CN116964429A - 用于冲击测量的改进的支承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冲击激发测量系统，该冲击激发测量系统包括测试腔室、冲击器、传感器系统和支承系统，其中，冲击器构造成对由支承系统支承在预定高度处的测试件提供冲击，其中，传感器系统构造成获得测试件对于由冲击器提供至测试件的冲击的振动响应，其中，支承系统构造成在测试腔室内的预定高度处支承固体测试件，其中，支承系统包括成组支承杆，该成组支承杆的热膨胀系数基本上等于冲击器的热膨胀系数，该成组支承杆包括各自具有支承端的至少三根支承杆，其中三个支承端非共线定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用冲击激发技术对固体测试件执行测量的非破坏性方法和系统。本发明尤其适用于在不同温度下对测试件执行测试。这些测量可用于检测固体中的缺陷和异常，以及表征E模量、G模量、泊松常数和阻尼参数。
背景技术
固体测试可以以多种方式进行。第一测试通常包括目测，以确定固体是否具有正确的尺寸和形状，并检查表面缺陷。然而，在许多情况下，固体的特性主要取决于不可见的内部结构。例如，金属和合金的强度主要取决于某些类型和数量的块体缺陷。这些缺陷有大有小，可能是由于自然原因、生产方式、磨损、事故等造成的。
无论缺陷是如何产生的，在一些情况下，了解固体的缺陷状态是重要的。为了对固体进行缺陷分析，可以在固体测试件上使用侵入式方法或非侵入式方法。非侵入式方法可以在不破坏或改变测试件的情况下进行分析。因此，非侵入式方法通常用于日后仍需使用的测试件，或需要经历进一步测试(进一步测试可以是侵入式或非侵入式的)的测试件。
一种类型的用于固体的非侵入式测试方法使用振动来分析测试件。在此，测试件会受到受控振动的影响，该受控振动可以经过固体传播，由此传递、反射或吸收。受控振动可以通过冲击激发技术(IET)来引起，从而测试件定位成使得其在受冲击时基本上不受阻碍地振动。在脉冲激发技术中，通过用专用工具或抛射体冲击测试件，分析振动信号测量传感器，比如压电传感器、麦克风、激光测振仪或加速度计接收到的振动，来确定测试件的材料特性。经过固体的振动也被称为声音或声波，并且测量也被称为声学测量。因此，在本申请中，振动信号测量传感器也称为“声学传感器”。
国际申请WO 2019/020825 A1中已经描述了一种使用声音测试固体的设备。该文件公开了一种用于分析固体材料样品的机械振动响应的设备，该设备包括：成阵列的冲击器，布置成对所述固体材料样品表面上各自定义明确的点施加冲击；传感器，构造为在所述至少一个冲击器施加冲击后捕获所述机械振动响应，作为时变信号；以及处理装置，构造为分析所述时变信号，以确定构成所述时变信号的正弦波的频率和衰减常数。本发明还涉及一种表征固体材料样品的对应方法。
分析固体测试件对于振动激发的响应通常涉及提取以下参数中的一个或多个、并且优选地全部：
杨氏模量(E)，其指示测试件的拉伸弹性；
剪切模量(G)，其指示测试件对于剪切应力的响应；
泊松比(ν)，其指示测试件在施加的单轴应力的正交方向上的变形；
由内部摩擦引起的信号的阻尼或衰减。
这些特性通常取决于振动激发的频率或频率范围。在此，测试件可能具有多个共振频率，这取决于测试件的不同振动模式。重要的模式是弯曲模式和扭转模式。在这些共振频率下的参数值是描述测试件状态的重要数字。
在许多应用中，固体部件，例如在机械中的固体部件在不同的温度下使用。在此，工作温度可能会快速波动和/或在较大的温度范围内波动。例如，汽车中的制动碟在操作期间会显著且迅速地升温(在几秒钟内从基本环境温度到高于500℃)。另一个示例是喷气式飞机的煤油喷嘴，其在操作期间可升温至高于1500℃。高的温度范围可能会严重影响部件的材料特性，尤其是诸如上文所述的杨氏模量、剪切模量和泊松比等弹性特性。例如，一般来说，由于内部键的平均地减弱，固体在较高温度下会变得更加柔性，这基本意味着随着温度的升高，E和G会逐渐减小。
