CN110308061A - 基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统
技术领域
本发明涉及材料技术领域，且特别涉及基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统。
背景技术
在柔性电子科学和生命科学领域，聚合物材料(如聚二甲基硅烷、各类硅橡胶、聚酰亚胺薄膜等)的弹性模量和密度往往决定了柔性电子设备的性能以及生物体的舒适程度，如何准确地获得聚合物材料的弹性模量和密度对于相关柔性电子器件的设计与开发至关重要。
在传统的材料弹性模量和密度检测中，已有部分专利申请通过弯曲挠度等静态试验方法测定工程材料的模量，有部分专利申请通过测试超声波在材料中的传播速度测得弹性模量数值，也有部分专利申请通过施加外部简谐力进而测试试样的基频获得材料的弹性模量。
对于较低弹性模量的聚合物材料，无法通过静态试验方法获得应力与应变之间的关系，也无法直接在外部对试样施加简谐激振力，采用超声检测装备也无法对试样进行直接测定。而且，现有的测量装置的结构复杂、组件繁多、设备体积大。
因而，如何提供一种能够快速、准确、便捷地测量材料弹性模量和密度的方法和系统，是亟待本领域技术人员解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本发明。本发明的目的在于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，利用三维结构的多方向和多模态振动特性，协同测量材料的弹性模量和密度。
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，所述测量系统包括基座、基准振动体和待测振动体，所述基准振动体和所述待测振动体安装于所述基座并相对于所述基座振动，
所述基准振动体和所述待测振动体包括相同的振动骨架和相同的传感器，所述传感器安装于所述振动骨架，所述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，所述传感器测量所述至少两个振动模态下的所述基准振动体和所述待测振动体的变形，
所述振动骨架具有第一对称轴，所述基准振动体和所述待测振动体均包括偶数个所述传感器，所述偶数个传感器关于所述第一对称轴对称，所述待测振动体还包括待测材料膜，所述待测材料膜与所述振动骨架结合并能够跟随所述振动骨架一同振动，所述基准振动体和所述待测振动体具有所述第一对称轴，
根据所述传感器的测量结果获得所述基准振动体在所述至少两个振动模态下的共振频率f0(I)和f0(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f0(I)和f(I)，以及f0(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Ep和密度ρp：
其中，hp为所述待测材料膜的厚度，hBase为所述基准振动体的厚度，EBase为所述基准振动体的等效弹性模量，ρBase为所述基准振动体的平均密度，CE和Cρ为与所述振动骨架的形状、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CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。
在至少一个实施方式中，所述振动骨架包括振动区域和固定区域，所述固定区域固定于所述基座，所述振动区域能够相对于所述基座振动，所述传感器测量所述振动区域的靠近所述固定区域的部分的变形。
在至少一个实施方式中，所述测量系统包括磁体，所述基准振动体和所述待测振动体包括相同的导线，所述导线安装于所述振动骨架，所述导线通有交变电流并与所述磁体配合而产生电磁激振力，所述基准振动体和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态。
在至少一个实施方式中，所述导线、所述传感器的传感元件和引线均与所述振动骨架一体形成，并且，所述传感元件、所述引线和所述导线形成一个层。
在至少一个实施方式中，所述振动骨架和所述待测材料膜具有第二对称轴，当所述振动骨架处于稳定状态时，所述第二对称轴与所述第一对称轴垂直，所述基准振动体和所述待测振动体均包括至少两个所述导线，所述至少两个导线对称的位于所述第二对称轴的两侧，所述传感器位于所述至少两个导线之间从而所述基准振动体和所述待测振动体具有所述第一对称轴和所述第二对称轴。
在至少一个实施方式中，当激发一个所述振动模态时，所述磁体包括第一磁铁件，所述第一磁铁件位于所述至少两个导线的排布方向的一侧，当激发另一个所述振动模态时，所述磁体包括第二磁铁件，所述第二磁铁件沿所述导线的延伸方向位于所述导线的端部的外侧。
在至少一个实施方式中，所述第二磁铁件包括两个第二磁铁，所述两个第二磁铁沿所述至少两个导线的延伸方向分别位于所述至少两个导线的端部的两侧。
