一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法，测量装置包括纤维支架；纤维支架包括沿左右方向间距排列且结构相同的左压电超声换能器和右压电超声换能器；左压电超声换能器包括下激励探头和上激励探头，其中，一个为横波激励探头，另一个为纵波激励探头；上激励探头位于下激励探头的上方，二者的间距可调；下激励探头包括外壳I、透声保护层I、压电晶片I、阻尼块I、吸声材料I和高频脉冲电缆线I；测量方法即采用上述测量装置测量玻璃纤维的拉伸模量、剪切模量、泊松比或杨氏模量。本发明专利技术的测量装置和测量方法简单，解决了小直径玻璃纤维难以进行无损检测的难题。径玻璃纤维难以进行无损检测的难题。径玻璃纤维难以进行无损检测的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法


[0001]本专利技术属于纤维材料无损检测的测试
，特别是涉及一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法。

技术介绍

[0002]玻璃纤维是先进材料高性能及结构功能一体化发展的关键共性基础原料之一，广泛应用于航天、航空、舰船、新能源、通讯等新材料领域。新的应用对玻璃纤维提出了高强度、高模量、高柔性、轻量化、可编织等新的要求。例如航天器、大飞机上的某些关键部件如在高速、高低温等极端环境下发生形变，会导致航天器、大飞机运行轨迹发生偏离，因此，高模量纤维材料的模量和泊松比测定和评价日益重要。
[0003]专利CN201811530646.5公开了一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置，通过拉伸法测试纤维模量，但会拉断纤维或是在纤维表面及内部产生裂纹而产生不可逆的伤害，不适合用于测试一些技术先进、工艺复杂、成本高昂的玻璃纤维，诸如应用于航空航天、军事、通讯等领域的具有低膨胀、低介电、高纯度、高模量等优异性能的特种玻璃纤维。
[0004]超声回波法是利用超声波在材料中传播遇到界面时发生反射和散射，这些发射和散射信号会被接收器接收到，并转换成电信号，经过计算可以得到该超声波在材料中的传播速度，超声回波法可实现待测样品的性能的无损检测。
[0005]文献《玻璃及玻璃纤维模量测试方法Ⅰ：超声回波法[J].玻璃纤维，2019,(05):1
‑
7.》公开了超声回波法，但是其中的收发一体探头仅适合用于块状或棒状玻璃样品，不适用于直径小于0.2mm的玻璃纤维。然而在未来，随着玻璃纤维在各领域的应用加深，玻璃纤维的轻量化和柔性化是高性能玻璃纤维的重要参数指标之一，一种可测量直径更低的玻璃纤维模量和泊松比的测量装置也显得更加重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置和测量方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，包括纤维支架；纤维支架包括沿左右方向间距排列且结构相同的左压电超声换能器和右压电超声换能器；
[0009]左压电超声换能器包括下激励探头和上激励探头；上激励探头位于下激励探头的上方，二者的间距可调；
[0010]下激励探头包括外壳I、透声保护层I、压电晶片I、阻尼块I、吸声材料I和高频脉冲电缆线I；
[0011]外壳I的上端开口，且由透声保护层I封闭；
[0012]压电晶片I、阻尼块I和吸声材料I都位于外壳I内；
[0013]压电晶片I固定在阻尼块I中，阻尼块I固定在吸声材料I中，吸声材料I固定在外壳
I中；
[0014]压电晶片I的内圈(一般为压电陶瓷)与高频脉冲电缆线I的正极电连接，压电晶片I的外圈(一般为金属片)与高频脉冲电缆线I的负极电连接；
[0015]上激励探头包括外壳II、透声保护层II、压电晶片II、阻尼块II、吸声材料II和高频脉冲电缆线II；