在不同温度下，固体部件可能具有不同的材料特性。这可能影响部件的功能。重要的是要找出在哪个温度下或在哪个温度范围内，部件的正常功能或旨意功能会受阻碍。这可能是由于材料的块体特性、改变温度可能导致的缺陷、在较高温度下可能变得更加重要的缺陷、部件的不同部分膨胀的可变性等。部件材料特性与温度有关的具体示例有：
弹性特性的总体变化，其会使部件的刚性降低，从而妨碍其正常工作，例如，制动碟在高温下可能会变得太有弹性而无法正常制动，
在某温度下或某温度范围内发生相变，严重改变部件的材料特性，化学反应同样会改变部件的材料特性，
由于生产方法不当等原因，材料中可能会出现不同化学成分相的沉淀、例如合金中的沉淀，从而导致具有不同温度膨胀性的材料之间出现内部材料边界。这显然会导致严重的问题，
在层压板或其他分层部件中，当温度升高时，一层与下一层的粘合力会降低。
为了测试固体部件在旨意操作的不同温度下和/或在整个温度范围内的正常功能，需要在不同温度下测量测试件的材料特性。在此，测试件可以是整个部件、部件的一部分，或者部件的相同材料件。测试优选在至少允许控制温度的受控环境中进行。然后在不同温度下测量材料特性。
发明人已经发现，要在很宽的温度范围(从低于-50℃跨越到高于2000℃)内测量测试件的材料特性，实践上是非常困难的。为这样的温度范围创造温控环境通常需要烘箱，而烘箱可能包括许多会产生振动的部件。显然，烘箱产生的背景振动会干扰测量过程。这些背景振动在较高温度下通常会加剧。此外，由于某些材料特性(例如E和G)会随着温度的升高而降低，因此信号也会降低。这两种效应都会导致在高温下的较低的信噪比(STN)。
国际申请WO 2020/254698 A1公开了一种在高温下对测试件的材料特性进行声学测量的方法，包括以下步骤：a.将测试件加热到测试温度范围内；b.在所述测试温度范围内，通过捕获测试件在校准期内的振动信号执行背景测量，从而获得噪声信号；c.在所述测试温度范围内，在测试期内对所述测试件进行声学测量：c1.在测试件上施加振动激发；c2.捕获测试件在测试期内的振动信号，从而获得对于所述振动激发的振动响应信号；以及d.通过分析振动响应信号获得测试件的材料特性，在此考虑噪声信号。该文件还公开了一种用于在高温下声学地测量测试件的材料特性的系统。
尽管上述现有技术文件公开了一种在不同温度下获得冲击声学响应的方法和系统，但发明者发现精度仍可以提高，特别是对于在不同温度下进行的测试。
本发明旨在解决在高温下对测试件声学测量时STN比恶化的问题，并且旨在在任何温度下获得更精确的阻尼测量结果。此外，本发明还提出了一种具备新颖性和创造性的支承系统，用于在测试腔室内支承测试件，该支承系统能够在不同温度下以稳定和减少误差的方式支承测试件。
发明内容
本发明涉及一种冲击激发测量系统，包括测试腔室、冲击器、传感器系统和支承系统。测试腔室优选地是加热腔室，其包括构造成控制测试腔室中的温度的温度控制系统。支承系统构造成在测试腔室内的预定高度处支承固体测试件。冲击器构造成对由支承系统支承在所述预定高度处的测试件提供冲击。传感器系统构造成获得测试件对于冲击器提供至测试件的冲击的振动响应。
发明人已经发现，现有支承系统所获得的测量结果的精确度可以提高。在此，发明人已经注意到精确度可能取决于温度，并且已经发现支承系统的热膨胀对获得精确测量起着重要作用。如果执行测量的温度间隔较大，这种影响尤为明显。因此，本发明系统的支承系统包括成组支承杆，支承杆由热稳定材料制成，并且更优选为完全由热稳定材料构成。附加地或替代地，支承杆由与冲击器相同的材料制成，并且更优选为完全由该相同的材料构成。还附加地或替代地，支承杆的热膨胀系数基本上等于冲击器的热膨胀系数。