在至少一个实施方式中，所述传感器为应变式传感器。
提供一种基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其采用上述技术方案中任一项所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统，所述测量方法包括以下步骤：
采用激振力激发所述基准振动体和所述待测振动体以分别具有所述至少两个振动模态，
采用传感器测量所述基准振动体和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体和所述待测振动体在一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体和所述待测振动体的共振频率f0(I)和f(I)，
采用传感器测量所述基准振动体和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体和所述待测振动体在另一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体和所述待测振动体的共振频率f0(II)和f(II)，
测得所述待测材料膜的厚度hp和所述基准振动体的厚度hBase；
计算所述基准振动体的等效模量EBase和平均密度ρBase；
联立以下两个方程得出待测材料的弹性模量Ep和密度ρp：
其中，CE和Cρ为与所述振动骨架的形状、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CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)为一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。
在至少一个实施方式中，所述两个振动模态为第一阶至第五阶振动模态中的两者。
在至少一个实施方式中，所述基准振动体和所述待测振动体包括相同的导线，所述导线安装于所述振动骨架，所述导线通有交变电流并与磁体配合产生电磁激振力，所述基准振动体和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态，所述导线、所述传感器通过柔性电子技术与所述振动骨架形成为一体。
在至少一个实施方式中，所述振动骨架通过将二维结构固定于具有预拉伸应变量的组装平台，然后释放组装平台使所述二维结构屈曲变形而成，在所述振动骨架屈曲变形的过程中，所述二维结构沿主方向脱离所述组装平台；
在激发一个所述振动模态时，所述基准振动体和所述待测振动体被激发出在所述主方向的两侧摆动的振动模态；
在激发另一个所述振动模态时，所述基准振动体和所述待测振动体被激发出在所述主方向上往复振动的振动模态。
本公开提供的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法和系统至少具有以下有益效果：
创造性地引入三维结构，借助三维结构的多方向和多模态的振动特性并结合传感器测量技术，拓展现有的动态检测技术，建立基于三维结构的材料的弹性模量和密度的新的测量方法和测量系统，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，从而快速、便捷、准确地测量材料弹性模量和密度。
本公开提供的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量系统还可以具有以下有益效果：
传感器的传感元件可以设置于振动区域的靠近固定区域的部分，从而测量基准振动体和待测振动体的振动敏感区，获得基准振动体和待测振动体的明显的变形数据。
振动骨架通过屈曲力学组装形成，即形成为三维屈曲结构，这样，振动骨架具有良好的多方向和多模态的振动的特性，能够简单地被激发出至少两个振动模态。
导线和传感器的传感元件、引线形成一个层，这使得基准振动体的层数最小化，方便对基准振动体的等效模量的计算。
采用非接触式的电磁激振技术对振动体进行激振，简化了激振设备，并能够通过控制电流的频率来方便地控制激振力的频率。
在振动骨架的两侧对称地设置第二磁铁件，能够获得均匀的磁场，有利于形成均匀的激振力。
本公开提供的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法还可以具有以下有益效果：
导线和传感器的传感元件、传感器的引线可以通过柔性电子工艺与振动骨架形成为一体。这样，基准振动体和待测振动体均形成为稳定的整体，在受激振力激发时较易形成稳定的振动模态。
附图说明
图1a为本公开提供的测量系统的一个具体实施例在激发第一振动模态时，第一磁铁件与基准振动体的布局示意图。
图1b为本公开提供的测量系统的一个具体实施例在激发第二振动模态时，第二磁铁件与基准振动体的布局示意图。
图2为图1a和图1b中的测量系统的基准振动体的立体图，去除覆盖导线和传感器的层以便示出导线和传感器。
图3为图2中的基准振动体的俯视图。
