CN117571506B - 基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法 - Google Patents

基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法，涉及剪切模量测量技术领域，包括调节迈克尔逊干涉仪，产生等厚干涉条纹图像；采集待测材料未施加力偶矩时的第一干涉条纹图像和施加力偶矩时的第二干涉条纹图像，得到第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角；基于线性拟合方法，对扭转角和力偶矩进行拟合，得到第一拟合斜率；测量待测材料的参数信息；对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果。本发明的有益效果为测量结果的相对误差较小，测量精度非常高，提高了实验的精确性，保证了加载过程中应力的均匀性和稳定性，充分发挥了迈克尔逊干涉原理的优点。

Description

基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及剪切模量测量技术领域，具体而言，涉及基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法。
背景技术
目前，工业上一般利用扭转试验机进行扭转实验来测量材料的剪切模量值，这种方法测量准确性较高，但是对被测材料试样的形状有所限制，且对试验机的性能要求比较苛刻，测量成本较高。实验室中，材料剪切模量有多种测量方法，目前常采用超声波测量法、共振法或是压缩实验法等。超声波法可以做到无损测量，但是需要使用专门的声波测量设备，对设备和场地都有一定的要求。动态法存在共振频率寻找困难、对操作人员主观判断依赖程度高等问题。压缩实验法需要对样品进行应力控制加载，测量需要一定的时间，并且需要保证加载过程中应力的均匀性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置及测量方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置，包括迈克尔逊干涉仪、扭秤框架和样品夹紧装置，待测材料的上端通过样品夹紧装置与扭秤框架固定连接，待测材料的下端通过样品夹紧装置与扭杆固定连接，扭杆的两端分别连接一根绳线，扭杆中部设置偏转平面，第一平面镜设置在迈克尔逊干涉仪上，偏转平面上设置第二平面镜，第二平面镜的虚像与第一平面镜形成角，当进行测试时，绳线穿过滑轮并加载砝码，从而实现对待测材料施加力偶矩的作用；
当待测材料未施加力偶矩时，调节第一平面镜的位置，使第二平面镜的虚像与第一平面镜存在夹角；当反射光入射到迈克尔逊干涉仪后，获取第一平面镜上的等厚干涉条纹；
当待测材料施加力偶矩时，利用卡文迪许扭秤实验原理，使得第二平面镜将转过扭转角，等厚干涉条纹的间距进而发生变化。
优选地，剪切模量测量装置的光路结构形式为：设置钠光灯作为照明光源，半透半反镜和补偿镜设置在第一平面镜和接收部分之间；照明光源经过半透半反镜分为反射光和透射光，反射光经过第一平面镜后反射回来，再次穿过半透半反镜到达接收部分；透射光穿过补偿镜到达第二平面镜处，在第二平面镜处反射后再次经过补偿镜到达半透半反镜处，在半透半反镜处反射后到达接收部分；调节迈克尔逊干涉仪，当透镜第二平面镜的虚像与第一平面镜之间形成夹角时，产生等厚干涉条纹。
第二方面，本申请还提供了基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，采用上述的剪切模量测量装置进行测量，包括：
调节迈克尔逊干涉仪，产生等厚干涉条纹图像；
采集待测材料未施加力偶矩时的第一干涉条纹图像和施加力偶矩时的第二干涉条纹图像，并基于第一干涉条纹图像和第二干涉条纹图像分别得到第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，并根据第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角；
基于线性拟合方法，对扭转角和力偶矩进行拟合，得到第一拟合斜率，其中第一拟合斜率为力偶矩随着扭转角的变化而产生的关系曲线的斜率；
测量待测材料的参数信息，其中参数信息包括待测材料的长度信息和横截面的边长信息；
根据剪切模量计算公式，对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果。
优选地，所述第一干涉条纹间距的计算过程包括：
通过摄像装置获取未施加力偶矩时初始条件下的初始干涉条纹图像，并对初始干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第一曲线；其中第一曲线的极小值点的像素坐标值对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第一曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第一斜率，并基于第一斜率得到初始干涉条纹图像上的第一横向像素点数密度；