术语“热稳定材料”是指在较大温度区间上具有非常小的热膨胀的材料。优选地，材料的线膨胀系数至多为30.0x 10-6K-1，更优选为至多20.0x 10-6K-1，还更优选为至多10.0x 10-6K-1，甚至更优选为至多9.0x 10-6K-1，再更优选为至多8.0x 10-6K-1，还更优选为至多7.0x 10-6K-1，甚至更优选为至多6.0x 10-6K-1，甚至再更优选至多5.0x 10-6K-1，甚至还更优选为至多4.0x 10-6K-1，最优选为至多3.0x 10-6K-1。优选地，在执行测量的整个温度区间范围上，材料包括这样的低的热膨胀。
支承杆的热膨胀系数可以基本上等于冲击器的热膨胀系数。在此，术语“基本上等于”是指热膨胀系数与冲击器的热膨胀系数相同或只有很小的相对差异，通常相差至多25％，更优选为至多20％，还更优选为至多15％，再更优选为至多10％，再更优选为至多5％、比如5％、4％、3％、2％、1％或更少。
支承杆优选地包括支承端，可将测试件支承到支承端上，所述支承端包括点状形状。支承端的点状形状确保支承端与测试件之间的接触表面是小的，优选为小于2mm2，更优选为小于1.5mm2，还更优选为大约1mm2或更小。例如，支承端优选地可以包括具有球形帽形式的点状形状，高度h至多3mm，优选为在2mm至3mm之间，并且帽的基部半径a至多0.5mm。
该成组支承杆包括各自具有支承端的至少三根支承杆，这3个支承端非共线定位。三个非共线支承点趋向于产生稳定的支承。实际上，在优选实施例中，成组支承杆包括正好三根支承杆。在其他优选实施例中，成组支承杆包括正好四根支承杆，其中至少三根支承杆的支承端非共线定位。在此，该三个非共线支承点优选地限定了基本上水平的支承平面，测试件可以支承到该支承平面上。特别优选的是测试件包括基本上平坦的基部表面。应当注意，测试件通常可以包括梁状形状。
本发明还涉及一种成套装置，包括如上文和本文进一步描述的冲击激发测量系统和至少一个测试件，其中，测试件包括基部表面，该基部表面包括成组的至少三个非共线凹部，从而至少三个非共线凹部定位成与至少三根支承杆的非共线支承端对应。优选地，凹部各自位于测试件的用于测试件的预定振动模式的节点上。
本发明还涉及一种优选地在一个或多个温度下声学地测量测试件的材料特性的方法，包括以下步骤：
a将测试件放置在根据本发明的系统的测试腔室中的支承系统上，并且优选地将测试件加热到测试温度范围内；
b优选地，在所述测试温度范围内，通过捕获来自测试件在校准周期内的振动信号来优选地执行背景测量，从而获得噪声信号；
c优选地在所述测试温度范围内，在测试周期内，通过以下步骤对所述测试件执行声学测量：
c1.将振动激发施加到测试件上；
c2.在测试周期内捕获测试件的振动信号，从而获得对于所述振动激发的振动响应信号，以及
d通过分析振动响应信号，优选地在此考虑噪声信号，获得测试件的材料特性。
附图说明
图1示出了用于描述球形帽的命名规则。
图2A和2B示出了梁形测试件的各振动模式的节点位置。
图3示出了根据本发明的系统。
图4示出了根据本发明的用于测量声学响应和用于在不同温度下从这些测量获得材料特性的方法。
具体实施方式
本发明涉及一种如上文描述以及本文进一步描述的冲击激发测量系统、一种包括这样的冲击激发测量系统和至少一个测试件的套件，以及一种如上文以及本文进一步描述的声学测量测试件材料特性的方法。
使用本发明的系统或方法进行的测量优选在包括下限和上限的温度区间上进行。该温度区间的下限优选为至多50℃，更优选为至多30℃，甚至更优选为至多20℃，还更优选为至多0℃，再更优选为至多-18℃，甚至再更优选为至多-80℃。特别优选的温度区间下限是室温。温度区间的上限优选为至少20℃，更优选为至少50℃，还更优选为至少100℃，甚至更优选为至少200℃，还更优选为至少400℃，甚至再更优选为至少600℃，甚至还更优选为至少800℃，甚至再更优选为至少1000℃或更高、比如1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃及其之间或以上的任何值。支承杆的材料优选地在温度区间上是热稳定的。鉴于温度区间较大，可能介于-80℃和1500℃之间，支承杆优选地由陶瓷材料或类似玻璃的材料制成，比如玻璃、硼硅酸盐、硼硅酸盐玻璃基体中的氟菱锰矿云母(例如其中包括46wt％的二氧化硅(SiO2)、17wt％的氧化镁(MgO)、16wt％的氧化铝(Al2O3)、10wt％的氧化钾(K2O)、7wt％的三氧化二硼(B2O3)、4wt％的氟(F))、石英、熔融石英、碳化硅、硅、结晶玻璃陶瓷(例如微晶玻璃)、锂铝硅酸盐玻璃陶瓷(例如/>)。
