低频力学谱测试技术的研究

　　1　引　　言

　　宏细微观的本构理论是当前固体力学中需着重研究的问题。1948年,C.Zener首先提出了应力与应变之间的一种本构关系[1]:应变与应力大小成正比,但时间上表现滞后现象,他把这种属性称为滞弹性(anelasticity)。当力学波(可以是低频波、声波、超声波等)与固体材料相互作用时,发生机械能损失或被吸收而形成机械能损耗谱,也就是力学谱,过去人们通常称为内耗(internal friction)或阻尼本领(damping capacity)。但是,从现象本质上看应该称为滞弹性弛豫[223]:理想晶体材料完整的结构受到应力波作用表现为完全的弹性,即不会引起内耗。结构上的特点和缺陷会使材料吸收应力波的能量而构成力学谱,同时材料内部原子的点缺陷、位错使晶界或相界面发生移动,这就是弛豫过程。

　　由我国著名金属物理学家葛庭燧院士发明的扭摆,被国际学术界誉为二次大战后天才的发明,随着现代科学技术的进步,经过几代人的努力,内耗测量仪变得智能化程度更高、速度更快、精度更高。本文利用数字信号相关、虚拟仪器和直接数字频率合成等新技术研制成功了由奔IV微机采集数据与控制,支持Windows98/2000操作系统的低频力学谱仪,在测量精度、测试自动化程度及数据处理等方面的性能与以往的固体内耗仪相比都有很大地提高。

　　目前,虚拟仪器技术是测试与控制领域中最流行的技术。虚拟仪器概念是对传统仪器概念的重大突破,是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。利用计算机系统的强大功能和突出的性能价格比,结合相应的硬件,大大突破了传统仪器在数据处理(如数字滤波、时频变换等)、显示、传送、存储等方面的限制。虚拟仪器起源于美国,1986年美国国家仪器公司(national instruments, NI)为Macintosh设计了LabView,它是一种基于图形的,开发、调试和运行集成化的环境,实现了真正意义上的虚拟仪器概念。LabView和NI后来推出的LabWindows/CVI(C for virtual instruments)是目前虚拟仪器常用的开发软件。考虑到低频力学谱仪涉及到数据实时采集与控制、实验数据处理,结合虚拟仪器的诸多优点,采用虚拟仪器技术研制低频力学谱仪是非常合适的。在低频力学谱仪中使用的编程软件就是LabWindows/CVI,它是一种以C语言为基础的虚拟仪器软件。

　　2　力学谱测量方法

　　低频力学谱测量固体材料的内耗属于共振系统的内耗,测试有两种模式:强迫振动和自由衰减。

　　强迫振动模式:设试样上所受应力的频率为ω,测得应力信号与应变信号的相位差为,则内耗由式(1)计算[4]得:

　　由于固体材料的内耗一般很小,也即应力信号与应变信号的相位差很小,两信号微小相位差的准确测量就成为强迫振动模式下内耗测量的关键。