CN111122320A - 材料动态测量方法和轴向振动测量系统 - Google Patents

材料动态测量方法和轴向振动测量系统 Download PDF

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CN111122320A CN201911324552.7A CN201911324552A CN111122320A CN 111122320 A CN111122320 A CN 111122320A CN 201911324552 A CN201911324552 A CN 201911324552A CN 111122320 A CN111122320 A CN 111122320A
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Abstract

本申请提供一种材料动态测量方法和轴向振动测量系统，可以用于消除材料动态拉伸试验中振铃效应，利用单一模态振动传感器和测量电路，使得测量信号仅含有单一模态轴向振动信号，并通过单自由度振动系统模型推导出真实信号求解方程。此时，仅需要控制整个系统振动模态，而对振动频率本身没有太多要求，克服了传统方法由于固有频率提升有限，无法用于更高应变率试验的问题。并且，测量信号中单一的振动成分为数据，为消除振铃效应提供便利。根据求解方程，可以较为准确的恢复真实信号，不会造成明显信息丢失。

Description

材料动态测量方法和轴向振动测量系统
技术领域
本申请涉及应变率材料技术领域，特别是涉及一种材料动态测量方法和轴向振动测量系统。
背景技术
材料拉伸过程中，在中高应变率下，加载载荷会引起振动，这些振动可能是轴向振动也可能是弯曲振动。多种振动形式叠加的振动信号被传感器记录，进而在输出曲线上出现许多振荡，称之为振铃效应。在此过程中，一般认为传感器在试验中的全结构变形为弹性，并使应变片产生弹性变形，进而产生线性的电阻变化与试件载荷关系，通过合适的电桥设计可以得到线性的输出电信号与截面力关系，而振铃效应会破坏这种线性关系。
然而，传统的材料动态测量方法中，通常提高系统固有频率或增加系统的阻尼比抑制振铃效应，将振铃效应对测量信号的影响限制在可接受的范围内。但是由于实际测量系统与简化模型之间存在一定差距，传统的材料动态测量方法只能给出大致优化指导，对固有频率的提升是有限的，无法适用于较高应变率工况测量工作，从而使得传统的材料动态测量方法泛用性差。
发明内容
基于此，有必要针对传统的材料动态测量方法泛用性差的问题，提供一种材料动态测量方法和轴向振动测量系统。
本申请提供一种材料动态测量方法，包括：
S110，提供轴向振动测量系统，所述轴向振动测量系统包括传感器，所述传感器包括待测件固定部、夹持部、应变片固定位以及多个应变片，所述待测件固定部具有中心对称轴，所述夹持部垂直固定于所述待测件固定部一表面的中心，所述夹持部的轴线通过所述中心对称轴，所述应变片固定位位于所述夹持部靠近所述待测件固定部的一端，所述待测件固定部用以固定待测件，所述多个应变片中每两个所述应变片设置于所述应变片固定位相对表面位置，并一一相对设置；
S120，将所述轴向振动测量系统中所述待测件固定部等效为质量块，将所述夹持部等效为阻尼和弹簧，所述质量块、所述阻尼和所述弹簧形成单自由度振动模型；
S130，根据牛顿第二定律获得所述单自由度振动模型的受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)，其中x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移，F(t)为所述传感器受到的轴向拉力，m为所述轴向振动测量系统等效质量、c为所述轴向振动测量系统的等效阻尼、k为所述轴向振动测量系统等效弹性系数；
S140，将测量信号与所述轴向振动测量系统等效位移的线性关系式x(t)＝pV(t)代入所述受迫振动微分方程中，并根据阻尼比和固有频率，获得解析方程
Figure BDA0002328029730000021
其中，p为常数，ω0为所述单自由度振动模型的无阻尼固有振动角频率，ξ为所述单自由度振动模型的阻尼比，V(t)为所述测量信号，Vr(t)为真实信号；
S150，当所述待测件断裂后，根据所述解析方程，获得尾波自由振动微分方程
Figure BDA0002328029730000022
对所述获得尾波自由振动微分方程求解并增加零飘项B，获得所述应变片的尾波信号
Figure BDA0002328029730000023
其中，尾波振幅A、所述零飘项B、所述阻尼比ξ、所述无阻尼固有振动角频率ω0、进入尾波时间t0均为常数。
本申请提供一种上述材料动态测量方法和轴向振动测量系统。通过所述S110中，所述轴向振动测量系统振动为单一模态，能够使得所述测量信号的振动成分相对单一，进而可以通过解析恢复真实信号。并且，通过所述S150中，对所述待测件断裂后的尾波的自由振动微分方程进行求解，使用尾波解析中的物理特性参数A、B、ξ、ω0以及t0获得所述测量信号，进而可以从所述测量信号中恢复真实信号。因此，通过所述材料动态测量方法控制所述轴向振动测量系统振动成分尽量单一，对所述轴向振动测量系统等效的所述单自由度振动模型的固有频率并无严格限制，进而可以适用于较高应变率下的材料拉伸试验，从而提高了泛用性。
附图说明
图1为本申请提供的轴向振动测量系统的结构示意图；
