，实现板材的自由振动，激光传感器传感位移振动信号。

所述数据处理部分的主要功能是对重力(质量)信号和振动信号的调理、采集、处理、计算出被测板材的弹性模量、动态粘弹性和振动对数减幅系数等。数据处理部分由信号调理盒和计算机组成。两者之间通过数据线，彼此相互连接。如图3所示，该信号调理盒20由两个力信号放大器22、一个激光传感器振动信号放大器23、一个数据采集卡25、一个直流电源24等组成。力信号放大器和振动信号放大器要分别与所选用的力传感器和激光传感器配套，一般要求传感器厂商与传感器一起配套提供。数据采集卡分别与三个放大器相连，同时与计算机联接；直流电源分别与三个放大器相连，为三个放大器提供一定电压的直流供电。直流供电电压根据所选传感器和放大器的要求而定。计算机中有用于数据采集、处理的专用软件。数据采集、处理软件可采用任何计算机程序语言编制。

2）本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测方法，具体为如下步骤：

步骤一：放置板材。

将被测板材4放置在测量装置两个支撑杆5上，以前连接杆13和后连接杆6为标尺确定放置位置。即被测板材4左右与两连接杆两端对齐，被测板材4前后与两连接杆外侧边对齐。

步骤二：设定测量结果存储目录和文件名，输入板材基本参数。

打开软件，设定测量结果存储目录和文件名，输入被测板材基本参数；板材基本参数包括：板材编号（名称），板材厚度t（mm），板材宽度b（mm），板材长度l（mm）。

步骤三：测量板材质量。

运行软件，计算机自动采集两个力传感器信号，采集时间为1至几秒钟，然后计算板材整体质量。

步骤四：测量弹性模量（MOE）和动态粘弹性。

压下板材一端并释放，板材自由振动。激光传感器16传感振动位移，软件自动识别振动信号，并采集、显示振动位移信号，采集时间为数秒钟，计算弹性模量（MOE）和动态粘弹性。具体信号分析、处理内容包括：(1)计算一阶固有频率f，(2)计算对数减幅系数δ，(3)计算板材弹性模量（MOE），(4)计算板材储能模量和损耗模量。

步骤五：存储、显示测量结果。

软件自动存储被测板材测量结果，包括：板材编号（名称）、弯曲弹性模量（MOE）、储能模量、损耗模量、对数减幅系数δ、一阶固有频率f。

软件自动显示被测板材三个测量结果：弹性模量（MOE）、储能模量和损耗模量。

至此，一个测量过程完毕。

3、优点及功效：本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法，其优点及功效在于：能无损、快速、方便地测定足尺人造板的主要力学性能指标，包括弹性模量（MOE）、储能模量、损耗模量，同时能得到振动对数减幅系数δ、一阶固有频率f等。与传统测量装置和方法（小试件弯曲测量、拉伸测量等）相比，本发明的足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置与检测方法，做到了无损检测，节约了时间、成本，操作简便。

附图说明

图1所示为本发明装置组成框图

图2所示为本发明装置机械结构部分示意图

图3所示为本发明装置之信号调理盒组成框图

图4所示为测量装置软件流程图

图5所示为板材自由振动示意图。

图中具体标号及符号说明如下：

1、底座支架    2、螺钉a      3、V型块         4、被测板材

5、支撑杆      6、后连接杆   7、螺钉b         8、螺钉c

9、连支杆      10、螺钉d     11、力传感器     12、螺钉e

13、前连接杆   14、底板      15、螺钉f        16、激光传感器

20、信号调理盒 21、计算机    22、力信号放大器 23、振动信号放大器

24、直流电源   25、数据采集卡

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置，由两部分组成：机械结构部分和数据处理部分，两者之间通过数据线，彼此相互连接。如图1所示。机械结构部分的主要功能是足尺人造板的支撑、重力传感、激振和振动信号的传感。在机械结构部分，板材被水平支撑在其一阶振型的两条节线处，两节线间距离1346.8mm，板材两端伸出节线长度各自为546.6mm。激光传感器16位于板材中部。在板材放置在装置上后，力传感器11可以传感板材重量（质量）的大小。在给予板材一个初始位移激励后，实现板材的自由振动，激光传感器16传感振动信号。力传感器11应为量程合理、精密力传感器，如可采用美国Transcell技术公司制造的S型力传感器，型号BSA-25kg，量程25kg，精度0.03%。激光传感器16应为高精度位移传感器，如可采用日本产SUNX(视神)，型号ANR1250激光传感器＋ANR5131放大器（控制器）。