优选地，测试件包括预定的形状和/或预定的尺寸。由于允许使用相同的支承系统对带有相同预定形状和/或尺寸的不同测试件进行测量，因此这样使测量更容易进行。
优选地，冲击器是机械冲击器，或至少包括机械冲击器。机械冲击器可以多种方式致动，例如机械或机电地致动。因为机械系统往往可以在很宽的温度范围内使用，因此机械冲击器可以是优选的。
优选地，各凹部各自位于测试件的用于测试件的预定振动模式的节点上。因此，优选地，支承系统包括具有支承端的支承杆，这些支承端的位置与测试件中的凹部的位置对应，即支承端的位置优选地与测试件振动模式的节点位置对应。
使用三根或更多根带有点状支承点的支承杆，其也可称为“针”，可极大地减小由支承杆造成的阻尼。因此，可以精确测量仅由被测样品内部摩擦引起的衰减，基本上不会受到支承系统外部摩擦的干扰。因此，本发明也非常适用于非常基本的、甚至是手动激发的室温脉冲激发测量，或在任何可用的温度下。
图2A和2B对此进行了说明。图2A示出了梁形测试件上弯曲模式的两个节点的位置(虚线)。这意味着，当测试件受到冲击、优选地在弯曲模式的反节点位置处受到冲击时，测试件可能主要根据该弯曲模式振动。在此，在测试件的质量中心框中，节点位置处的弯曲模式振动振幅为零或至少非常小。这意味着，如果在节点位置处支承测试件，则测试件在整个试验过程中都将受到支承。如果将支承定位在随机位置上，由于支承位置处的振动振幅不为零，测试件可能会从支承点上跳起。此外，将支承端定位在弯曲模式的节点上还确保弯曲模式振动的阻尼比其他模式小得多(基本上没有阻尼)，从而提高弯曲模式振动响应的信噪比。这也使得对弯曲模式阻尼的测量非常精确。本发明涉及一种包括成组支承杆的支承系统。在图2A中，支承系统包括正好三根支承杆201、202、203，它们可以固定在支承板204上，每根支承杆均包括与测试件205接触并支承所述测试件的支承端。两根支承杆201、202的支承端在第一节点206上支承测试件，同时第三支承杆203的支承端在第二节点207上支承测试件。对于弯曲模式，这意味着三个支承端非共线定位，从而为测试件限定稳定的支承平面。该弯曲振动模式的特征频率ff指示样品的动态杨氏模量E。对于质量为m、长度为L、宽度为b、厚度为t的图示横梁，可以使用以下关系式：
其中修正因子T定义为
如果L/t≥20
图2B示出了梁形测试件上扭转模式的两个节点的位置(虚线)。这意味着当测试件受到冲击，优选地在扭转模式的反节点位置处受到冲击时，测试件可能主要根据该扭转模式振动。在此，在测试件的质量中心框中，节点位置处的扭转模式振动振幅为零或至少非常小。这意味着，如果在节点位置处支承测试件，则测试件在整个试验过程中都将受到支承。如果将支承定位在随机位置上，由于支承位置处的振动振幅不为零，测试件可能会从支承点上跳起。此外，将支承端定位在扭转模式的节点上还确保扭转模式振动的阻尼远小于其他模式，从而提高扭转模式振动响应的信噪比，并能非常精确地测量该模式的阻尼。本发明涉及一种包括成组支承杆的支承系统。在图2B中，支承系统包括正好四根支承杆210、211、212、213，它们可以固定在支承板214上，每根支承杆均包括与测试件205接触并支承所述测试件的支承端。两根支承杆210、213的支承端在第一节点216上支承测试件，同时第三和第四支承杆211、212的支承端在第二节点217上支承测试件。在扭转模式下，这意味着每个有三个支承端的子集均是非共线定位的。应注意，一般情况下，三个非共线定位的支承端是优选的，因为它们会自动且明确地限定支承平面，而额外的支承杆可能会导致至少一个支承端不与测试件接触。不过，对于某些模式，比如图2B中节点所示的扭转模式，使用四根支承杆可能更稳定。这种情况通常发生在节点在测试件中间相交的模式中。
