CN110987595A - 一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置 - Google Patents

一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置。本发明采用压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；设计熔融石英隔热棒的长度，使得熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，通过在不同温度下的导纳曲线得到m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，进而得到弹性模量及其对应的内耗；本发明能够精确测量不同温度下的材料的弹性模量与内耗；本发明装置极其简单，易于制作，测量速度快捷并且测量成本低；本发明具有很强的实用价值，有望进一步推动材料参数测量技术的发展。

Description

一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及材料参数测量技术，具体涉及一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及其测量装置。
背景技术
弹性模量与内耗是材料的基本力学参量。对于各项同性材料，杨氏模量与剪切模量是两个独立的弹性模量。而内耗则分为纵向振动引起的内耗与扭转振动引起的内耗。准确的测量不同温度的下的弹性模量与内耗不仅可以用于结构性能设计，还可以用于材料的相变，损伤等研究。目前能在高低温环境下测量材料弹性模量与内耗的方法主要有：1)动态力学分析法(DMA)，其通过测量材料应力与应变之间的相位差来计算内耗。但对于弱阻尼材料，微小的相位差通常被噪声所掩盖；2)自由梁共振法(ASTM E1875-13)，其测量结果受支撑条件的影响较大。3)电磁声共振法，其仅适用于金属材料，且需要千瓦级的功率源来激励样品。
事实上，利用压电换能器在圆柱样品上激励出纵向振动与扭转振动来测量不同温度下的弹性模量与内耗更为简单与精确。但是，通常情况下换能器在高温与低温环境中无法正常工作，因此在高温和低温环境下激发样品的纵向共振与扭转共振成为了难题。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及其测量装置。
本发明的一个目的在于提出一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置。
本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置包括：压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；其中，压电换能器为纵向振动型压电换能器或扭转振动型压电换能器；被测试件为圆柱形，熔融石英隔热棒以及压电换能器为直径与被测试件的直径相同的圆柱形；熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接压电换能器；压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；被测试件放置在高温炉或低温箱中；在被测试件旁设置热电偶；
高温炉或低温箱使得被测试件处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒阻碍被测试件与压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；
测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000021
时，熔融石英隔热棒粘接纵向振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；纵向振动型压电换能器感应测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000022
测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000023
时，熔融石英隔热棒粘接扭转振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；扭转振动型压电换能器感应测试组件的扭转振动信号，并转化为其内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000024
n和m分别为自然数。
纵向振动型压电换能器为延厚度方向极化的压电圆环，外径为D，内径为d，厚度为h，两个面积为π(D2-d2)/4的上下底面为电极面。
扭转振动型压电换能器包括两个尺寸完全相同的半圆环，外径为D，内径为d，厚度为h；两个半圆环均沿厚度方向极化；两个半圆环的面积为(D-d)h/2的侧面为电极面，两个半圆环的电极面相对，并且极化方向相反，固定粘接在一起组成圆环。
纵向振动型压电换能器和扭转振动型压电换能器的材料采用压电材料；如压电陶瓷。
扭转振动型压电换能器中的两个半圆环的电极面采用导电胶粘接在一起。
本发明的另一个目的在于提出一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的测量方法。
本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的测量方法，包括测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000031
以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000032
一、测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000033
1)测量得到被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接纵向振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与纵向振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；纵向振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)纵向振动型压电换能器接收测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000034
二、测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000035
1)测量得到被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接扭转振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与扭转振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；扭转振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)扭转振动型压电换能器接收测试组件的扭转振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000041
其中，在步骤1)中，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动或扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，包括以下步骤：
a)在常温下，将被测试件直接粘接纵向振动型压电换能器或者扭转型压电换能器；
b)通过阻抗分析仪进行测量，得到常温下被测试件的纵向振动或扭转振动时的导纳曲线，从纵向振动或扭转振动时的导纳曲线中得到一阶纵向振动或扭转振动的谐振峰与反谐振峰对应的频率，即n＝1，从而求得常温下被测试件的杨氏模量EM0与剪切模量GM0：
Figure BDA0002325902780000042
其中，ES、GS和ρS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量、剪切模量和密度；D、d和h分别为压电换能器的外径、内径和厚度；ρM为被测试件的密度，lM为被测试件的长度；
c)常温下，测试件的n阶纵向振动共振频率
Figure BDA0002325902780000051
和扭转振动共振频率
Figure BDA0002325902780000052
分别为：
Figure BDA0002325902780000053
Figure BDA0002325902780000054
d)被测试件处于n阶纵向共振或者扭转振动，使得在常温下的熔融石英隔热棒m阶纵向振动或扭转振动共振频率与被测试件的n阶纵向共振或者扭转振动共振频率一样：
Figure BDA0002325902780000055
Figure BDA0002325902780000056
通过上式分别确定测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000057
时以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000058