图4为图3中的基准振动体的A部分的放大图。
图5为用于图1a和图1b中的测量系统的待测材料膜。
图6a为振动骨架处于第一振动模态的示意图。
图6b为振动骨架处于第二振动模态的示意图。
图7a为第一振动模态和第二振动模态下的与的关系图。
图7b为第一振动模态和第二振动模态下的与的关系图。
附图标记说明：
1基座、2基准振动体、3振动骨架、31固定区域、32振动区域、3a第一对称轴、3b第二对称轴、4待测材料膜、5导线、6传感器、61传感元件、62引线、71第一磁铁件、72第二磁铁件、M、P第一位置、N、Q第二位置、Z主方向、S、T振动方向。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
本公开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。
参照图1a、图1b和图2至图4，在该具体实施方式中，该测量系统包括基座1(可以为玻璃材质、硅材质等)、振动体和磁体，振动体包括基准振动体2和待测振动体。待测振动体除具有待测材料膜4以外，与基准振动体2的各个方面均是相同的。
基准振动体2包括振动骨架3、导线5和传感器6，导线5和传感器6安装于振动骨架3。导线5用于产生电磁激振力以激发振动体的特定的振动模态，传感器6与待测振动体和基准振动体2接触，用于测量振动体在电磁激振力的作用下的变形。
磁体产生恒定的磁场，当激发第一振动模态时，磁体包括第一磁铁件71，当激发第二振动模态时，磁体包括第二磁铁件72。导线5通有交变电流，导线5与磁体配合从而起到电磁激励源的作用。在导线5上产生具有特定频率的洛伦兹力(电磁激振力)，可以通过控制交变电流的频率来控制电磁激振力的频率。
第一振动模态和第二振动模态为基准振动体2和待测振动体的第一阶振动模态至第五阶振动模态中的两者。应当理解，振动模态是结构系统的固有振动特性。每一个振动模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
采用非接触式的电磁激振技术对振动体进行激振，简化了激振设备，并能够通过控制电流的频率来方便地控制激振力的频率。
在其他实施方式中，还可以采用其他的激振方式激发振动体。
可以通过以下方式形成基准振动体2：将二维结构安装于具有预拉伸应变量的组装平台，将导线5、传感器6的传感元件61和引线62集成于二维结构，然后释放组装平台使由二维结构和导线5、传感器6的传感元件61和引线62形成的整体屈曲变形。由二维结构形成的三维结构为振动骨架3。
振动骨架3可以由PI(聚酰亚胺)制成，导线5和传感器6的传感元件61、引线62可以由Au(金)制成。
导线5和传感器6的传感元件61、引线62可以形成一个层，这使得基准振动体2的层数最小化，方便对基准振动体2的等效模量的计算(后文详述)。当振动骨架3包括一个层时，基准振动体2形成为双层结构，当振动骨架3包括两个层时，基准振动体2形成为三层结构。
例如，导线5和传感器6的传感元件61、引线62所在层厚度为300nm(纳米)，振动骨架3所的两层的厚度均为2.5μm(微米)，待测材料膜4的厚度为几百纳米。
当基准振动体2形成为三层结构时，振动骨架3的两个层在由导线5和传感器6的传感元件61、引线62形成的一个层的两侧包覆该一个层，从而能够有效地缓解形成导线5和传感器6的金属材料被氧化。
可以通过以下方式形成待测振动体：将形成基准振动体2的二维结构安装于具有预拉伸应变量的组装平台，在二维结构的表面结合与基准振动体2相同的导线5、传感器6的传感元件61和引线62，以及待测材料膜4，然后采用与形成基准振动体2的相同的方式使二维结构、导线5、传感器6的传感元件61和引线62，以及待测材料膜4形成的整体屈曲变形。
上述组装平台可以为硅橡胶基底，当待测振动体和基准振动体2成型完毕后，可以将二者分别安装于基座1。
待测振动体与基准振动体2的区别仅在于，待测振动体结合了一层待测材料膜4。
待测材料膜4可以通过例如转印工艺与振动骨架3形成一体。
待测材料膜4与振动骨架3结合从而能够跟随振动骨架3一同振动。
振动骨架3具有安装于基座1的固定区域31和未安装于基座1的振动区域32，如图5所示，待测材料膜4的形状与振动骨架3的振动区域32的形状可以相同。
二维结构在屈曲变形的过程中沿主方向Z脱离组装平台，然后将组装平台安装于基座1，因而，可以理解，如图1a和图1b所示，主方向Z的定义也适用于基座1。当振动骨架3受激振力作用时，振动区域32能够相对于基座1振动。
振动骨架3可以具有这样的形状：具有互相垂直的第一对称轴3a和第二对称轴3b。振动骨架3可以包括四个固定区域31和一个振动区域32，四个固定区域31围绕振动区域32均匀分布，振动区域32包括一个具有类似圆形的轮廓的中央部和四个腿部，四个腿部连接中央部与四个固定区域31。
传感器6的传感元件61可以设置于振动区域32的靠近固定区域31的部分，比如上述腿部，从而测量振动体的振动敏感区，获得振动体的明显的变形数据。