数据处理部分的主要功能是对重力信号和振动信号的调理、采集、处理、计算出被测板材的弹性模量、动态粘弹性和对数减幅系数等。数据处理部分主要由信号调理盒20和计算机21组成。信号调理盒20中有两个力信号放大器22、一个振动信号放大器23、一个数据采集卡25和一个直流电源24。数据采集卡25为一般16位的数据采集卡，如可采用美国NI公司生产的NI-USB2008数据采集卡。计算机21中有用于数据采集、处理的专用软件。数据采集、处理软件可采用任何计算机程序语言编制，若采用Labview虚拟仪器语言编制会更方便。

测量装置机械结构部分

如图2所示，测量装置机械结构主要由两个底座支架1、两个支撑杆5、两个力传感器11、两个V型块3、激光传感器16、前连接杆13、后连接杆6、连支杆9及连接螺钉等组成。两个底座支架1是整个装置机械部分的基础。左侧支撑杆5通过两个V型块3支撑在左侧底座支架上，V型块3通过两个螺钉a2与下面底座支架相固定，左侧支撑杆5与V型块3间通过两个螺钉b7相固定。右侧支撑杆5通过两个螺钉d10固定在两个力传感器11上，两个力传感器11又通过螺钉a2固定在右侧底座支架1上。两个力传感器11能传感到板材一半的重量（质量）。左右两个支撑杆5长度均为1.22m，之间的间距为1346.8mm。激光传感器16通过螺钉固定到底板14上，底板14通过两个螺钉f15固定到连支杆9上，连支杆9通过四个螺钉e12固定在左右底座支架1上。底板14上的螺钉孔为键槽型，可以适当调整激光传感器16的上下位置。前连接杆13、后连接杆6分别通过两个螺钉c8与两个底座支架1相连，它们的作用有两个：一是连接左右两个底座支架1，另一个是对被测板材4的位置起标尺作用。前连接杆13、后连接杆6长度均为2.44m，两端距离最近支撑杆5的距离均为546.6mm；前后两者外侧距离为1.22m。

测量装置数据处理部分

测量装置的数据处理部分由信号调理盒20和计算机21组成。

信号调理盒

如图3所示，信号调理盒20由两个力信号放大器22、一个振动信号放大器23、一个数据采集卡25、一个直流电源等24组成。力信号放大器22和振动信号放大器23要分别与所选用的力传感器11和激光传感器16配套，一般要求传感器厂商与传感器一起配套提供。三个放大器输出均为模拟电压，最大输出值一般要求为±5V或±10V。数据采集卡25为一般16位的数据采集卡，如可采用美国NI公司生产的NI-USB2008数据采集卡。数据采集卡25分别与三个放大器相连，同时通过USB数据线与计算机21的USB接口联接；直流电源24分别与三个放大器相连，为三个放大器提供一定电压的直流供电。直流供电电压根据所选传感器和放大器的要求而定，例如，美国Transcell技术公司制造的型号BSA-25kg测力传感器，需要的直流供电电压为12～15V；日本SUNX(视神)的ANR1250激光传感器与ANR5131放大器组合，需要的直流供电电压为12～24V。

软件流程

计算机21中有用于信号采集、分析、处理的专用软件。软件流程图如图4所示。该软件可采用任何计算机程序语言编制，若采用Labview虚拟仪器语言编制会更方便。

板材放置在检测装置上的正确位置后，打开软件。设定测量结果存储目录和文件名，输入被测板材基本参数。板材基本参数包括：板材编号（名称），板材厚度t（mm），板材宽度b（mm），板材长度l（mm）。点击“开始测量”图标，软件采集重力信号，计算板材质量M（kg）。之后，压下板材一个短边并释放，使板材发生自由振动，软件采集、显示激光传感器16传感的板材自由振动信号；分析、处理信号：(1)计算振动一阶固有频率f，(2)计算对数减幅系数，(3)计算板材弹性模量（MOE），(4)计算板材储能模量和损耗模量。存储、显示结果：弹性模量（MOE）、储能模量、损耗模量、对数减幅系数、一阶固有频率等。至此，完成一个板材的一次测试过程。

本发明一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测方法，具体步骤如下：

步骤一：放置板材。

将被测板材4放置在测量装置的两个支撑杆5上，以前连接杆13和后连接杆6为标尺精确确定放置位置。即被测板材4左右与两连接杆两端对齐，被测板材4前后与两连接杆外侧边对齐。

步骤二：设定测量结果存储目录和文件名，输入板材基本参数。

打开软件，设定测量结果存储目录和文件名，输入被测板材基本参数；板材基本参数包括：板材编号（名称），板材厚度t（mm），板材宽度b（mm），板材长度l（mm）。

步骤三：测量板材质量。

运行软件，计算机21自动采集两个力传感器11信号，采集时间为1至几秒钟，然后计算板材整体质量。两力传感器传11感到的重力之和是板材一半的质量，乘以2之后就是板材的整体质量M（kg）。