对第一干涉条纹图像中的干涉条纹进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第一变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；根据极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第二变化关系曲线，通过线性拟合得到第二斜率；
结合第一横向像素点数密度与第二斜率的值，得到被测材料在未施加力偶矩时的第一干涉条纹的间距。
优选地，所述施加力偶矩时的第二干涉条纹图像的采集过程包括：
将两个质量为m = 2g的砝码分别加载到剪切模量测量装置的扭杆两端绳线的末端；
施加力偶矩至待测材料上，判断待测材料是否发生扭转，若发生扭转，则利用摄像装置采集条纹图像，并将条纹图像记作第二干涉条纹图像，其中扭转过程为发生扭转时，扭杆中端部的偏转平面发生偏转，当待测材料受到力偶矩作用，扭杆上的偏转平面偏转第一角度，将第一角度记作扭转角度。
优选地，所述第二干涉条纹间距的计算过程包括：
对施加力偶矩后的干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第二曲线，其中第二曲线的极小值点的像素坐标值对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第二曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第三斜率，并基于第三斜率得到初始干涉条纹图像上的第二横向像素点数密度；
对第二干涉条纹图像中的干涉条纹进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第三变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；由极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第四变化关系曲线，通过线性拟合得到第四斜率；
结合第二横向像素点数密度与第四斜率的值，得到被测材料在施加力偶矩时的第二干涉条纹的间距。
优选地，所述根据第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角，其中包括：
设定钠光源波长为589.3nm；
基于钠光源波长，将第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距代入至扭转角公式进行计算，公式如下：
式中，/>为第一干涉条纹间距，/>为第二干涉条纹间距，为钠光源波长，/>为扭转角。
优选地，所述得到第一拟合斜率，其中包括：施加不同质量的砝码，得到力偶矩随扭转角的变化曲线；基于线性拟合方法，对变化曲线进行拟合，得到第一拟合斜率。
优选地，所述根据剪切模量计算公式，对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果；
将第一拟合斜率和参数信息代入至剪切模量计算公式中，得到待测材料的剪切模量；
结合预设铝合金的剪切模量标准值，计算得到待测材料剪切模量的相对误差。
本发明的有益效果为：
本发明借鉴卡文迪许扭秤和迈克尔逊干涉仪，设计了一种基于等厚干涉原理的剪切模量高精度实验测量装置，并对6061型铝合金矩型截面杆状样品进行了实际的剪切模量测量。根据剪切模量实验测量装置设计框架，设计框架搭建了实际的实验测量装置，并通过测量样品施加力偶矩前后迈克尔逊等厚干涉条纹的间距，最终得出了被测材料在施加一定力偶矩前后的偏转角，进而得出了被测材料的剪切模量值，测量结果的相对误差较小，测量精度非常高，提高了实验的精确性，保证了加载过程中应力的均匀性和稳定性，充分发挥了迈克尔逊干涉原理的优点。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法流程示意图；
图2为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的测量装置结构示意图，其中（a）图为扭秤装置示意图，（b）图为干涉光路原理示意图；
图3a为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的未施加力偶矩时相机拍摄到图样处理后的坐标纸灰度值曲线示意图；
图3b为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的未施加力偶矩时相机拍摄到图样处理后的坐标纸刻度随像素坐标值的变化关系曲线示意图；
图3c为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的未施加力偶矩时相机拍摄到图样处理后的干涉条纹灰度值曲线示意图；
图3d为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的未施加力偶矩时相机拍摄到图样处理后的干涉暗条纹像素位置与暗条纹数的变化关系曲线示意图；
图4为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的加载m=2g砝码情况下的等厚干涉结果示意图，其中（a）图为干涉条纹灰度值随像素坐标值的变化关系曲线示意图，（b）图为像素坐标值与干涉暗条纹数的变化关系曲线示意图；