图2为本申请提供的测量信号、尾波信号、真是信号的图形示意图；
图3为本申请提供的传感器立体图；
图4为本申请提供的传感器实物图；
图5为本申请提供的单自由度振动模型示意图；
图6为本申请提供的半桥电路的结构示意图。
附图标记说明
传感器10、待测件固定部100、固定通孔110、开口120、中心对称轴130、夹持部200、应变片固定位300、加强梁400、待测件500、轴向振动测量系统600、应变片610、中心对称轴130、质量块710、阻尼720、弹簧730、单自由度振动模型700。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1-6，本申请提供一种材料动态测量方法，包括：
S110，提供轴向振动测量系统600，所述轴向振动测量系统600包括传感器10，所述传感器10包括待测件固定部100、夹持部200、应变片固定位300以及多个应变片610，所述待测件固定部100具有中心对称轴130，所述夹持部200垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心，所述夹持部200的轴线通过所述中心对称轴130，所述应变片固定位300位于所述夹持部200靠近所述待测件固定部100的一端，所述待测件固定部100用以固定待测件500，所述多个应变片610中每两个所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对表面位置，并一一相对设置；
S120，将所述轴向振动测量系统600中所述待测件固定部100等效为质量块710，将所述夹持部200等效为阻尼720和弹簧730，所述质量块710、所述阻尼720和所述弹簧730形成单自由度振动模型700；
S130，根据牛顿第二定律获得所述单自由度振动模型700的受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)(公式1)，其中x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移，F(t)为所述传感器10受到的轴向拉力，m为所述轴向振动测量系统600等效质量、c为所述轴向振动测量系统600的等效阻尼、k为所述轴向振动测量系统600等效弹性系数；
S140，将测量信号与所述轴向振动测量系统等效位移的线性关系式x(t)＝pV(t)(公式2)代入所述受迫振动微分方程中，并根据阻尼比和固有频率，获得解析方程
Figure BDA0002328029730000051
其中，p为常数，ω0为所述单自由度振动模型700的无阻尼固有振动角频率，ξ为所述单自由度振动模型700的阻尼比，V(t)为所述测量信号，Vr(t)为真实信号；
S150，当所述待测件500断裂后，根据所述解析方程，获得尾波自由振动微分方程
Figure BDA0002328029730000052
(公式4)，对所述尾波自由振动微分方程求解并增加零飘项B，获得尾波信号
Figure BDA0002328029730000053
其中，尾波振幅A、所述零飘项B、所述阻尼比ξ、所述无阻尼固有振动角频率ω0、进入尾波时间t0均为常数。
本实施例中，请参见图2，图2中粗实线对应真实信号，细实线对应包含有振铃效应的测量信号，虚线框中对应的是尾波信号。尾波信号为所述待测件500(试件)断裂后，传感器中测量得到的电信号。测量信号为通过传感器直接测量得到的电压-时间信号。真实信号为测量信号通过一定数据处理得到的不包含振铃效应的信号。
在所述步骤S110中，所述夹持部200远离所述测件固定部100一端连接试验机的静端。试验机相当于刚性边界条件，将所述传感器10与试验机固定连接以后可以消除惯性力的影响。所述待测件固定部100远离所述夹持部200一端用以固定待测件500。所述传感器10作为所述待测件500(试件)和所述试验机的连接件，可以对中高应变率材料做拉伸试验。
通过将所述多个应变片610中每两个所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对表面位置，并一一相对设置。此时，一对所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对的两个表面，且一一相对设置。
由于当所述待测件500(试件)与所述传感器10断开连接后，处于自由振动状态，此时测量得到电信号除轴向加载外，会存在系统偏心、摩擦等多种因素造成的弯矩，引发横向振动。此时，所述应变片610直接测量对象是被粘贴位置的应变，拉伸变形时为正值，压缩变形时为负值。其中，所述应变片固定位300为测量段，当横向振动时，测量段前后相对的两面一表面受拉，一表面受压。通过一对所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对的前后两个表面，且一一相对设置，两个所述应变片610测量得到的信号大小接近相等，符号相反，使得测量段前后相对的两面的信号相加即能够消除横向振动的影响。从而，通过所述应变片610使得测量信号能够保持单一振动成分，消除了尾波信号中横向振动成分。此时，所述传感器10为单模态振动传感器。
因此，通过所述轴向振动测量系统600可以消除试验测量过程中的横向振动成分。所述轴向振动测量系统600仅具有轴向振动的成分被采集，在材料动态拉伸试验加载过程中，所述待测件500(试件)和所述传感器10始终处于单向受拉状态，能够较好的保持轴向单一模态振动，进而使得测量信号的有用信号段振动成分基本只含有轴向振动。当所述待测件500(试件)与所述传感器10断开连接后，处于自由振动状态，能够保持预定的轴向单一模态。