[0016]外壳II的下端开口，且由透声保护层II封闭；
[0017]压电晶片II、阻尼块II和吸声材料II都位于外壳II内；
[0018]压电晶片II固定在阻尼块II中，阻尼块II固定在吸声材料II中，吸声材料II固定在外壳II中；
[0019]压电晶片II的内圈(一般为压电陶瓷)与高频脉冲电缆线II的正极电连接，压电晶片II的外圈(一般为金属片)与高频脉冲电缆线II的负极电连接；
[0020]下激励探头为横波激励探头，上激励探头为纵波激励探头；压电晶片I竖直布置，且平行于前后方向；压电晶片I的数量为1个以上，当压电晶片I的数量大于1时，所有的压电晶片I沿左右方向间距排列；压电晶片I的上端与透声保护层I接触；压电晶片I的厚度、间距、数量根据整个横波激励探头的尺寸来定；压电晶片II水平布置；压电晶片II的下端与透声保护层II接触；压电晶片II的厚度、间距、数量根据整个纵波激励探头的尺寸来定；
[0021]或者，下激励探头为纵波激励探头，上激励探头为横波激励探头；压电晶片I水平布置；压电晶片I的上端与透声保护层I接触；压电晶片II竖直布置，且平行于前后方向；压电晶片II的数量为1个以上，当压电晶片II的数量大于1时，所有的压电晶片II沿左右方向间距排列；压电晶片II的下端与透声保护层II接触。
[0022]现以下激励探头为横波激励探头为例，阐述本专利技术的横波激励探头的工作原理：脉冲信号作用到压电晶片I，使压电晶片I产生逆压电效应，压电晶片I同时发生轴向振动(即沿图5中的左右方向的振动)和径向振动(即沿图5中的前后方向和上下方向的振动)，轴向振动为纵波，径向振动为横波，横波通过透声保护层I传递到与透声保护层I接触的玻璃纤维上，纵波由于在传播方向上存在吸声材料I因此会被吸声材料I吸收，而固定在压电晶片I上的阻尼块I可以阻止余振，减小超声波脉冲宽度。
[0023]现有技术的斜探头工作时，入射纵波倾斜入射到介质，会根据折射系数不同，在介质中产生纵波和横波，横波的折射角小于纵波；这里需要理解一个“临界角”的概念，也就是折射角由低到高到达90
°
时(由波密度高入射到波密度低介质中，也就是我们看水里的鱼就是波密度高的水中入射到空气中的人眼)，入射纵波的最小入射角度称之为临界角，折射纵波的折射角为90
°
时，入射纵波的入射角为“第一临界角”，折射横波的折射角为90
°
时，入射纵波的入射角为“第二临界角”；如果入射纵波小于第一临界角，那么介质中会有纵波和横波两种波形；入射纵波大于第一临界角小于第二临界角时，介质中只有横波；入射纵波大于第二临界角时，介质中就没有波了，只有在介质表面产生表面波了；
[0024]以上是现有技术的斜探头的波形转化原理，在纵波转化成横波的过程中，需要考虑一个转化的空间，大于一个波长的波才能算作一个完整的波，所以折射出来的横波得在介质中进行一个波长的空间来激励或转化，此外还得考虑被转化出来的横波的强度；
[0025]当介质的厚度(如果介质为玻璃纤维，则此处的厚度为玻璃纤维的直径)为几至几十微米时，由于“折射出来的横波得在介质中进行一个波长的空间来激励或转化”，因此折
射出来的横波的波长需要在几微米级；横波的波长取决于脉冲信号的带宽频率，针对目前压电超声斜探头的转化模式而言，需要将脉冲信号的带宽频率升高至GHz级别才能使波长在几微米级，大大提高了技术难度和实际制备成本，这导致现有技术的压电超声斜探头难以产生用于测量直径不超过0.2mm的玻璃纤维的横波。此外，由于现有技术的斜探头需要将传统的纵波通过入射角的变化再转化成横波，如图6所示，通过斜楔块的角度来调整入射横纵的角度，从而激励成纯的横波，因此斜探头的尺寸较大。