振动骨架3通过屈曲力学组装形成，即形成为三维屈曲结构，这样，振动骨架3具有良好的多方向和多模态的振动的特性，能够简单地被激发出至少两个振动模态。
当然，也可以通过其他方法形成振动骨架3，只要使得振动骨架3能够受激振力作用而被激发出至少两个振动模态即可。
导线5和传感器6的传感元件61、传感器6的引线62可以通过柔性电子工艺与振动骨架3形成为一体。这样，基准振动体2形成为稳定的整体，在受激振力激发时较易形成稳定的振动模态。相应地，待测振动体也具有上述技术效果。
传感器6的引线62(传感电路)和导线5的端部(激励电路)可以位于振动骨架3的固定区域31，传感器6的引线62和导线5的端部可以连接同一电源。
在振动骨架3上可以安装两个导线5，两个导线5对称的位于第二对称轴3b的两侧，传感器6位于两个导线5之间，每个导线5从第一对称轴3a的一侧延伸至另一侧并关于第一对称轴3a对称，“传感器-导线”组合关于第一对称轴3a对称，从而基准振动体2和待测振动体也具有上述第一对称轴3a和第二对称轴3b。
这样，在两个导线5上产生关于第二对称轴3b和第一对称轴3a对称的电磁激振力，基准振动体2和待测振动体受对称的电磁激振力的作用。
导线5可以为Au带。
导线5还可以由除Au以外的其他金属制成。
振动体还可以具有两个以上的导线5，这些导线5与传感器6参照上述样式布置并使得基准振动体2和待测振动体具有第一对称轴3a和第二对称轴3b。这样，在这些导线5上产生关于第二对称轴3b和第一对称轴3a对称的电磁激振力。
在振动骨架3上可以安装两个传感器6。两个传感器6布置于第二对称轴3b上并关于第一对称轴3a对称。与振动骨架3相同的，基准振动体2和待测振动体也具有上述第二对称轴3b和第一对称轴3a。
待测振动体和基准振动体2均布置成对称样式，这能够容易地被激发出预定的振动模态。
在其他实施方式中，振动骨架可以仅具有第一对称轴3a，偶数个传感器6关于第一对称轴3a对称的布置。
本公开创造性地引入三维结构，借助三维结构的多方向和多模态的振动特性并结合传感器测量技术，拓展现有的动态检测技术，建立基于三维结构的材料的弹性模量和密度的新的测量方法和测量系统，根据三维结构在结合待测材料膜4后的频率的变化来反推出待测材料的弹性模量和厚度，从而快速、便捷、准确地测量材料弹性模量和密度。
该测量方法和测量系统协同地测量材料的弹性模量和密度，避免传统测量装置分开测量材料的弹性模量和密度的复杂性，提高了测量效率。
对称地布置传感器6的方案能够用于验证所激发的振动模态是否满足要求，比如：
如图1a和6a所示，在第一振动模态下，第一磁铁件71位于基座1的在与主方向Z相反的方向上的一侧，振动骨架3和第一磁铁件71分别位于基座1的两侧。第一磁铁件71产生沿主方向Z的磁力线，从而振动体被激发出在主方向Z的两侧摆动的振动模态，图6a中的双箭头S示出了第一振动模态的振动方向。振动骨架3在第一振动模态具有第一位置M和第二位置N。两个传感器6采集的信号幅值相同，但是具有180度的相位差。如果符合该条件，则表示该振动模态符合要求。
如图1b和6b所示，在第二振动模态下，第二磁铁件72包括两个第二磁铁，两个第二磁铁位于振动体的在主方向Z上的两侧，即沿导线5的延伸方向位于导线5的端部的两侧。第二磁铁件72产生垂直于主方向Z的磁力线，从而振动体被激发出在主方向Z上往复振动的振动模态，图6b中的双箭头T示出了第二振动模态的振动方向。振动骨架3在第二振动模态具有第一位置P和第二位置Q。两个传感器6采集的信号幅值相同，二者的相位差为0，即采集的信号完全相同。如果符合该条件，则表示该振动模态符合要求。
在振动骨架3的两侧对称地设置第二磁铁件72，能够获得均匀的磁场，有利于形成均匀的激振力。当然，仅在振动骨架3的一侧设置第二磁铁件72也是可以的。
在振动骨架3上还可以安装多于两个的偶数个传感器6，偶数个传感器6布置于第二对称轴3b上并关于第一对称轴3a对称。
传感器6优选为应变式传感器，应变式传感器测量准确度更高，并且，应变式传感器的电阻应变片可以通过单层结构实现，结构较为简单。
当然，在其他的实施方式中，传感器6还可以为压电式传感器。
可以采用上述测量系统、按照以下测量步骤测量材料的弹性模量和密度。
采用激振力激发基准振动体2和待测振动体以分别具有两个振动模态，
采用传感器测量基准振动体2和待测振动体，从而获得基准振动体2和待测振动体在一个振动模态下的幅频特性曲线，从而获得共振频率f0(I)和f(I)，
采用传感器测量基准振动体2和待测振动体，从而获得基准振动体2和待测振动体在另一个振动模态下的幅频特性曲线，从而获得共振频率f0(II)和f(II)，
测得待测材料膜4的厚度hp和基准振动体2的厚度hBase；
计算得到基准振动体2的等效模量EBase和平均密度ρBase；
联立以下两个方程得出待测材料膜4的弹性模量Ep和密度ρp：
其中，CE和Cρ为与振动骨架3的形状、振动模态、组成材料相关的参数，CE(I)和Cρ(I)对应于一个振动模态，CE(II)和Cρ(II)对应于另一个振动模态。