在所述S110中，将所述轴向振动测量系统600用于动态测量时应力波达到稳定阶段。在中高应变率试验中，应变率通常小于103s-1。
在所述S120中，所述待测件固定部100刚度足够大，所述夹持部200在测量过程中始终处于弹性阶段。所述待测件固定部100为刚体，所述夹持部200为变形体，可以近似单自由度振动。此时，可以将所述待测件固定部100转换为质量块710，将所述夹持部200等效为阻尼720和弹簧730，将所述轴向振动测量系统600转换为所述单自由度振动模型700。
在所述S130中，F(t)(请参见图1)为所述传感器10受到的轴向拉力。x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移。m为所述轴向振动测量系统600等效为所述单自由度振动模型700时，对应的等效质量。c为所述轴向振动测量系统600等效为所述单自由度振动模型700时，对应的等效阻尼。k为所述轴向振动测量系统600等效为所述单自由度振动模型700时，对应的等效弹性系数。其中，m、c、k为所述单自由度振动模型700中的参数。
在所述S140中，由于所述600仅具有轴向振动，且所述应变片610粘贴部位一直处于弹性状态。此时，所述测量信号与所述轴向振动测量系统等效位移(其变形)之间呈线性关系x(t)＝pV(t)。在准静态情况下，根据胡克定律，F0＝kx0＝kpV0。设置kp＝q，q的值可以通过准静态试验标定得到。此时，将x(t)＝pV(t)，代入公式1，获得
Figure BDA0002328029730000071
Figure BDA0002328029730000072
将公式7改写为阻尼比和固有频率形式，获得所述解析方程公式3。其中，根据
Figure BDA0002328029730000073
和
Figure BDA0002328029730000074
可以获得所述单自由度振动模型700的无阻尼固有振动角频率ω0，所述单自由度振动模型700的阻尼比ξ。
在所述S150中，当所述待测件500断裂后，所述解析方程公式3转换为所述尾波自由振动微分方程，即公式4。对所述尾波自由振动微分方程求解并增加零飘项B，获得所述尾波信号
Figure BDA0002328029730000075
其中，所述尾波信号可以理解为所述尾波自由振动微分方程
Figure BDA0002328029730000076
中的一个特解。其中，尾波振幅A、所述零飘项B、所述阻尼比ξ、所述无阻尼固有振动角频率ω0、进入尾波时间t0均为常数。
通过所述S110中，所述轴向振动测量系统600振动为单一模态，能够所述测量信号的振动成分相对单一，进而可以通过解析恢复真实信号。并且，通过所述S150中，对所述待测件500断裂后的尾波的自由振动微分方程进行求解，使用尾波解析中的物理特性参数A、B、ξ、ω0以及t0获得所述测量信号，进而可以从所述测量信号中恢复真实信号。因此，通过所述材料动态测量方法控制所述轴向振动测量系统600振动成分尽量单一，对所述轴向振动测量系统600等效的所述单自由度振动模型700的固有频率并无严格限制，进而可以适用于较高应变率下的材料拉伸试验，从而提高了泛用性。
在一个实施例中，所述材料动态测量方法还包括：
S160，预设所述尾波信号
Figure BDA0002328029730000081
中A、B、ξ、ω0、t0参数中任意三个参数，对剩余两个参数进行优化，直至A、B、ξ、ω0、t0参数中所有参数至少优化一次，获得优化后的参数A优、B优、ξ优、ω0优、t0优；
S170，根据优化后获得的参数ξ优与ω0优，并带入所述尾波自由振动微分方程
Figure BDA0002328029730000082
(公式8)，获得所述测量信号V(t)。
其中，根据S160和S170获得所述测量信号V(t)后，可以通过进行人工验证，判断参数所生成的曲线对实验数据的拟合有效性。在所述S160中，所述轴向振动测量系统600等效的所述单自由度振动模型700中通常阻尼比较低，可以将公式5中
Figure BDA0002328029730000083
的
Figure BDA0002328029730000084
忽略简化，为
Figure BDA0002328029730000085
此时，由于所述传感器10满足单一模态振动要求，因此所述S150中获得的尾波自由振动微分方程符合公式9的方程。所以，通过公式9方程中的参数可以直接用尾波数据进行拟合。A、B、ξ、ω0、t0为五参数拟合，选择合适的初值能够简化后期优化过程。
本实施例中，A初值可以选取尾波的最大振幅，B初值可以选取取尾波振幅的均值，t0为进入尾波信号并达到第一个信号零点的时刻。因为尾波主要是单一成分振动，故直接对尾波做频谱分析，非直流分量中最大峰值对应的频率作为ω0的初值。利用单自由度振动系统的衰减振动公式，可由
Figure BDA0002328029730000086
计算。其中，N是周期数，ρ是N个周期前后的幅值比。通过对A、B、ξ、ω0、t0五参数选定初值后，每次固定三个参数，并在允许一定范围内对另外剩余两个参数进行优化。并不断循环，直至A、B、ξ、ω0、t0所有参数都被至少优化一次，即可得到精度足够的所述轴向振动测量系统600参数。