图5为本发明实施例中所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量的6061型铝合金样品力偶矩随扭转角的变化关系示意图。
图中标记：1、底座；2、扭秤框架；3、偏转平面；4、样品夹紧装置；5、待测材料；6、扭杆；7、滑轮；8、砝码；9、半透半反镜；10、第一平面镜；11、第二平面镜的虚像；12、补偿镜；13、第二平面镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：
如图2-图5所示，本实施例提供了基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置，参见图2所述装置包括迈克尔逊干涉仪、扭秤框架2和样品夹紧装置4，扭转框架组件安装在底座1上，待测材料5的上端通过样品夹紧装置4与扭秤框架2固定连接，待测材料5的下端通过样品夹紧装置4与扭杆6固定连接，扭杆6的两端分别连接一根绳线，扭杆6中部设置第二平面镜13，第二平面镜的虚像11与第一平面镜10形成角，第一平面镜10设置在迈克尔逊干涉仪上，当进行测试时，绳线穿过滑轮7并加载砝码8，从而实现对待测材料5施加力偶矩的作用。
需要说明的是，如图2中的（a）所示，设计的测量装置中，待测材料5的上端通过夹紧装置同扭秤框架2相连接，视为完全固定。下端通过相同的方式与扭杆6连接；扭杆6的两端各自连接着一根细绳，将细绳穿过滑轮7并加载砝码8后，就可以实现对样品施加力偶矩的作用。
当待测材料5未施加力偶矩时，调节第一平面镜10的位置，使第二平面镜的虚像11与第一平面镜10存在夹角；当反射光入射到迈克尔逊干涉仪后，获取垂直于第一平面镜10上的等厚干涉条纹；
当待测材料5施加力偶矩时，利用卡文迪许扭秤实验原理，使得第二平面镜13将转过扭转角 ，等厚干涉条纹的间距进而发生变化。
需要说明的是，在图2中的（a）中的扭杆6的中部，放置一平面反射镜M2，并将其作为迈克尔逊干涉仪干涉光路中的一个光学镜面；在待测材料5未施加力偶矩时，调节迈克尔逊干涉仪镜面M1的倾角，使M2’(M2的虚像)与M1存在一微小的夹角。
当波长为光入射到干涉仪后，即可在垂直M1方向上观察到等厚干涉条纹；当被测材料受到一定的力偶矩作用后，扭杆6上的偏转平面3将转过一个微小角度，进而导致等厚干涉条纹的间距发生变化；通过测量被测材料施加力偶矩前后等厚干涉条纹间距，可得到待测样品的形变信息。
需要说明的是，沿着箭头所指的方向，补偿镜12在图2中的（a）中第二平面镜13正视图的正前方，半透半反镜9也在图2中的（a）中第二平面镜13正视图方向的正前方且位于补偿镜12之后，偏转平面3的前方设置有第二平面镜13，第二平面镜的虚像11在半透半反镜9的正视图的左前方，第一平面镜10也在半透半反镜9的正视图的左前方，并在第二平面镜的虚像11的后方。
具体地，剪切模量测量装置的光路结构形式为：
如图2中的（b）所示，设置钠光灯作为照明光源，半透半反镜9和补偿镜12设置在第一平面镜10和接收部分之间；照明光源经过半透半反镜9分为反射光和透射光，反射光经过第一平面镜10后反射回来，再次穿过半透半反镜9到达接收部分；透射光穿过补偿镜12到达第二平面镜13处，在第二平面镜13处反射后再次经过补偿镜12到达半透半反镜9处，在半透半反镜9处反射后到达接收部分；调节迈克尔逊干涉仪，当透镜第二平面镜的虚像11与第一平面镜10之间形成夹角时，产生等厚干涉条纹。
实施例2：
本实施例提供了基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法。
参见图1-图5中示出了本方法包括步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400和步骤S500。
S100、调节迈克尔逊干涉仪，产生等厚干涉条纹图像。
可以理解的是，在本步骤中，调节迈克尔逊干涉仪，当第二平面镜13（也就是M2）的虚像与第一平面镜10（也就是M1）之间形成夹角时，就能够产生等厚干涉条纹。
S200、采集待测材料5未施加力偶矩时的第一干涉条纹图像和施加力偶矩时的第二干涉条纹图像，并基于第一干涉条纹图像和第二干涉条纹图像分别得到第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，并根据第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角。
可以理解的是，在本步骤S200中第一干涉条纹间距的计算过程包括：
通过摄像装置获取未施加力偶矩时初始条件下的初始干涉条纹图像，并对初始干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第一曲线；其中第一曲线的极小值点的像素坐标值对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第一曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第一斜率，并基于第一斜率得到初始干涉条纹图像上的第一横向像素点数密度；