步骤四：测量弹性模量（MOE）和动态粘弹性。

压下板材一端并释放，板材自由振动，见图5。激光传感器16传感振动位移，软件自动识别振动信号，并采集、显示振动位移信号，采集时间为数秒钟，计算弹性模量（MOE）和动态粘弹性。具体信号分析、处理内容包括：(1)计算一阶固有频率f，(2)计算自由振动振幅对数减幅系数δ，(3)计算板材弹性模量（MOE），(4)计算板材储能模量和损耗模量。

一阶固有频率f，由快速傅立叶变换算法对采集到的振动信号处理得到。自由振动振幅对数减幅系数其中，A₁为在振动衰减波形曲线上，选取的第1个振幅；A_n为在振动衰减波形曲线上，选取的第n个振幅。在有了一阶固有频率f和对数减幅系数δ后，弹性模量计算公式为储能模量计算公式为 $E^{\′}=\frac{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2}M{l}^3}{4.73^{4}I}[1-{\left(\frac{-\mathrm{\π}+\sqrt{{\mathrm{\π}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}}{\mathrm{\δ}}\right)}^2],$ 损耗模量计算公式为 $E\″=E\′\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}.$ 式中，f为被测板材一阶固有频率(Hz)，M为板材质量(kg)，l为板材长度(m)，为惯性矩，t为板材厚度(m)，b为板材宽度(m)。

步骤五：存储、显示测量结果。

软件自动存储被测板材测量结果，包括：板材编号（名称）、弯曲弹性模量（MOE）、储能模量、损耗模量、对数减幅系数、一阶固有频率。

软件自动显示被测板材三个测量结果：弹性模量（MOE）、储能模量和损耗模量。

至此，一个测量过程完毕。如果板材本身存在一定的弯曲或扭曲变形，或板材本身密度分布不均，则测量结果会出现变动。推荐针对一个板材，进行左右、正反面四次测定，然后取四次测量结果的平均值作为板材弹性模量和动态粘弹性值。如果一个批次板材中随机抽样的多个板材的四次测量结果差别很小，对该批次其它板材可只测量一次。

实施例一：

下面结合一个板材的一次测量，说明测量装置和测量过程的具体实施方式。板材材质为中密度板（MDF），板材尺寸（长×宽×厚）为：2441×1221×12.32mm。计算机21中用于信号采集、分析、处理的专用软件采用Labview虚拟仪器语言编制。

(1)放置板材。

将被测板材4放置在测量装置的两个支撑杆5上，以前连接杆13和后连接杆6为标尺确定放置位置。即被测板材4左右与两连接杆两端对齐，被测板材4前后与两连接杆外侧边对齐。

(2)设定测量结果存储目录和文件名，输入试件基本参数。

打开软件，设定测量结果存储目录和文件名，输入被测板材4基本参数；被测板材4基本参数包括：试件编号（名称）=MDF12-1，板材厚度t=12.32（mm），板材宽度b=1221mm，板材长度l=2441mm。

(3)测量板材质量。

运行软件，计算机21自动采集两个力传感器11信号，采集时间为1秒钟，然后计算板材整体质量M=26.13kg。

(4)测量弹性模量（MOE）和动态粘弹性。

压下板材一端并释放，板材自由振动。激光传感器16传感振动位移，软件自动识别振动信号，并采集、显示振动位移信号，采集时间为3秒钟，计算弹性模量（MOE）和动态粘弹性。具体信号分析、处理结果为：(1)一阶固有频率f=4.92Hz，(2)对数减幅系数δ=0.061，(3)板材弹性模量（MOE）=3.83GPa，(4)板材储能模量=3.82GPa，损耗模量=74MPa。

(5)存储、显示测量结果。

软件自动存储被测板材测量结果，包括：试件编号（名称）=MDF12-1、弯曲弹性模量（MOE）=3.83GPa、储能模量=3.82GPa、损耗模量=74MPa、对数减幅系数δ=0.061、一阶固有频率f=4.92Hz。

软件自动显示被测板材三个测量结果：弹性模量（MOE）=3.83GPa、储能模量=3.82GPa、损耗模量=74MPa。

Claims (2)

1.足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置，足尺人造板是指国内外人造板生产和销售中最常见的，幅面为2.44×1.22m标准尺寸的成品人造板，包括密度纤维板、刨花板和胶合板三种；其特征在于：它由机械结构部分和数据处理部分两部分组成，两者之间通过数据线，彼此相互连接；