此时，根据优化后获得的参数ξ优与ω0优，并带入所述尾波自由振动微分方程
Figure BDA0002328029730000091
获得所述测量信号V(t)。
在一个实施例中，所述材料动态测量方法还包括：
S180，根据所述测量信号V(t)、所述无阻尼固有振动角频率ω0优以及所述阻尼比ξ优，带入所述解析方程
Figure BDA0002328029730000092
求解，获得所述真实信号Vr(t)。
本实施例中，根据所述测量信号V(t)、所述无阻尼固有振动角频率ω0优以及所述阻尼比ξ优，代入所述解析方程
Figure BDA0002328029730000093
中，通过高精度的系统参数ω0优、ξ优以及所述测量信号V(t)，可以获得所述真实信号Vr(t)，使得所述真实信号Vr(t)更加精确。
在一个实施例中，在所述S180中，通过中心差分法，对所述解析方程
Figure BDA0002328029730000094
进行离散数据计算，获得所述真实信号Vr(t)。
本实施例中，通过中心差分法对所述解析方程
Figure BDA0002328029730000095
的微分方程进行近似数值解法。本实施例中采用所述测量信号V(t)、高精度的系统参数ω0优、ξ优，使得信号稳定性更优，采用所述测量信号稳定性作为判据，可以恢复效果比较好的信号，进而获得比较稳定的所述真实信号Vr(t)。
在一个实施例中，在所述S180中，通过傅里叶展开法或Tikhonov法，对所述解析方程
Figure BDA0002328029730000096
进行求解，获得所述真实信号Vr(t)。
本实施例中，通过傅里叶展开法或Tikhonov法等更加稳定的差分方法，可以提高差分算法对噪声干扰的稳定性，获得更好的结果。
同时，可以通过重复上述步骤进行二次滤波，提高噪声的过滤效果，以获得较好的平滑结果。
因此，通过所述材料动态测量方法，可以用于消除材料动态拉伸试验中振铃效应，利用单一模态振动传感器和测量电路，使得测量信号仅含有单一模态轴向振动信号，并通过单自由度振动系统模型推导出真实信号求解方程。此时，通过所述材料动态测量方法仅需要控制整个系统振动模态，而对振动频率本身没有太多要求，克服了传统方法由于固有频率提升有限，无法用于更高应变率试验的问题。并且，测量信号中单一的振动成分为数据，为消除振铃效应提供便利。根据上述求解方程，可以较为准确的恢复真实信号，不会造成明显信息丢失。
在一个实施例中，本申请提供一种材料动态测量方法，包括：
S210，提供轴向振动测量系统600，所述轴向振动测量系统600具有轴向振动，所述轴向振动测量系统600包括传感器10，所述传感器10包括待测件固定部100、夹持部200、应变片固定位300以及多个应变片610，所述待测件固定部100具有中心对称轴130，所述夹持部200垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心，所述夹持部200的轴线通过所述中心对称轴130，所述应变片固定位300位于所述夹持部200靠近所述待测件固定部100的一端，所述待测件固定部100用以固定待测件500，所述多个应变片610中每两个所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对表面位置，并一一相对设置；
S220，将所述轴向振动测量系统600中所述待测件固定部100等效为质量块710，将所述夹持部200等效为阻尼720和弹簧730，所述质量块710、所述阻尼720和所述弹簧730形成单自由度振动模型700；
S230，对所述待测件500进行沿所述中心对称轴130方向的拉伸，根据牛顿第二定律获得所述单自由度振动模型700的受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)，其中x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移，F(t)为所述传感器10受到的轴向拉力，m为所述轴向振动测量系统600等效质量、c为所述轴向振动测量系统600的等效阻尼、k为所述轴向振动测量系统600等效弹性系数；
S240，将所述受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)改写变型，获得变型受迫振动微分方程
Figure BDA0002328029730000111
S250，根据所述变型受迫振动微分方程，获得经过时间预测步长Δt状态后的所述轴向振动测量系统等效位移x(t)的递推表达式
Figure BDA0002328029730000112
其中，ω0为所述单自由度振动模型700的无阻尼固有振动角频率，ξ为所述单自由度振动模型700的阻尼比，C1与C2为系数；
S260，对所述轴向振动测量系统等效位移x(t)的递推表达式进行泰勒展开并保留二阶项，获得泰勒展开的x(t+Δt)
Figure BDA0002328029730000113
S270，当所述待测件500断裂后，根据所述泰勒展开的x(t+Δt)获得自由振动泰勒展开的
Figure BDA0002328029730000114
Figure BDA0002328029730000115
S280，根据所述泰勒展开的x(t+Δt)与所述自由振动泰勒展开的
Figure BDA0002328029730000116
获得经过所述时间预测步长Δt状态后的所述轴向拉力F(t)的表达式