该扭转振动模式的特征频率ft指示样品的剪切模量。对于质量为m、长度为L、宽度为b、厚度为t的图示横梁，可以使用以下关系式：
其中修正因子R定义为
图3示出了本发明的系统。图中示出了加热腔室301，其包括能够将加热腔室和/或测试件带到所需温度或所需温度范围的成组加热元件302、303、304、305、306。加热元件302、303可以附接至加热腔室壁，并通过与高温高压流体进行热交换、电阻加热、磁感应等方式提供热量。这些壁加热元件的热量可以例如通过通风装置304、305等方式散布到加热腔室中。通风装置304、305还可以布置成对加热腔室提供温热流体、比如加热空气或蒸汽。加热元件也可以包括辐射加热元件、比如微波元件306。加热腔室优选地还包括一个或多个温度计，用于测量加热腔室和/或测试件的实际温度，并且优选地还包括控制电路，布置成用于控制测试件和/或加热腔室的温度。
测试件307由支承结构悬置，该支承结构包括成组支承杆308a、308b、309，这允许测试件尽可能自由地振动，优选地在测试件的振动节点位置处进行支承。支承杆优选地是基本上针形的，并且具有非共线定位的支承端，这些支承端优选地与测试件有很小的接触表面。可选地，在样品上制作非常小的凹痕，以避免样品在长时间的测量周期期间因测试件受到多个脉冲而振动。这些压痕应该非常小，优选地小于样品块体的1/100000，以免影响材料的动态特性。一个声学传感器310或多个声学传感器，可以包括麦克风或激光干涉仪，可以优选地在明确限定的位置处与测试件接触311，或者可以使用波导管将声学响应引导到声学传感器，波导管的一端优选地靠近或直接接触加热腔室中的测试件，另一端优选地位于加热腔室外。后一个实施例允许将传感器放置在加热腔室之外。
在优选实施例中，该声学传感器包括激光干涉仪。激光干涉仪对于真空中的测量特别有用，并且允许非接触式测量。替代地或附加地，该声学传感器可以包括超声测量传感器和/或飞行时间传感器和/或基于多普勒的传感器，例如以下所述：
-S-R.Huang,R.M.Lerner,K.J.Parker的“振动目标振幅的时域多普勒估计(Timedomain Doppler estimators of the amplitude of vibrating targets)”，J.Acous.Soc.Am.,91(2),965-974(1992)；
-J.Tapson，“借助于共振锁模的高精度、短距离超声传感(High precision,shortrange ultrasonic sensing by means of resonance mode-locking)”，Ultrasonics,33,6,441-444(1995)，以及
-R.kazys,R.Sliteris,L.Mazeika，“超声振动测量技术(Ultrasonic techniquefor Vibration Measurements)”，第15届世界非破坏性测试大会论文集，2000年10月15-21日，罗马，
https://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn246/idn246.htm。
此外，这些类型的传感器可以用于非接触式测量。
在一实施例中，执行本发明的方法，其中加热腔室包括低于大气压力的压力、优选为0.5巴或更小、更优选为0.2巴或更小、最优选为基本上是真空压力。在此，优选地使用激光干涉仪来允许在低至零压力情况下进行非接触式振动测量。在降低到零压力情况下的测量会抑制周围的噪声，从而增加信噪比。
冲击器优选地包括弹道冲击器312，其可以通过冲击器致动器313提供脉冲。弹道冲击器312优选地是可以承受高温并且其特性不会随温度发生显著变化的陶瓷棒，即，冲击器优选地主要由热稳定陶瓷材料构成。可以使用冲击器致动器313将其向上314射向测试件，该冲击器致动器包括：