时的熔融石英隔热棒的长度lS。
在步骤6)中，根据以下公式计算杨氏模量EM、剪切模量GM、纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000059
和扭转振动对应的内耗
Figure BDA00023259027800000510
Figure BDA00023259027800000511
其中，
Figure BDA00023259027800000512
和
Figure BDA00023259027800000513
分别为纵向振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，而
Figure BDA00023259027800000514
与
Figure BDA00023259027800000515
为扭转振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，ρM是被测试件的密度，ρP是压电换能器的密度,ρS是熔融石英隔热棒的密度，lM是被测试件的长度,lS是被熔融石英隔热棒的长度，ES和GS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量与剪切模量，由于其具有极好的热稳定性，所以它们随温度的改变可以忽略，
Figure BDA0002325902780000061
与
Figure BDA0002325902780000062
为熔融石英隔热棒纵向振动与扭转振动对应的内耗，通常相对于被测试件非常小，因此认为其值为零。
本发明的优点：
本发明能够精确测量不同温度下的材料的弹性模量与内耗；本发明装置极其简单，易于制作，测量速度快捷并且测量成本低；本发明具有很强的实用价值，有望进一步推动材料参数测量技术的发展。
附图说明
图1为本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的一个实施例的示意图；
图2为本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的一个实施例的压电换能器的示意图，其中，(a)为纵向振动型压电换能器的示意图，(b)为扭转振动型压电换能器的示意图；
图3为本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的一个实施例的熔融石英隔热棒长度设计示意图；
图4为根据本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法的一个实施例得到的测试组件的导纳随温度变化的曲线；
图5为根据本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法的一个实施例得到的Fe64Ni36合金弹性模量随温度的变化图；
图6为利用本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法的一个实施得到的Fe64Ni36合金内耗随温度的变化图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置包括：压电换能器1、熔融石英隔热棒2、阻抗分析仪6、热电偶5、高温炉以及低温箱4；其中，压电换能器1为纵向振动型压电换能器或扭转振动型压电换能器；被测试件3为圆柱形，熔融石英隔热棒以及压电换能器为直径与被测试件的直径相同的圆柱形；熔融石英隔热棒2的一端粘接被测试件3，构成测试组件，另一端粘接压电换能器1；压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪6；被测试件3放置在高温炉或低温箱4中；在被测试件旁设置热电偶5。
如图2(a)所示，纵向振动型压电换能器为延厚度方向极化的压电圆环，外径为D，内径为d，厚度为h，两个面积为π(D2-d2)/4的上下底面为电极面。扭转振动型压电换能器包括两个尺寸完全相同的半圆环，外径为D，内径为d，厚度为h；如图2(b)所示，两个半圆环均沿厚度方向极化；两个半圆环的面积为(D-d)h/2的侧面为电极面，两个半圆环的电极面相对，并且极化方向相反，采用导电银胶固定粘接在一起组成圆环。图2中，箭头方向为极化方向。
本实施例的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的测量方法，包括以下步骤：
一、测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000071
1)测量得到被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力7为零，即该粘接面位于应力反节点处，如图3所示，测试组件沿Z方向；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端采用无机陶瓷粘接被测试件，构成测试组件，另一端采用502胶水粘接纵向振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与纵向振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；纵向振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；
4)阻抗分析仪在设定的谐振频率附近的频段内进行扫频；
5)纵向振动型压电换能器接收测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000072
二、测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000073
1)测量得到被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端采用无机陶瓷粘接被测试件，构成测试组件，另一端采用502胶水粘接扭转振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与扭转振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；扭转振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；
4)阻抗分析仪在设定的谐振频率附近的频段内进行扫频；
5)扭转振动型压电换能器接收测试组件的扭转振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure BDA0002325902780000081
Figure BDA0002325902780000082
其中，
Figure BDA0002325902780000083
和
Figure BDA0002325902780000084
分别为纵向振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，而
Figure BDA0002325902780000085
与
Figure BDA0002325902780000086
为扭转振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，ρM是被测试件的密度，ρP是压电换能器的密度,ρS是熔融石英隔热棒的密度，lM是被测试件的长度,lS是被熔融石英隔热棒的长度，ES和GS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量与剪切模量，由于其具有极好的热稳定性，所以它们随温度的改变可以忽略，
Figure BDA0002325902780000091
与
Figure BDA0002325902780000092
为熔融石英隔热棒纵向振动与扭转振动对应的内耗，通常相对于被测试件非常小，因此可以认为其值为零。
为了进一步验证本发明的方法与装置的实用性，利用该方法对Fe64Ni36合金在30℃到500℃进行测试。其中，压电换能器的材料为压电陶瓷PZT-4，尺寸为：内径d＝5mm；外径D＝10mm，厚度h＝2mm，密度ρP＝7500kg/m3。熔融石英隔热棒的长度lS＝75mm，杨氏模量ES＝72Gpa，剪切模量GS＝31Gpa，密度ρS＝2193kg/m3。用于测量杨氏模量与纵向振动对应的内耗的Fe64Ni36合金的长度为60mm；用于测量剪切模量与扭转振动对应的内耗的Fe64Ni36合金的长度为57mm。阻抗分析仪施加的电压幅值为5V。设定n＝m＝1。图4画出了多个不同温度下扭转振动的导纳曲线。将导纳曲线的谐振与反谐振频率带入弹性模量与内耗的计算公式后可以得到Fe64Ni36合金的弹性模量与内耗随温度变的曲线如图5和图6所示。
可以看到，本发明的方法与装置能够精确的测量出不同温度下材料的弹性模量与内耗。
m和n是设定的，虽然公式中有m和n，但弹性模量和内耗的计算结果不受m和n的具体值的影响，因为，不同的m和n只是改变的不同的测试频率，并且这个频率改变的不是很大，另外，弹性模量和内耗随频率变化非常小，所以通常选定一个m和n测试即可。
当然高温下被测试件的弹性模量会变化，应力波节点不能完全通过粘接的节点，但其带来的误差并不是很大(弹性模量变化小于30％，带来的误差小于1％)。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；其中，压电换能器为纵向振动型压电换能器或扭转振动型压电换能器；被测试件为圆柱形，熔融石英隔热棒以及压电换能器为直径与被测试件的直径相同的圆柱形；熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接压电换能器；压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；被测试件放置在高温炉或低温箱中；在被测试件旁设置热电偶；