Figure BDA0002328029730000117
S290，将经过所述时间预测步长Δt状态后的所述轴向拉力F(t+Δt)转换为电压信号，获得经过所述时间预测步长Δt状态后的真实信号Vr(t)
Figure BDA0002328029730000118
在所述步骤S250中，取t时刻状态作为初始条件，计算Δt后的状态，得到即x(t)的递推表达式为，即为公式12。
其中，
Figure BDA0002328029730000121
将所述S260和S270中的公式13和公式14联立，求解获得公式15。
其中，
Figure BDA0002328029730000122
对应测量信号中自由振动部分，x对应测量信号中受迫振动部分，固有频率和阻尼比同样由尾波信号拟合得到。假设从加载过程中某一时刻t开始，载荷突然变为零进入自由振动状态，由自由振动递推表达式，可以求出在自由振动情况下t+Δt时刻的信号。实际从t到t+Δt并非处于自由振动状态，而是加载状态，t+Δt时刻受迫振动的信号已知测量，将二者带入上式可以求出此时对应的真实力。
本实施例中，通过所述S240至所述S290的材料动态测量方法，不牵涉到二阶导数项，对噪声的敏感程度大大降低，因而该方法鲁棒性好。
从上述公式可以看出，针对同种信号随着时间预测步长Δt的增加会因为信息丢失出现幅值下降现象，但是不增加时间预测步长Δt又会导致系统高阶响应被严重放大使信号失真。因此，需要对时间预测步长Δt进行选择。但是，时间预测步长Δt若选择离散数据的最小时间长度，则会导致高频振荡被数值不稳定的Δt2分母项所放大，导致系统高阶信号被放大，信号失真。时间预测步长Δt若增加，则会导致信号幅值衰减，信号失真。
因此，在一个实施例中，通过步骤S300～S330进行修正，以恢复为原来的真实信号。所述材料动态测量方法还包括：
S300，获取所述时间预测步长Δt对应的离散数据点数n，所述轴向振动测量系统600的振动角频率ω以及采样频率λ；
S310，根据所述离散数据点数n、所述振动角频率ω以及所述采样频率λ，获得随周期变化的归一化系数z
Figure BDA0002328029730000123
S320，根据所述归一化系数z，获得修正系数g：
g＝1.00677-0.2879z+10.32392z2-50.85407z3+186.72183z4-306.85172z5+218.53269z6；
S330，根据所述修正系数g，获得修正后的所述真实信号gVr(t)。
在所述S310中，由于不同的条件对应的周期不一致，所以设定随周期变化的归一化系数z，根据实际情况进行设定。所述振动角频率ω为所述轴向振动测量系统600等效为所述单自由度振动模型700时对应的角频率。从公式17可以看出z为预测长度和一个周期长度的比值。
根据公式16，当Δt趋近于0时，可以获知真实信号Vr(t)。但由于
Figure BDA0002328029730000131
形式，当Δt＝0时，趋近于无穷，需将Δt赋予趋近于0得数值，避免无穷情况。同时，由于随着时间预测步长Δt的增加会因为信息丢失出现处理后信号幅值下降的现象。时间预测步长Δt若选择离散数据的最小时间长度，则会导致高频振荡被数值不稳定的Δt2分母项所放大，导致系统高阶信号被放大，信号失真。
因此，通过所述S300至所述S310，对所述经过所述时间预测步长Δt状态后的真实信号Vr(t)进行修正，不仅解决了随着时间预测步长Δt的增加导致的信息丢失出现幅值下降的问题，而且解决了Δt选择离散数据的最小时间长度时导致的系统高阶信号被放大，信号失真的问题。。从而，通过所述S300至所述S310，对真实信号Vr(t)进行修正，以获得更加精确地信号。
在一个实施例中，在所述S310中，所述归一化系数z小于等于0.5。
本实施例中，由于实际应用中，预测步长越大，原始信号将被更多的平滑，同时造成一定程度的大斜率信号失真，所以需要根据实际信号特点进行信号处理，尽量在产生可接受信号光滑程度的情况下选择较小的预测步长。且选择步长不应大于半个周期的步长，即z不大于0.5。
在一个实施例中，将得到的真实信号与直接粘贴在固定待测件500(试件)上的传感器得到的参考信号进行比对，二者相似度(可以但不限于用拟合优度R2衡量)。若进行对比后，大于一定阈值即认为该方法可以用于进一步正式试验，否则重新开始所述材料动态测量方法，选择更好的传感器。
根据上述多个实施例，通过所述材料动态测量方法，可以用于消除材料动态拉伸试验中振铃效应，利用单一模态振动传感器和测量电路，使得测量信号仅含有单一模态轴向振动信号，并通过单自由度振动系统模型推导出真实信号求解方程。此时，通过所述材料动态测量方法仅需要控制整个系统振动模态，而对振动频率本身没有太多要求，克服了传统方法由于固有频率提升有限，无法用于更高应变率试验的问题。并且，测量信号中单一的振动成分为数据，为消除振铃效应提供便利。根据上述求解方程，可以较为准确的恢复真实信号，不会造成明显信息丢失。
请参见图1-3，在一个实施例中，本申请提供一种轴向振动测量系统600。所述轴向振动测量系统600包括传感器10。所述传感器10包括待测件固定部100、夹持部200、应变片固定位300以及多个应变片610。所述待测件固定部100具有中心对称轴130。所述夹持部200垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心。所述夹持部200的轴线通过所述中心对称轴130。所述应变片固定位300位于所述夹持部200靠近所述待测件固定部100的一端。所述待测件固定部100用以固定待测件500。所述多个应变片610设置于所述应变片固定位300。每两个所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对表面位置，并一一相对设置。