对第一干涉条纹图像进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第一变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；根据极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第二变化关系曲线，通过线性拟合得到第二斜率；
结合第一横向像素点数密度与第二斜率的值，得到被测材料在未施加力偶矩时的第一干涉条纹的间距。
需要说明的是，不施加砝码8，通过拍摄图样与坐标纸定标得出初始条纹间距；当被测材料未施加力偶矩时，拍摄得到初始情况下的干涉条纹图样。为了能够获得干涉条纹的间距，在干涉条纹所在平面同时放置一具有标准刻度的坐标纸（最小分度为1mm），使之与干涉条纹同时被相机拍摄以用于定标。然后将对拍摄得到对干涉条纹以及坐标刻度图像分别进行截取以及灰度化处理，并用于后续分析。
需要说明的是，首先分析坐标纸横向的灰度值，得到了灰度值随图像像素坐标的曲线，如图3a所示，其中曲线的极小值点对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值。
通过对灰度值随像素坐标值曲线进行线性拟合，可得到如图3b所示的结果：由拟合得到直线的第一斜率：
其次，利用上述相同的方法，分析未施加力偶矩时的干涉条纹。图3c给出了干涉条纹灰度值随像素坐标值的变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值，均可认为是干涉暗条纹所在位置。
值得说明的是，图3c中干涉条纹左半部分的灰度值极小值较右半部分较小，这是由于相机拍摄过程中右半部分环境光较强造成，但这并不影响干涉条纹间距的测量。
需要说明的是，图3d给出了干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的变化关系曲线，通过线性拟合，可以得到直线的第二斜率为。
其中，结合与/>的值，也就是结合第一横向像素点数密度与第二斜率的值，得到被测材料在未施加力偶矩时的第一干涉条纹的间距，即可得出：/>。
可以理解的是，在本步骤S200中施加力偶矩时的第二干涉条纹图像的采集过程包括：
将两个质量为m = 2g的砝码8分别加载到剪切模量测量装置的扭杆6两端绳线的末端；施加力偶矩至待测材料5上，判断待测材料5是否发生扭转，若发生扭转，则利用摄像装置采集条纹图像，并将条纹图像记作第二干涉条纹图像，其中扭转过程为发生扭转时，扭杆6的中端部的偏转平面3发生偏转，当待测材料5受到力偶矩作用，扭杆6上的偏转平面3偏转第一角度，将第一角度记作扭转角度。
需要说明的是，将两个质量为m = 2g的砝码8分别加载到装置的扭杆6两端细绳的末端，以对被测材料施加一定的力偶矩（即：）。此时，被测材料将发生一定的扭转。如图2中的（a），在扭杆6的中部，放置第二平面镜13，并将其作为迈克尔逊干涉仪干涉光路中的一个光学镜面。当被测材料受到一定的力偶矩作用后，扭杆6上的第二平面镜13将转过一个微小角度，由图2中的（b）可知这将导致等厚干涉条纹的间距发生变化。
可以理解的是，在本步骤S200中第二干涉条纹间距的计算过程包括：
对施加力偶矩后的干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第二曲线，其中第二曲线的极小值点的像素坐标值对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第二曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第三斜率，并基于第三斜率得到初始干涉条纹图像上的第二横向像素点数密度；由于施加力偶矩前后，坐标纸相对相机的位置、大小不变，所拍摄的坐标纸图像相同，故可采用第一斜率来替代第三斜率、第一横向像素点数密度替代第二横向像素点数密度，来减少数据处理过程。
对第二干涉条纹图像进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第三变化关系曲线，如图4中的（a）所示，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；由极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第四变化关系曲线，通过线性拟合得到第四斜率；
结合第二横向像素点数密度与第四斜率的值，得到被测材料在施加力偶矩时的第二干涉条纹的间距。
需要说明的是，在本实施例中，具体地，在相同机位和设置下，利用相机再次拍摄条纹图像，并进行上述相同的处理方法，即可得到待测材料5在施加一定力偶矩下的干涉条纹曲线，结果如图4所示。
通过对图4中的（b）中的实验数据进行线性拟合，得到直线的第四斜率为：。
同理，结合与/>的值，也就是结合第二横向像素点数密度与第四斜率的值，可得到被测材料在施加力偶矩时的第二干涉条纹的间距为/>。
需要说明的是，第一斜率单位与第二斜率的单位不相同，第二斜率与第四斜率的单位相同。
需要说明的是，在步骤S200中计算得到扭转角，其中包括：
设定钠光源波长为589.3nm；
基于钠光源波长，将第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距代入至扭转角公式进行计算，公式如下：