-引导管315，其穿过加热腔室的底部，用于沿着优选为竖直的方向引导弹道冲击器；
-机电操作的锤击件316，其布置成向冲击器312施加优选为竖直的脉冲317。锤击件316可以包括电线圈318和可以取决于流经线圈318的电流而移动的可移动的杆或子弹件318。在美国专利6,782,970B2中提出了这种系统的示例，在本发明中，冲击器致动器的子弹件向陶瓷冲击器312而不是直接向测试件施加脉冲。替代地，可以使用用于向冲击器传递脉冲的压力驱动冲击器或压力驱动冲击致动器380。
优选地，支承杆由与冲击器和/或引导管相同的材料制成。在此优选地，支承杆基本上由热稳定陶瓷材料构成。替代地或附加地，支承杆的热膨胀系数基本上等于冲击器和/或引导管的热膨胀系数。
在本发明的方法的实施例中，优选执行步骤b，即在所述测试温度范围内，通过捕获来自测试件在校准周期内的振动信号来执行背景测量，从而获得噪声信号。在执行振动响应分析时，考虑环境的背景噪声可以更好地确定材料特性。此外，通过在与声学测量相同的测试温度范围内考虑背景噪声，发明人已经发现可以执行更好的振动响应分析。这是因为，由于例如加热元件、通风装置或其他用于进行测量的设备或设备部件在不同的温度范围内可能会有不同的表现，因此噪音高度地取决于温度范围。
发明人还发现，如果通过执行声学测量的除了将振动激发施加到材料件之外的所有步骤来进行背景测量，则可以获得最佳结果。因此，在优选实施例中，步骤b的执行背景测量包括执行步骤c的执行声学测量的所有步骤，除了将振动激发施加到测试件上的步骤c1。这既适用于上述方法，也适用于本文后面和权利要求书中描述的该方法的所有实施例。
在优选实施例中，本发明的冲击激发测量系统的测试腔室包括加热元件，用于将测试件置于测试温度范围内。
在优选实施例中，冲击激发测量系统包括冲击器致动器，用于在将振动激发施加到位于测试腔室中的测试件上时致动冲击器。
在优选实施例中，冲击激发测量系统包括与测试腔室、传感器和冲击器相连的控制系统，该控制系统构造成：
可选地，命令测试腔室将测试件置于测试温度范围内；
在测试周期期间，命令冲击系统用冲击器致动器来致动冲击器，使得冲击器将振动激发机械地施加到位于加热腔室中的测试件上，并从传感器获得对于所述振动激发的振动响应信号。
可选地，在校准周期期间，命令冲击系统用冲击器致动器来致动冲击器，使得冲击器不机械地将振动激发施加到位于加热腔室中的测试件上，并从传感器获得噪声信号，以及
通过分析振动响应信号，优选地在此考虑噪声信号，获得测试件的材料特性。
在另一方面中，本发明涉及一种用于获得测试件热膨胀参数的热膨胀测量方法。这种热膨胀测量方法包括以下步骤：
从第一温度下的实验数据中提取至少两个共振频率，
从所述第一温度的所述至少两个共振频率中获得第一维度参数的第一值，
比较所述第一测量温度下的所述第一维度参数的第一值与第二温度下的所述第一维度参数的第二值，
根据比较结果计算热膨胀参数。
在此，第一温度下的至少两个共振频率是测试件的材料特性，它们优选地可以经由上文和本文进一步描述的声学测量方法获得。优选地使用上文描述和本文进一步描述的冲击激发测量系统来获得至少两个共振频率。
图4示出了根据本发明的方法的实施例。在第一步骤a中，将温度控制在第一温度范围内1021。然后执行步骤b1002，注意不要对测试件施加冲击1001，优选地由此致动冲击系统，但避免冲击。然后执行步骤c，从而将冲击施加到测试件上(步骤c1，1010)并捕获振动响应信号(步骤c2，1020)。然后对信号进行分析(步骤d，1030)，从而在步骤a的温度范围内获得E、G、ν和/或其他特性(尤其是衰减常数)。在对信号进行分析1030之前，可重复执行避免冲击致动步骤1001、噪声捕获步骤1002、冲击步骤1010和响应捕获步骤1020(如图所示，例如当设备具有多个连续操作的冲击器时)，或者单独分析每个捕获到的信号。在此，在步骤d的分析中，可以将不同温度下或不同温度范围内的噪声信号和/或振动响应信号结合起来，以获得更精确的材料特性值和/或确定这些材料特性的温度依赖性。