所述夹持部200远离所述测件固定部100一端连接试验机的静端。试验机相当于刚性边界条件，将所述传感器10与试验机固定连接以后可以消除惯性力的影响。所述待测件固定部100远离所述夹持部200一端用以固定待测件500。所述传感器10作为所述待测件500(试件)和所述试验机的连接件，可以对中高应变率材料做拉伸试验。
通过将所述多个应变片610中每两个所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对表面位置，并一一相对设置。此时，一对所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对的两个表面，且一一相对设置。
由于当所述待测件500(试件)与所述传感器10断开连接后，处于自由振动状态，此时测量得到电信号除轴向加载外，会存在系统偏心、摩擦等多种因素造成的弯矩，引发横向振动。此时，所述应变片610直接测量对象是被粘贴位置的应变，拉伸变形时为正值，压缩变形时为负值。其中，所述应变片固定位300为测量段，当横向振动时，测量段前后相对的两面一表面受拉，一表面受压。通过一对所述应变片610设置于所述应变片固定位300相对的前后两个表面，且一一相对设置，两个所述应变片610测量得到的信号大小接近相等，符号相反，使得测量段前后相对的两面的信号相加即能够消除横向振动的影响。从而，通过所述应变片610使得测量信号能够保持单一振动成分，消除了尾波信号中横向振动成分。此时，所述传感器10为单模态振动传感器。
因此，通过所述轴向振动测量系统600可以消除试验测量过程中的横向振动成分。所述轴向振动测量系统600仅具有轴向振动，在材料动态拉伸试验加载过程中，所述待测件500(试件)和所述传感器10始终处于单向受拉状态，能够较好的保持轴向单一模态振动，进而使得测量信号的有用信号段振动成分基本只含有轴向振动。当所述待测件500(试件)与所述传感器10断开连接后，处于自由振动状态，能够保持预定的轴向单一模态。
请参见图2，在一个实施例中，所述应变片固定位300具有第一表面310以及与所述第一表面310相对的第二表面320。设置于所述第一表面310的所述应变片610和设置于所述第二表面320的所述应变片610一一相对设置。
其中，所述多个应变片610直接测量对象是被粘贴位置的应变，拉伸变形时为正值，压缩变形时为负值。横向振动时测量段的前后两面，一边受拉，一边受压，通过设置所述多个应变片610和选择合适电桥电路，将两边信号相加即能够消除横向振动的影响。本实施例中，包括四个所述应变片610。两个所述应变片610设置于所述第一表面310，两个所述应变片610设置于所述第二表面320。并且，所述第一表面310上的一个所述应变片610和所述第二表面320上的一个所述应变片610相对应设置。其中，四个所述应变片610可以任意调换位置，但是相对接线方式需要保持不变。
请参见图5，所述轴向振动测量系统600还包括测量电路620。所述测量电路620包括第一辅助电阻621与第二辅助电阻622。所述第一辅助电阻621与所述第二辅助电阻622并联连接。设置于所述第一表面310的所述应变片610与所述第一辅助电阻621串联连接。设置于所述第二表面320的所述应变片610与所述第二辅助电阻622串联连接。所述多个应变片610的等效电阻阻值相同。所述第一辅助电阻621的电阻阻值为所述应变片610等效电阻阻值的2倍。所述第二辅助电阻622与所述第一辅助电阻621的电阻阻值相同。
其中，四个所述应变片610对应的电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R，辅助电阻Ra＝2R。由惠斯通电桥公式，图5所示半桥电路的输出电压为：
Figure BDA0002328029730000161
一个所述应变片610(等效为图5中R3)，粘贴在一个所述应变片610(等效为图5中R1)的对面。一个所述应变片610(等效为图5中R2)，粘贴在一个所述应变片610(等效为图5中R4)的对面。此时，相对设置的两个所述应变片610，二者测量得到的信号大小接近相等，符号相反。带入电桥公式，得到的测量信号基本不包含横向振动成分，使得测量信号能够保持单一振动成分。
请参见图2，在一个实施例中，所述待测件固定部100具有中心对称轴130。所述夹持部200长度的延伸方向通过所述中心对称轴130。所述待测件固定部100设置有固定通孔110和与所述固定通孔110连通的开口120。所述固定通孔110和所述开口120关于所述中心对称轴130对称设置。所述固定通孔110的轴线与所述中心对称轴130垂直设置。所述待测件500通过所述开口120于所述固定通孔110中。
所述待测件固定部100可以为中心轴对称结构。所述夹持部200的轴线在所述中心对称轴130的延长线上。所述固定通孔110可以用于固定所述待测件500。因此，所述传感器10具有良好的对称性。所述开口120沿着所述固定通孔110的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部100。