式中，/>为第一干涉条纹间距，/>为第二干涉条纹间距，为钠光源波长，/>为扭转角。
具体地，在本步骤中，即可得到样品在加载m = 2g砝码时的扭转角为。
改变砝码8的质量，重复以上过程；
实际上，在本步骤中，为了减小随机误差对实验结果造成的影响，在实际测量中，本发明通过加载不同质量的砝码8产生不同的力偶矩，对6061型铝合金的下端面扭转角进行了多次测量。
需要说明的是，之所以采用6061型铝合金进行实验是因为可以帮助了解该材料的刚性及其在受到剪切应力时的表现。剪切模量是材料弹性性质的一种，表示材料在剪切应力作用下的变形能力。剪切模量的数值越大，表示材料越不容易变形，刚性也就越高。这对于许多需要使用硬质铝合金的场合，如航空、汽车等，具有重要意义。通过了解6061型铝合金的剪切模量，可以更好地设计、制造和优化相关产品，从而提高其性能和可靠性。总的来说，测量6061型铝合金剪切模量有助于优化铝合金的加工和应用，提高其性能和可靠性，进而推动相关产业的发展。
S300、基于线性拟合方法，对扭转角和力偶矩进行拟合，得到第一拟合斜率，其中第一拟合斜率为力偶矩随着扭转角的变化而产生的关系曲线。
可以理解的是，在本步骤S300中第一拟合斜率，其中包括：施加不同质量的砝码8，得到力偶矩随扭转角的变化曲线；
基于线性拟合方法，对变化曲线进行拟合，得到第一拟合斜率，计算公式如下：
式中，/>为扭转角，T为力偶矩，k为第一关系曲线斜率。
需要说明的是，图5所示在施加不同质量的砝码8时，力偶矩随扭转角的变化关系曲线，通过线性拟合，便求得拟合直线的第一拟合斜率。
S400、测量待测材料5的参数信息，其中参数信息包括待测材料5的长度信息和横截面的边长信息。
可以理解的是，在本步骤中，测量立方柱型样品的长度，以及样品横截面的边长和/>。
具体地，在本步骤中，实验过程中的被测材料采用了长度为（游标卡尺测量），截面边长分别为/>,/>（螺旋测微器测量）的6061型铝合金矩形截面杆状样品。
S500、根据剪切模量计算公式，对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果。
可以理解的是，在本步骤中剪切模量计算公式如下：
式中，G为待测材料的剪切模量，/>为扭转角，/>，h为待测立方柱样品横截面的长，b为待测立方柱样品横截面的，/>是由/>的值所决定的常数，T为力偶矩，L为待测样品的长度；
将第一拟合斜率和参数信息代入至剪切模量计算公式中，得到待测材料5的剪切模量；
结合预设铝合金的剪切模量标准值，计算得到待测材料5 剪切模量的相对误差。
需要说明的是，利用第一拟合斜率以及实验中的，/>，由可知/>，可知，/>是由/>的值所决定的常数，对于矩形截面杆，其取值可如表1所示。
表1矩形截面杆扭转时系数β的取值表
将该上述结果代入剪切模量的表达式，最终得到待测材料5的剪切模量为。
具体地，结合6061型铝合金的剪切模量标准值，可以看出根据本发明设计方案，剪切模量测量结果的相对误差仅为：/>。
故，证明了新设计测量装置的准确性，为实验室中材料的剪切模量高精度测量提供了一种新的可能。
需要说明的是，关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
综上所述，本发明借鉴卡文迪许扭秤实验思想，结合迈克尔逊干涉仪产生的等厚干涉现象，设计了一种新的且能够精确测量材料剪切模量测量实验装置。通过对6061型铝合金材料进行剪切模量的实际测量，证明了新设计测量装置的准确性，为实验室中材料的剪切模量高精度测量提供了一种新的可能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，采用基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量装置进行测量，其特征在于，所述剪切模量测量装置包括迈克尔逊干涉仪、扭秤框架和样品夹紧装置，待测材料的上端通过样品夹紧装置与扭秤框架固定连接，待测材料的下端通过样品夹紧装置与扭杆固定连接，扭杆的两端分别连接一根绳线，第一平面镜设置在迈克尔逊干涉仪上，扭杆中部的偏转平面上设置第二平面镜，第二平面镜的虚像与第一平面镜形成角，当进行测试时，绳线穿过滑轮并加载砝码，从而实现对待测材料施加力偶矩的作用；当待测材料未施加力偶矩时，调节第一平面镜的位置，使第二平面镜的虚像与第一平面镜存在夹角；当反射光入射到迈克尔逊干涉仪后，获取第一平面镜上的等厚干涉条纹；当待测材料施加力偶矩时，利用卡文迪许扭秤实验原理，使得第二平面镜将转过扭转角/>，等厚干涉条纹的间距进而发生变化；
其中，剪切模量测量装置的光路结构形式为：设置钠光灯作为照明光源，半透半反镜和补偿镜设置在第一平面镜和接收部分之间；照明光源经过半透半反镜分为反射光和透射光，反射光经过第一平面镜后反射回来，再次穿过半透半反镜到达接收部分；透射光穿过补偿镜到达第二平面镜处，在第二平面镜处反射后再次经过补偿镜到达半透半反镜处，在半透半反镜处反射后到达接收部分；调节迈克尔逊干涉仪，当透镜第二平面镜的虚像与第一平面镜之间形成夹角时，产生等厚干涉条纹；
剪切模量测量方法包括如下步骤：
调节迈克尔逊干涉仪，产生等厚干涉条纹图像；