高温炉或低温箱使得被测试件处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒阻碍被测试件与压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；
测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000011
时，熔融石英隔热棒粘接纵向振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；纵向振动型压电换能器感应测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000012
测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000013
时，熔融石英隔热棒粘接扭转振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；扭转振动型压电换能器感应测试组件的扭转振动信号，并转化为其内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000021
n和m分别为自然数。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述纵向振动型压电换能器为延厚度方向极化的压电圆环，外径为D，内径为d，厚度为h，两个面积为π(D2-d2)/4的上下底面为电极面。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述扭转振动型压电换能器包括两个尺寸完全相同的半圆环，外径为D，内径为d，厚度为h；两个半圆环均沿厚度方向极化；两个半圆环的面积为(D-d)h/2的侧面为电极面，两个半圆环的电极面相对，并且极化方向相反，固定粘接在一起组成圆环。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述纵向振动型压电换能器和扭转振动型压电换能器的材料采用压电材料。
5.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述扭转振动型压电换能器中的两个半圆环的电极面采用导电胶粘接在一起。
6.一种如权利要求1所述的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000022
以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000023
一、测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000024
1)测量得到被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接纵向振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与纵向振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；纵向振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)纵向振动型压电换能器接收测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000031
二、测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000032
1)测量得到被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，根据被测试件在常温下的n阶扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶扭转振动共振频率与被测试件的n阶扭转振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶扭转共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；
2)将被测试件放置在高温炉或低温箱，使其处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接扭转振动型压电换能器；熔融石英隔热棒阻碍被测试件与扭转振动型压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；扭转振动型压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；
3)阻抗分析仪施加电压信号至扭转振动型压电换能器，扭转振动型压电换能器将电压信号转化为扭转机械振动，带动测试组件扭转振动；
4)阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；
5)扭转振动型压电换能器接收测试组件的扭转振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；
6)阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的扭转振动时的导纳曲线，从扭转振动时的导纳曲线中得到扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据扭转振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000041
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在步骤1)中，根据被测试件在常温下的n阶纵向振动或扭转振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，包括以下步骤：
a)在常温下，将被测试件直接粘接纵向振动型压电换能器或者扭转型压电换能器；
b)通过阻抗分析仪进行测量，得到常温下被测试件的纵向振动或扭转振动时的导纳曲线，从纵向振动或扭转振动时的导纳曲线中得到一阶纵向振动或扭转振动的谐振峰与反谐振峰对应的频率，即n＝1，从而求得常温下被测试件的杨氏模量EM0与剪切模量GM0：
Figure FDA0002325902770000042
其中，ES、GS和ρS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量、剪切模量和密度；D、d和h分别为压电换能器的外径、内径和厚度；ρM为被测试件的密度，lM为被测试件的长度；
c)常温下，测试件的n阶纵向振动共振频率
Figure FDA0002325902770000043
和扭转振动共振频率
Figure FDA0002325902770000044
分别为：
Figure FDA0002325902770000045
Figure FDA0002325902770000046
d)被测试件处于n阶纵向共振或者扭转振动，使得在常温下的熔融石英隔热棒m阶纵向振动或扭转振动共振频率与被测试件的n阶纵向共振或者扭转振动共振频率一样：
Figure FDA0002325902770000047
Figure FDA0002325902770000048
通过上式分别确定测量杨氏模量EM和纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000049
时以及测量剪切模量GM和扭转振动对应的内耗
Figure FDA00023259027700000410
时的熔融石英隔热棒的长度lS。
8.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在步骤6)中，根据以下公式计算杨氏模量EM、剪切模量GM、纵向振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000051
和扭转振动对应的内耗
Figure FDA0002325902770000052
Figure FDA0002325902770000053
其中，
Figure FDA0002325902770000054
和
Figure FDA0002325902770000055
分别为纵向振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，而
Figure FDA0002325902770000056
与
Figure FDA0002325902770000057
为扭转振动时的导纳曲线的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，ρM是被测试件的密度，ρP是压电换能器的密度,ρS是熔融石英隔热棒的密度，lM是被测试件的长度,lS是被熔融石英隔热棒的长度，ES和GS分别为熔融石英隔热棒的杨氏模量与剪切模量。
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