取决于所选的激发模式，分析1030还可以包括从响应频谱中的频率确定动态杨氏模量E或剪切模量G，特别是通过识别峰值频率并应用如上公式。
优选地，分析还包括比较1040衰变常数与参考值。此步骤允许根据本发明的方法用于质量控制目的。事实上，控制制品质量的方法包括使用上述方法对作为所述固体材料样品的制品的至少一部分进行表征，如果衰变常数在所述参考值的预定范围内，则发出“通过”状况信号1040/“是”；如果衰变常数在所述参考值的预定范围外，则宣布“不合格”状况1040/“否”。因此，根据本发明的一方面，提供了一种控制制品质量的方法，该方法包括：使用上述方法表征作为所述测试件的所述制品的至少一部分；如果所述衰减常数在所述参考值的预定范围内，则发出“合格”状况信号；如果所述衰减常数在所述参考值的预定范围外，则宣布“不合格”状况。
在本发明的实施例中，在同一温度下，在不同温度下或在不同温度范围内不止一次、优选为反复地执行步骤a至d。在优选实施例中，连续地加热测试件，从而在随后的温度范围内执行a-d步骤。
例如，可以从室温20℃开始，以1℃/s的速率连续地加热测试件。然后，可以每隔20秒钟定期执行步骤a-d，这意味着在20℃至40℃的温度范围内执行第一组步骤a-d，在40℃至60℃的温度范围内执行第二组步骤a-d，并进一步执行到例如1780℃至1800℃的最高温度范围。然而，应注意，温度范围不一定要同样大，例如对于关注的温度范围，温度范围可以小一些。例如，如果知道测试件或与测试件相同材料制成的部件将主要在700℃至800℃之间的温度下使用，则可以决定在这些温度之间采用较小的温度范围，例如跨越5℃来更精确地测量材料特性。
此外，还应注意，步骤b和/或c中执行的测量可以与步骤b和/或c中在其他温度下执行的测量结合，以获得更精确的噪声信号和/或振动响应信号。例如，假设在80℃至100℃的温度范围以及100℃至120℃的温度范围内执行步骤a-d。在此，可以在82-87℃的子温度范围内第一次实施步骤b，在102-107℃的子温度范围内第二次实施步骤b，而在92-97℃的子温度范围内第一次实施步骤c。在这种情况下，步骤d中的分析可以考虑所执行的两次步骤b中获得的两个噪声信号。因此，在优选实施例中，步骤a、b、c和/或d在一个温度范围内执行两次或两次以上。替代地或附加地，步骤a、b、c和/或d也可以在不同的温度范围内执行多次，这些温度范围可以重叠。
在一个实施例中，控制系统包括处理装置，该处理装置构造成通过考虑噪声信号分析振动响应信号，以确定测试件的材料特性。
在此，处理装置优选地构造成在时域或更优选地在频域中，通过对所捕获的信号进行傅里叶变换、快速傅里叶变换或谐波分解，从振动响应信号中减去噪声信号。也可以结合时域和频域进行减法。处理装置优选地构造成分析时变信号，以确定构成时变信号的正弦波的频率和衰减常数，即解决谐波反演问题。更一般地，谐波反演问题包含确定构成离散时间、有限长度信号的正弦曲线的频率、衰减常数、振幅和相位，该信号由给定带宽内有限个此类正弦曲线之和构成，该谐波反演问题在文献中是众所周知的，但迄今为止还没有与IET联系起来。Vladimir A.Mandelshtam和Howard S.Taylor在他们的开创性论文“时间信号的谐波反演及其应用(Harmonic inversion of time signals and itsapplications)”(《化学物理学报(The Journal of Chemical Physics)》107,6756(1997))中描述了使用Wall和Neuhauser的通用滤波对角化方法来解决这一问题，将谐波反演问题重塑为小矩阵对角化问题。此技术的计算机实现方法在本领域是众所周知的，包括麻省理工学院的Steven G.Johnson的“Harminv”程序。分析的结果可以输出到屏幕140或任何其他合适的接口，用于存储或由其他部件进一步处理。