所述待测件500的一端可以固定于所述固定通孔110中，所述待测件500的另一端通过所述开口120向远离所述固定通孔110的一端延伸。通过拉伸所述待测件500的另一端可以对待测件500进行拉伸测试。
按照图1所示安装好所有固定待测件500(试件)和所述应变传感器10，四个所述应变片610连接至半桥电路的相应位置，固定待测件500(试件)安装在所述固定通孔110中。对于所述轴向振动测量系统600来说，试验机相当于刚性边界条件，将所述应变传感器10与其固连之后可以消除惯性力的影响。在所述轴向振动测量系统600中，所述应变传感器10仅受轴向拉力，如图中F(t)所示。
通过所述轴向振动测量系统600可以消除试验测量过程中的横向振动成分。所述轴向振动测量系统600仅具有轴向振动，在材料动态拉伸试验加载过程中，所述待测件500(试件)和所述传感器10始终处于单向受拉状态，能够较好的保持轴向单一模态振动，进而使得测量信号的有用信号段振动成分基本只含有轴向振动。当所述待测件500(试件)与所述传感器10断开连接后，处于自由振动状态，能够保持预定的轴向单一模态。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种材料动态测量方法，其特征在于，包括：
S110，提供轴向振动测量系统(600)，所述轴向振动测量系统(600)包括传感器(10)，所述传感器(10)包括待测件固定部(100)、夹持部(200)、应变片固定位(300)以及多个应变片(610)，所述待测件固定部(100)具有中心对称轴(130)，所述夹持部(200)垂直固定于所述待测件固定部(100)一表面的中心，所述夹持部(200)的轴线通过所述中心对称轴(130)，所述应变片固定位(300)位于所述夹持部(200)靠近所述待测件固定部(100)的一端，所述待测件固定部(100)用以固定待测件(500)，所述多个应变片(610)中每两个所述应变片(610)设置于所述应变片固定位(300)相对表面位置，并一一相对设置；
S120，将所述轴向振动测量系统(600)中所述待测件固定部(100)等效为质量块(710)，将所述夹持部(200)等效为阻尼(720)和弹簧(730)，所述质量块(710)、所述阻尼(720)和所述弹簧(730)形成单自由度振动模型(700)；
S130，对所述待测件(500)进行沿所述中心对称轴(130)方向的拉伸，根据牛顿第二定律获得所述单自由度振动模型(700)的受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)，其中x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移，F(t)为所述传感器(10)受到的轴向拉力，m为所述轴向振动测量系统(600)等效质量、c为所述轴向振动测量系统(600)的等效阻尼、k为所述轴向振动测量系统(600)等效弹性系数；
S140，将测量信号与所述轴向振动测量系统等效位移的线性关系式x(t)＝pV(t)代入所述受迫振动微分方程中，并根据阻尼比和固有频率，获得解析方程
Figure FDA0002328029720000011
其中，p为常数，ω0为所述单自由度振动模型(700)的无阻尼固有振动角频率，ξ为所述单自由度振动模型(700)的阻尼比，V(t)为所述测量信号，Vr(t)为真实信号；
S150，当所述待测件(500)断裂后，根据所述解析方程，获得尾波自由振动微分方程
Figure FDA0002328029720000021
对所述尾波自由振动微分方程求解并增加零飘项B，获得尾波信号
Figure FDA0002328029720000022
其中，尾波振幅A、所述零飘项B、所述阻尼比ξ、所述无阻尼固有振动角频率ω0、进入尾波时间t0均为常数。
2.如权利要求1所述的材料动态测量方法，其特征在于，还包括：
S160，预设所述尾波信号中A、B、ξ、ω0、t0参数中任意三个参数，对剩余两个参数进行优化，直至A、B、ξ、ω0、t0参数中所有参数至少优化一次，获得优化后的参数A优、B优、ξ优、ω0优、t0优；
S170，根据优化后获得的参数ξ优与ω0优，并带入所述尾波自由振动微分方程
Figure FDA0002328029720000023
获得所述测量信号V(t)。
3.如权利要求2所述的材料动态测量方法，其特征在于，还包括：
S180，根据所述测量信号V(t)、所述无阻尼固有振动角频率ω0优以及所述阻尼比ξ优，带入所述解析方程
Figure FDA0002328029720000024
求解，获得所述真实信号Vr(t)。
4.如权利要求3所述的材料动态测量方法，其特征在于，在所述S180中，通过中心差分法，对所述解析方程
Figure FDA0002328029720000025
进行求解，获得所述真实信号Vr(t)。
5.如权利要求3所述的材料动态测量方法，其特征在于，在所述S180中，通过傅里叶展开法或Tikhonov法，对所述解析方程
Figure FDA0002328029720000031
进行求解，获得所述真实信号Vr(t)。
6.一种材料动态测量方法，其特征在于，包括：