[0026]本专利技术的横波探头是直探头，可直接激励出横波，不需要将传统的纵波通过入射角的变化再转化成横波，因此，不存在转化过程中不同波形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，包括纤维支架(9)；纤维支架(9)包括沿左右方向间距排列且结构相同的左压电超声换能器(9.2)和右压电超声换能器(9.4)；左压电超声换能器(9.2)包括下激励探头(5)和上激励探头(4)；上激励探头(4)位于下激励探头(5)的上方，二者的间距可调；下激励探头(5)包括外壳I(5.5)、透声保护层I(5.4)、压电晶片I(5.1)、阻尼块I(5.2)、吸声材料I(5.3)和高频脉冲电缆线I(5.6)；外壳I(5.5)的上端开口，且由透声保护层I(5.4)封闭；压电晶片I(5.1)、阻尼块I(5.2)和吸声材料I(5.3)都位于外壳I(5.5)内；压电晶片I(5.1)固定在阻尼块I(5.2)中，阻尼块I(5.2)固定在吸声材料I(5.3)中，吸声材料I(5.3)固定在外壳I(5.5)中；压电晶片I(5.1)的内圈与高频脉冲电缆线I(5.6)的正极电连接，压电晶片I(5.1)的外圈与高频脉冲电缆线I(5.6)的负极电连接；上激励探头(4)包括外壳II(4.5)、透声保护层II(4.4)、压电晶片II(4.1)、阻尼块II(4.2)、吸声材料II(4.3)和高频脉冲电缆线II(4.6)；外壳II(4.5)的下端开口，且由透声保护层II(4.4)封闭；压电晶片II(4.1)、阻尼块II(4.2)和吸声材料II(4.3)都位于外壳II(4.5)内；压电晶片II(4.1)固定在阻尼块II(4.2)中，阻尼块II(4.2)固定在吸声材料II(4.3)中，吸声材料II(4.3)固定在外壳II(4.5)中；压电晶片II(4.1)的内圈与高频脉冲电缆线II(4.6)的正极电连接，压电晶片II(4.1)的外圈与高频脉冲电缆线II(4.6)的负极电连接；下激励探头为横波激励探头，上激励探头为纵波激励探头；压电晶片I(5.1)竖直布置，且平行于前后方向；压电晶片I(5.1)的数量为1个以上，当压电晶片I(5.1)的数量大于1时，所有的压电晶片I(5.1)沿左右方向间距排列；压电晶片I(5.1)的上端与透声保护层I(5.4)接触；压电晶片II(4.1)水平布置；压电晶片II(4.1)的下端与透声保护层II(4.4)接触；或者，下激励探头为纵波激励探头，上激励探头为横波激励探头；压电晶片I(5.1)水平布置；压电晶片I(5.1)的上端与透声保护层I(5.4)接触；压电晶片II(4.1)竖直布置，且平行于前后方向；压电晶片II(4.1)的数量为1个以上，当压电晶片II(4.1)的数量大于1时，所有的压电晶片II(4.1)沿左右方向间距排列；压电晶片II(4.1)的下端与透声保护层II(4.4)接触。2.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，透声保护层I(5.4)的上表面为柱面，柱面的动直线平行于前后方向，柱面的定曲线为向下弯曲的弧线；透声保护层II(4.4)的下表面为柱面，柱面的动直线平行于前后方向，柱面的定曲线为向上弯曲的弧线。3.根据权利要求2所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，左压电超声换能器(9.2)还包括支架(1)、上夹头(2)和下夹头(3)；上夹头(2)、下夹头(3)同时位于支架(1)的前面，上夹头(2)、下夹头(3)、支架(1)连接后呈“F”形；上夹头(2)位于下夹头(3)的上方；上激励探头(4)位于上夹头(2)的下方，且与上夹头(2)连接，二者的间距可调；下激励