处理装置可以由一个或多个专用硬件部件(例如，ASIC)、适当构造的可构造硬件部件(例如，FPGA)、设有合适软件的微处理器或上述这些的组合来组成。相同的部件还可以执行其他功能。
在本发明的优选实施例中，测试件是工件、设备或设备部件。在本发明的另一个优选实施例中，测试件包括明确限定的形状、优选为梁形状，并且由与工件、设备或设备部件相同的材料制成，或使用与工件、设备或设备部件相同的生产技术制成。
Claims (12)
1.一种冲击激发测量系统，包括测试腔室、冲击器、传感器系统和支承系统，其中，所述冲击器构造成对由所述支承系统支承在所述预定高度处的测试件提供冲击，其中，所述传感器系统构造成获得所述测试件对于由所述冲击器提供至所述测试件的冲击的振动相应，其中，所述支承系统构造成在所述测试腔室内的预定高度处支承固体测试件，
其中，所述支承系统包括成组支承杆，所述成组支承杆的热膨胀系数基本上等于所述冲击器的热膨胀系数，所述成组支承杆包括各自具有支承端的至少三根支承杆，其中三个支承端非共线定位。
2.根据权利要求1所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述支承杆由与所述冲击器相同的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的冲击激发测量系统，
其特征在于，所述支承杆由热稳定材料制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述支承端包括点状形状。
5.根据权利要求4所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述支承端包括具有球形帽形式的点状形状，高度(h)至多3mm，并且所述帽的基部处的半径(a)至多0.5mm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述测试腔室是包括温度控制系统的加热腔室，所述温度控制系统构造成控制所述腔室中的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述材料包括至多为30.0x 10-6K-1的线膨胀系数。
8.根据权利要求7所述的冲击激发测量系统，其特征在于，所述材料包括至多为10.0x10-6K-1的线膨胀系数。
9.一种成套装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的冲击激发测量系统和至少一个测试件，其中，所述测试件包括基部表面，所述基部表面包括成组的至少三个不共线凹部，从而所述至少三个不共线凹部定位成与所述至少三个支承杆的不共线的支承端对应。
10.根据权利要求9所述的成套装置，其特征在于，所述凹部各自位于所述测试件的用于所述测试件的预定振动模式的节点上，。
11.一种优选地在一个或多个温度下声学地测量测试件的材料特性的方法，包括以下步骤：
a.将测试件放置在根据权利要求1至8中任一项所述的冲击激发测量系统的测试腔室中的所述支承系统上；
b.优选地,在所述测试温度范围内，通过捕获来自所述测试件在校准周期内的振动信号来优选地执行背景测量，从而获得噪声信号；
c.优选地在所述测试温度范围内，在测试周期内，通过以下步骤对所述测试件执行声学测量：
c1.将振动激发施加到所述测试件上；
c2.在所述测试周期内，捕获所述测试件的振动信号，从而获得对于所述振动激发的振动响应信号，以及
通过分析所述振动响应信号，优选地在此考虑所述噪声信号，获得所述测试件的材料特性。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括将所述测试件加热到测试温度范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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