所述机械结构部分，由两个底座支架(1)、两个支撑杆(5)、两个力传感器(11)、两个V型块(3)、激光传感器(16)、前连接杆(13)、后连接杆(6)、底板(14)、连支杆(9)及连接螺钉组成；两个底座支架(1)是整个装置机械部分的基础，左侧支撑杆(5)通过两个V型块(3)支撑在左侧底座支架上，V型块(3)通过螺钉a(2)与下面底座支架相固定，左侧支撑杆(5)与V型块(3)间通过两个螺钉b(7)相固定；右侧支撑杆(5)通过两个螺钉d(10)固定在两个力传感器(11)上，两个力传感器(11)又通过螺钉a(2)固定在右侧底座支架(1)上；两个力传感器(11)能传感到板材一半的重量，激光传感器(16)通过螺钉固定到底板(14)上，底板(14)通过两个螺钉f(15)固定到连支杆(9)上，连支杆(9)通过四个螺钉e(12)固定在左右底座支架(1)上；底板(14)上的螺钉孔为键槽型，能适当调整激光传感器(16)的上下位置；前连接杆(13)、后连接杆(6)分别通过螺钉c(8)与两个底座支架(1)相连，它们的作用有两个：一是连接左右两个底座支架(1)，另一个是对被测板材(4)的位置起标尺作用；前连接杆(13)、后连接杆(6)长度均为2.44m，两者前后外侧面距离为1.22m；该底座支架(1)是A字型金属结构支架，用型材制作；该支撑杆(5)是圆钢管结构件，用于支撑足尺人造板；该力传感器(11)是量程合理的精密力传感器；该V型块(3)是整体机加工件，上部有用于放置左侧支撑杆(5)的V型开口，它支撑着支撑杆(5)；该激光传感器(16)是高精度位移传感器；该前连接杆(13)、后连接杆(6)是除螺钉孔位置外形状、尺寸相同的角钢件；该底板(14)是矩形板料件；该连支杆(9)是方钢或方管制作，用于固定底板(14)和激光传感器(16)；机械结构部分的功能是足尺人造板的支撑、重力传感、激振和振动信号的传感；在机械结构部分，板材被水平支撑在其一阶振型的两条节线处，两节线间距离为1346.8mm，板材两端伸出节线位置的长度各自为546.6mm；激光传感器位于板材中部，在板材放置在装置上后，测力传感器能传感板材质量的大小；在给予板材一个初始位移激励后，实现板材的自由振动，激光传感器传感位移振动信号；

所述数据处理部分的功能是对重力信号和振动信号的调理、采集、处理、计算出被测板材的弹性模量、动态粘弹性和振动对数减幅系数；数据处理部分由信号调理盒和计算机组成，两者之间通过数据线，彼此相互连接；该信号调理盒(20)由两个力信号放大器(22)、一个激光传感器振动信号放大器(23)、一个数据采集卡(25)和一个直流电源(24)组成；力信号放大器和振动信号放大器要分别与所选用的力传感器和激光传感器配套，数据采集卡分别与三个放大器相连，同时与计算机联接；直流电源分别与三个放大器相连，为三个放大器提供预定电压的直流供电；直流供电电压根据所选传感器和放大器的要求而定；计算机中有用于数据采集、处理的专用软件，数据采集、处理软件采用任何计算机程序语言编制。

2.基于权利要求1所述的一种足尺人造板弹性模量和动态粘弹性无损检测装置的检测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：放置板材；

将被测板材(4)放置在测量装置两个支撑杆(5)上，以前连接杆(13)和后连接杆(6)为标尺确定放置位置；即被测板材(4)左右与两连接杆两端对齐，被测板材(4)前后与两连接杆外侧边对齐；

步骤二：设定测量结果存储目录和文件名，输入板材基本参数；

打开软件，设定测量结果存储目录和文件名，输入被测板材基本参数；板材基本参数包括：板材编号即名称，板材厚度t mm，板材宽度b mm，板材长度l mm；

步骤三：测量板材质量；

运行软件，计算机自动采集两个力传感器信号，采集时间为1至几秒钟，然后计算板材整体质量；

步骤四：测量弹性模量即MOE和动态粘弹性；

压下板材一端并释放，板材自由振动；激光传感器(16)传感振动位移，软件自动识别振动信号，并采集、显示振动位移信号，采集时间为数秒钟，计算弹性模量即MOE和动态粘弹性；具体信号分析、处理内容包括：(1)计算一阶固有频率f，(2)计算对数减幅系数δ，(3)计算板材弹性模量即MOE，(4)计算板材储能模量和损耗模量；

步骤五：存储、显示测量结果；

软件自动存储被测板材测量结果，包括：板材编号即名称、弯曲弹性模量即MOE、储能模量、损耗模量、对数减幅系数δ、一阶固有频率f；软件自动显示被测板材三个测量结果：弹性模量即MOE、储能模量和损耗模量；至此，一个测量过程完毕。