探头(5)位于下夹头(3)的上方，且与下夹头(3)连接，二者的间距可调。4.根据权利要求3所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，左压电超声换能器(9.2)还包括上定位螺丝(6)和下定位螺丝(7)；上定位螺丝(6)的螺母位于上夹头(2)的上方，螺杆穿过上夹头(2)且与其螺纹连接，螺杆的下端与上激励探头(4)的外壳II(4.5)固定连接；下定位螺丝(7)的螺母位于下夹头(3)的下方，螺杆穿过下夹头(3)且与其螺纹连接，螺杆的上端与下激励探头(5)的外壳I(5.5)固定连接。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，纤维支架(9)还包括左纤维固定装置(9.1)、发射端压电超声换能器支架(9.3)、接收端压电超声换能器支架(9.5)、右纤维固定装置(9.6)和长度标尺(9.7)；左纤维固定装置(9.1)、左压电超声换能器(9.2)、右压电超声换能器(9.4)、右纤维固定装置(9.6)自左至右间距排列；左纤维固定装置(9.1)和右纤维固定装置(9.6)用于控制玻璃纤维水平依次穿过左压电超声换能器(9.2)中上激励探头(4)和下激励探头(5)之间的狭缝、右压电超声换能器(9.4)中上激励探头(4)和下激励探头(5)之间的狭缝；左压电超声换能器(9.2)的支架(1)固定在发射端压电超声换能器支架(9.3)上，右压电超声换能器(9.4)的支架(1)固定在接收端压电超声换能器支架(9.5)上；长度标尺(9.7)竖直布置且平行于左右方向，长度标尺(9.7)位于发射端压电超声换能器支架(9.3)和接收端压电超声换能器支架(9.5)的后侧；长度标尺(9.7)的长度为20cm以上。6.根据权利要求5所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置，其特征在于，玻璃纤维模量和泊松比的测量装置还包括脉冲波收发仪(8)和显示装置；脉冲波收发仪(8)包括脉冲波接收器(8.5)以及依次连接的脉冲波发射器(8.1)、脉冲带宽频率调制器(8.2)、脉冲振幅调制器(8.3)和双通路开关(8.4)；脉冲波发射器(8.1)发射的脉冲波的带宽频率为500kHz以上，脉冲波接收器(8.5)接收的脉冲波的带宽频率为500kHz以上；左压电超声换能器(9.2)的上激励探头(4)的高频脉冲电缆线II(4.6)和下激励探头(5)的高频脉冲电缆线I(5.6)同时与双通路开关(8.4)连接；右压电超声换能器(9.4)的上激励探头(4)的高频脉冲电缆线II(4.6)和下激励探头(5)的高频脉冲电缆线I(5.6)同时与脉冲波接收器(8.5)连接；显示装置为示波器(10)，示波器(10)中包含精度为百纳秒级别的计时器，脉冲波接收器(8.5)和双通路开关(8.4)同时与示波器(10)连接；或者，显示装置为计算机及软件(11)，脉冲波接收器(8.5)和双通路开关(8.4)同时与计算机及软件(11)；或者，显示装置由示波器(10)和计算机及软件(11)连接而成，脉冲波接收器(8.5)和双通路开关(8.4)同时与示波器(10)连接。7.一种玻璃纤维的拉伸模量的测量方法，其特征在于，采用如权利要求6所述的一种玻璃纤维模量和泊松比的测量装置；包括以下步骤：(i)将玻璃纤维水平依次穿过左压电超声换能器(9.2)中上激励探头(4)和下激励探头(5)之间的狭缝、右压电超声换能器(9.4)中上激励探头(4)和下激励探头(5)之间的狭缝，玻璃纤维从左压电超声换能器(9.2)和右压电超声换能器(9.4)穿出的位置的间距为L
n
；(ii)调节左压电超声换能器(9.2)和右压电超声换能器(9.4)中的纵波激励探头使其
与玻璃纤维接触，并保持玻璃纤维呈水平状态；(iii)向左压电超声换能器(9.2)中的纵波激励探头发送脉冲电信号使其产生纵波后开始计时，监测右压电超声换能器(9.4)中的纵波激励探头发出脉冲电信号的时间T
n
；纵波的波长λ
l
与L
n
的关系为：5λ
l
＜L
n
；(iv)重复步骤(i)～(iii)得到5对以上L
n
和T
n
，绘制L
n
随T
n
变化的曲线，将其斜率作为纵波在玻璃纤维中的传播速度C
l
；(v)计算玻璃纤维的拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，刘津，丁林锋，汪庆卫，甘学辉，罗理达，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：