传感器6的信号输出强度与三维结构的受迫振动振幅有特定的关系，可以通过传感器6的信号输出强度随激振频率的变化规律，获得在特定工况下的共振频率，即依靠传感器6的应变信号反推出传感器6所测量位置的位移信息，建立幅频特性曲线，确定特定模态所对应的频率。
由于待测振动体与基准振动体2的区别仅在于，结合了一层待测材料膜4，因而由基准振动体2和待测振动体的在特定模态下对应的频率可以反推出待测材料的弹性模量和密度。
在该具体实施方式中，一个振动模态可以为上述第一振动模态，另一个振动模态可以为上述第二振动模态，CE(I)＝0.44，Cρ(I)＝0.30；CE(II)＝0.20，Cρ(II)＝0.30。
为方便测量，可以在二维结构屈曲变形之前测量弹性材料膜的厚度hp和基准振动体2的厚度hBase。
基准振动体2的厚度hBase是指基准振动体2的多层结构的总厚度。
以上述三层结构为例，介绍基准振动体2的等效模量EBase、平均密度ρBase和厚度hBase的计算方法。
基准振动体2的厚度hBase为三个层(振动骨架3形成的两个层(第一层、第三层)，导线5、传感器6的传感元件61和引线62形成的一个层(第二层))的厚度之和，即
hBase＝h1+h2+h3，
其中，y1＝h1，
y2＝h1+h2，
y3＝h1+h2+h3，
D1＝E1h1+E2h2+E3h3，
D2＝E1y1 2+E2(y2 2-y1 2)+E3(y3 2-y2 2)，
D3＝E1y1 3+E2(y2 3-y1 3)+E3(y3 3-y2 3)，
h1为第一层的厚度，ρ1为第一层的密度，E1为第一层的弹性模量；h2为第二层的厚度，ρ2为第二层的密度，E2为第二层的弹性模量；h3为第三层的厚度，ρ3为第三层的密度，E3为第三层的弹性模量。
当基准振动体2具有其他数目的层时，基准振动体2的等效模量EBase、平均密度ρBase和厚度hBase的计算方法与以上类似。
下面介绍如何获得CE(I)、Cρ(I)、CE(II)和Cρ(II)。
在有限元分析软件中，采用已知材料膜代替待测材料膜，以相同的试验条件进行模拟，从而计算得到以下参数：
固定(可以在[0,1]内取值，比如取为0.10)变换获得第一振动模态和第二振动模态下的与的关系图，如附图7a。
固定(可以在[0,1]内取值，比如取为0.1)变换获得第一振动模态和第二振动模态下的与的关系图，如附图7b。
对以上关系图进行线性拟合，获得各个直线的斜率，与的在第一振动模态下和第二振动模态下的关系图的斜率为CE(I)和CE(II)；与的在第一振动模态下和第二振动模态下的关系图的斜率为Cρ(I)和Cρ(II)。
当变换振动骨架的形状、振动模态、组成材料时，参数CE(I)、Cρ(I)、CE(II)和Cρ(II)也会变化。
应当理解，当振动体被激发出多于两个的振动模态时，可以选用其中两个振动模态。
采用以上测量系统和测量方法可以测得以下材料的弹性模量和密度：
弹性模量为1Gpa至10GPa的材料，尤其适于测量弹性模量处于4.02Gpa的上下5％范围内的材料。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

Claims (12)

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f0(I)和f0(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f0(I)和f(I)，以及f0(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Ep和密度ρp：
其中，hp为所述待测材料膜(4)的厚度，hBase为所述基准振动体(2)的厚度，EBase为所述基准振动体(2)的等效弹性模量，ρBase为所述基准振动体(2)的平均密度，CE和Cρ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CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。
2.根据权利要求1所述的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，所述振动骨架(3)包括振动区域(32)和固定区域(31)，所述固定区域(31)固定于所述基座(1)，所述振动区域(32)能够相对于所述基座(1)振动，所述传感器(6)测量所述振动区域(32)的靠近所述固定区域(31)的部分的变形。
3.根据权利要求1所述的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，所述测量系统包括磁体，所述基准振动体(2)和所述待测振动体包括相同的导线(5)，所述导线(5)安装于所述振动骨架(3)，所述导线(5)通有交变电流并与所述磁体配合而产生电磁激振力，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态。