采集待测材料未施加力偶矩时的第一干涉条纹图像和施加力偶矩时的第二干涉条纹图像，并基于第一干涉条纹图像和第二干涉条纹图像分别得到第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，并根据第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角；
基于线性拟合方法，对扭转角和力偶矩进行拟合，得到第一拟合斜率，其中第一拟合斜率为力偶矩随着扭转角的变化而产生的关系曲线的斜率；
测量待测材料的参数信息，其中参数信息包括待测材料的长度信息和横截面的边长信息；
根据剪切模量计算公式，对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果。
2.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述第一干涉条纹间距的计算过程包括：
通过摄像装置获取未施加力偶矩时初始条件下的初始干涉条纹图像，并对初始干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第一曲线；其中第一曲线的极小值点对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第一曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第一斜率，并基于第一斜率得到初始干涉条纹图像上的第一横向像素点数密度；
对第一干涉条纹图像进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第一变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；根据极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第二变化关系曲线，通过线性拟合得到第二斜率；
结合第一横向像素点数密度与第二斜率的值，得到被测材料在未施加力偶矩时的第一干涉条纹的间距。
3.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述施加力偶矩时的第二干涉条纹图像的采集过程包括：
将两个质量为的砝码分别加载到剪切模量测量装置的扭杆两端绳线的末端；
施加力偶矩至待测材料上，判断待测材料是否发生扭转，若发生扭转，则利用摄像装置采集条纹图像，并将条纹图像记作第二干涉条纹图像，其中扭转过程为发生扭转时，扭杆中端部的偏转平面发生偏转，当待测材料受到力偶矩作用，扭杆上的偏转平面偏转第一角度，将第一角度记作扭转角度。
4.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述第二干涉条纹间距的计算过程包括：
对施加力偶矩后的干涉条纹图像中的坐标纸进行截取和灰度化处理，得到了灰度值随图像像素坐标的第二曲线，其中第二曲线的极小值点对应刻度纸上的刻度线在图像上的像素坐标值；通过对第二曲线进行线性拟合，由拟合得到曲线的第三斜率，并基于第三斜率得到初始干涉条纹图像上的第二横向像素点数密度；
对第二干涉条纹图像进行截取和灰度化处理，得到干涉条纹灰度值随像素坐标值的第三变化关系曲线，其中每一个极小值所对应的像素坐标值为干涉暗条纹所在位置；由极小值所对应的像素坐标值，得到干涉暗条纹像素坐标值随暗条纹个数之间的第四变化关系曲线，通过线性拟合得到第四斜率；
结合第二横向像素点数密度与第四斜率的值，得到被测材料在施加力偶矩时的第二干涉条纹的间距。
5.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述根据第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距，计算得到扭转角，其中包括：
设定钠光源波长为589.3nm；
基于钠光源波长，将第一干涉条纹间距和第二干涉条纹间距代入至扭转角公式进行计算，公式如下：
式中，/>为第一干涉条纹间距，/>为第二干涉条纹间距，为钠光源波长，/>为扭转角。
6.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述得到第一拟合斜率，其中包括：
施加不同质量的砝码，得到力偶矩随扭转角的变化曲线；
基于线性拟合方法，对变化曲线进行拟合，得到第一拟合斜率，计算公式如下：
式中，/>为扭转角，T为力偶矩，k为第一关系曲线斜率。
7.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊等厚干涉的剪切模量测量方法，其特征在于，所述根据剪切模量计算公式，对第一拟合斜率和参数信息进行计算，最终得到待测材料的剪切模量结果，其中剪切模量计算公式如下：
式中，G为待测材料的剪切模量，/>为扭转角，/>，h为待测立方柱样品横截面的长，b为待测立方柱样品横截面的，/>是由/>的值所确定的常数，T为力偶矩，L为待测样品的长度；
将第一拟合斜率和参数信息代入至剪切模量计算公式中，得到待测材料的剪切模量；
结合预设铝合金的剪切模量标准值，计算得到待测材料剪切模量的相对误差。
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