S210，提供轴向振动测量系统(600)，所述轴向振动测量系统(600)具有轴向振动，所述轴向振动测量系统(600)包括传感器(10)，所述传感器(10)包括待测件固定部(100)、夹持部(200)、应变片固定位(300)以及多个应变片(610)，所述待测件固定部(100)具有中心对称轴(130)，所述夹持部(200)垂直固定于所述待测件固定部(100)一表面的中心，所述夹持部(200)的轴线通过所述中心对称轴(130)，所述应变片固定位(300)位于所述夹持部(200)靠近所述待测件固定部(100)的一端，所述待测件固定部(100)用以固定待测件(500)，所述多个应变片(610)中每两个所述应变片(610)设置于所述应变片固定位(300)相对表面位置，并一一相对设置；
S220，将所述轴向振动测量系统(600)中所述待测件固定部(100)等效为质量块(710)，将所述夹持部(200)等效为阻尼(720)和弹簧(730)，所述质量块(710)、所述阻尼(720)和所述弹簧(730)形成单自由度振动模型(700)；
S230，对所述待测件(500)进行沿所述中心对称轴(130)方向的拉伸，根据牛顿第二定律获得所述单自由度振动模型(700)的受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)，其中x(t)为所述轴向振动测量系统等效位移，F(t)为所述传感器(10)受到的轴向拉力，m为所述轴向振动测量系统(600)等效质量、c为所述轴向振动测量系统(600)的等效阻尼、k为所述轴向振动测量系统(600)等效弹性系数；
S240，将所述受迫振动微分方程mx″(t)+cx′(t)+kx(t)＝F(t)改写变型，获得变型受迫振动微分方程
Figure FDA0002328029720000032
S250，根据所述变型受迫振动微分方程，获得经过时间预测步长Δt状态后的所述轴向振动测量系统等效位移x(t)的递推表达式
Figure FDA0002328029720000041
其中，ω0为所述单自由度振动模型(700)的无阻尼固有振动角频率，ξ为所述单自由度振动模型(700)的阻尼比，C1与C2为系数；
S260，对所述轴向振动测量系统等效位移x(t)的递推表达式进行泰勒展开并保留二阶项，获得泰勒展开的x(t+Δt)
Figure FDA0002328029720000042
S270，当所述待测件(500)断裂后，根据所述泰勒展开的x(t+Δt)获得自由振动泰勒展开的
Figure FDA0002328029720000043
Figure FDA0002328029720000044
S280，根据所述泰勒展开的x(t+Δt)与所述自由振动泰勒展开的
Figure FDA0002328029720000045
获得经过所述时间预测步长Δt状态后的所述轴向拉力F(t)的表达式
Figure FDA0002328029720000046
S290，将经过所述时间预测步长Δt状态后的所述轴向拉力F(t+Δt)转换为电压信号，获得经过所述时间预测步长Δt状态后的真实信号Vr(t)
Figure FDA0002328029720000047
7.如权利要求6所述的材料动态测量方法，其特征在于，还包括：
S300，获取所述时间预测步长Δt对应的离散数据点数n，所述轴向振动测量系统(600)的振动角频率ω以及采样频率λ；
S310，根据所述离散数据点数n、所述振动角频率ω以及所述采样频率λ，获得随周期变化的归一化系数z
Figure FDA0002328029720000048
S320，根据所述归一化系数z，获得修正系数g：
g＝1.00677-0.2879z+10.32392z2-50.85407z3+186.72183z4-306.85172z5+218.53269z6；
S330，根据所述修正系数g，获得修正后的所述真实信号gVr(t)。
8.如权利要求7所述的材料动态测量方法，其特征在于，在所述S310中，所述归一化系数z小于等于0.5。
9.一种轴向振动测量系统，其特征在于，包括传感器(10)，所述传感器(10)包括：
待测件固定部(100)，具有中心对称轴(130)；
夹持部(200)，垂直固定于所述待测件固定部(100)一表面的中心，所述夹持部(200)的轴线通过所述中心对称轴(130)；
应变片固定位(300)，位于所述夹持部(200)靠近所述待测件固定部(100)的一端，所述待测件固定部(100)用以固定待测件(500)；
多个应变片(610)，设置于所述应变片固定位(300)，每两个所述应变片(610)设置于所述应变片固定位(300)相对表面位置，并一一相对设置。
10.如权利要求8所述的轴向振动测量系统，其特征在于，所述应变片固定位(300)具有第一表面(310)以及与所述第一表面(310)相对的第二表面(320)，设置于所述第一表面(310)的所述应变片(610)和设置于所述第二表面(320)的所述应变片(610)一一相对设置；
所述轴向振动测量系统还包括：
测量电路(620)，包括第一辅助电阻(621)与第二辅助电阻(622)，所述第一辅助电阻(621)与所述第二辅助电阻(622)并联连接；
设置于所述第一表面(310)的所述应变片(610)与所述第一辅助电阻(621)串联连接，设置于所述第二表面(320)的所述应变片(610)与所述第二辅助电阻(622)串联连接。
11.如权利要求10所述的轴向振动测量系统，其特征在于，所述多个应变片(610)的等效电阻阻值相同，所述第一辅助电阻(621)的电阻阻值为所述应变片(610)等效电阻阻值的2倍，所述第二辅助电阻(622)与所述第一辅助电阻(621)的电阻阻值相同。
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