4.根据权利要求3所述的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，所述导线(5)、所述传感器(6)的传感元件(61)和引线(62)均与所述振动骨架(3)一体形成，并且，所述传感元件(61)、所述引线(62)和所述导线(5)形成一个层。
5.根据权利要求3所述的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，所述振动骨架(3)和所述待测材料膜(4)具有第二对称轴(3b)，当所述振动骨架(3)处于稳定状态时，所述第二对称轴(3b)与所述第一对称轴(3a)垂直，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均包括至少两个所述导线(5)，所述至少两个导线(5)对称的位于所述第二对称轴(3b)的两侧，所述传感器(6)位于所述至少两个导线(5)之间从而所述基准振动体(2)和所述待测振动体具有所述第一对称轴(3a)和所述第二对称轴(3b)。
6.根据权利要求5所述的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，当激发一个所述振动模态时，所述磁体包括第一磁铁件(71)，所述第一磁铁件(71)位于所述至少两个导线(5)的排布方向的一侧，当激发另一个所述振动模态时，所述磁体包括第二磁铁件(72)，所述第二磁铁件(72)沿所述导线(5)的延伸方向位于所述导线(5)的端部的外侧。
7.根据权利要求6所述的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，所述第二磁铁件(72)包括两个第二磁铁，所述两个第二磁铁沿所述至少两个导线(5)的延伸方向分别位于所述至少两个导线(5)的端部的两侧。
8.根据权利要求1所述的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，所述传感器(6)为应变式传感器。
9.一种基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其采用根据权利要求1至8中任一项所述的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，所述测量方法包括以下步骤：
采用激振力激发所述基准振动体(2)和所述待测振动体以分别具有所述至少两个振动模态，
采用传感器(6)测量所述基准振动体(2)和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体在一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体的共振频率f0(I)和f(I)，
采用传感器(6)测量所述基准振动体(2)和所述待测振动体，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体在另一个所述振动模态下的幅频特性曲线，从而获得所述基准振动体(2)和所述待测振动体的共振频率f0(II)和f(II)，
测得所述待测材料膜(4)的厚度hp和所述基准振动体(2)的厚度hBase；
计算所述基准振动体(2)的等效模量EBase和平均密度ρBase；
联立以下两个方程得出待测材料的弹性模量Ep和密度ρp：
其中，CE和Cρ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CE和Cρ，CE(I)和Cρ(I)为一个所述振动模态下的参数，CE(II)和Cρ(II)为另一个所述振动模态下的参数。
10.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述两个振动模态为第一阶至第五阶振动模态中的两者。
11.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述基准振动体(2)和所述待测振动体包括相同的导线(5)，所述导线(5)安装于所述振动骨架(3)，所述导线(5)通有交变电流并与磁体配合产生电磁激振力，所述基准振动体(2)和所述待测振动体均受所述电磁激振力的作用而被激发出所述至少两个振动模态，所述导线(5)、所述传感器(6)通过柔性电子技术与所述振动骨架(3)形成为一体。
12.根据权利要求9所述的基于三维结构的材料弹性模量和密度的测量方法，其特征在于，所述振动骨架(3)通过将二维结构固定于具有预拉伸应变量的组装平台，然后释放组装平台使所述二维结构屈曲变形而成，在所述振动骨架(3)屈曲变形的过程中，所述二维结构沿主方向(Z)脱离所述组装平台；
在激发一个所述振动模态时，所述基准振动体(2)和所述待测振动体被激发出在所述主方向(Z)的两侧摆动的振动模态；
在激发另一个所述振动模态时，所述基准振动体(2)和所述待测振动体被激发出在所述主方向(Z)上往复振动的振动模态。
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