一种不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法技术

本发明专利技术涉及一种不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法，包括以下步骤，S1、在上透明板的下表面粘贴标准面积方块及不规则形体横截面的式样，并在上透明板上方安装摄像模块，用以实时采集试样在压缩过程中的横截面图像；S2、操作安装上压头、下压头的试验机进行试样的单轴压缩并使用摄像模块进行全程录像；S3、获取由试验机输出的力

【技术实现步骤摘要】
一种不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法


[0001]本专利技术涉及一种泊松比及杨氏模量测量方法,具体来说，是一种不规则形 体材料的泊松比及杨氏模量测量方法。

技术介绍

[0002]泊松比被定义为横向应变与相应的轴向应变之比的负值，该应变是由 低于材料比例极限的轴向应力引起的。杨氏模量是低于比例极限的拉伸或 压缩应力与相应应变的比率。常用的泊松比、杨氏模量的测量方法可分为 机械法、声学法与光学法。机械法原理是对在试样线弹性范围内施加单向 拉伸或压缩轴向力，通过引伸计或应变片测定其相应的横向变形。声学法 主要包括布里渊散射、表面声波、声显微学等方法，其主要原理为根据声 弹性理论计算材料的弹性参数。光学方法主要包括光干涉法、光导热塑全 息照相法、数字散斑面内相关法等，主要是基于弹性力学中板或梁的纯弯 曲理论为基础。
[0003]在这三类泊松比及杨氏模量的测量方法中，机械法应用最为广泛，且 应用成本较低。声学方法主要应用于金属材料的泊松比测量，对于非金属 材料，通常其声阻和内阻尼都比较大，难以应用。光学方法一般要求试样 光学平整，且对试摄像器材、振动台架要求较高，虽然国内外都有大量研 究，但还没有形成统一的标准，实验误差难以估计。相对而言，通过对试 样施加单轴拉伸或压缩并测量其横截面积与横向应变的机械测量法比较成 熟稳定，且认可度较高。
[0004]传统的泊松比及杨氏模量机械测量法对材料受压或受拉过程中的横向 变形及横截面积的测量方法主要有引伸计法与电测法。这两种方法对形体 规则的刚性材料如金属等都有较好的测量效果，在GB/T 22315
‑
2008中有 引伸计法、电测法测量规则金属试样的泊松比与杨氏模量的详细应用标准。 但对于粘弹性形体不规则材料，引伸计与电测法只能测量试样某一位置的 横向应变，无法表达整个试样的整体横向应变，且无法测量不规则形体的 横截面积。而实践中，对于某些特定的材料部件，其形状并不是规则的， 如果仅仅采用规则形状的材料部件进行测量，则会由于与真实情况不符合 导致测量结果的参考意义打了折扣。
[0005]因此，如何能够提供一种能够测量形体不规则材料泊松比与杨氏模量 的测量方法，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要对传统的机械测量法中对材料受压过程横向变形及横截面 积的测量提出改进，实时采集试样在受压的横截面图像，并通过图像识别技 术计算横截面积及横向应变测量材料的泊松比与杨氏模量，从而解决形体不 规则材料的泊松比与杨氏模量的测量。
[0007]本专利技术采取以下技术方案：
[0008]一种不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法，其特征在于，包括以 下步
骤，
[0009]S1、用上透明板作为上压头的底部，用下透明板作为下压头的顶部；在上 透明板的下表面粘贴标准面积方块4及不规则形体横截面的试样5，并在上透 明板上方安装摄像模块，用以实时采集试样在压缩过程中的横截面图像；
[0010]S2、操作安装所述上压头、下压头的万能试验机进行试样的单轴压缩并使 用所述摄像模块进行全程录像，画面需包含试样5的横截面与标准面积方块4；
[0011]S3、获取由万能试验机输出的力
‑
位移曲线，并寻找弹性区间，弹性区间 的起始点设为a点，结束点设为b点；
[0012]S4、根据力
‑
位移曲线中a、b点的横坐标与万能试验机的下行速度反求a、 b点对应时刻，在全程录像中截取对应的图像；所述横坐标代表位移，纵坐标 代表时刻；需要说明的是，横坐标与纵坐标是可以互换的；
[0013]S5、通过图像处理技术求得试样在a、b点处对应的横截面积以及拟合直 径；
[0014]S6、通过以下算式计算试样的泊松比ν与杨氏模量E：
[0015][0016][0017]式中ν为泊松比，E为杨氏模量，ε
’
为横向应变，ε为纵向应变，σ为 轴向应力，F为轴向压力，A为试样横截面积，Δl为式样的长度变化量，l为 式样的原始长度，d
a
为式样在a点处的拟合直径，d
b
为式样在b点处的拟合直 径，l
a
为式样在a点处的长度，l
b
为式样在b点处的长度，F
a
为式样在a点处 所受压力，F
b
为式样在b点处所受压力，A
a
为式样在a点处的横截面积。
[0018]优选的，所述上透明板、下透明板采用玻璃材质，所述式样为粘弹性材质， 用以避免压头受压破损。
[0019]优选的，步骤S1中，还包括爪式压圈，所述爪式压圈与所述上透明板、 下透明板共同组成用于单轴压缩的所述压头，将所述摄像模块1安装于所述上 透明板与所述爪式压圈之间的空间之内。
[0020]优选的，所述试样5及所述标准面积方块4采用双面胶粘附于所述上透明 板的底面上。
[0021]优选的，所述试样的上下表面均垂直于轴线。
[0022]优选的，所述下透明板的下方设置一半透明白色背景纸6。
[0023]进一步的，上透明板与所述爪式压圈之间的空间之内还设有上LED灯7， 下透明板与所述爪式压圈之间的空间之内还设有下LED灯11。
[0024]进一步的，所述爪式压圈包括上三爪式压圈2和下三爪式压圈10。
[0025]优选的，步骤S5中，在python中调用OpenCV2命令集对采集的图像进 行图像处理，图像处理的步骤由附图5解释，图像处理效果由附图6解释。通 过程序输出试样横截面积的像素为P1，标准面积方块的像素为P2。由于标准面 积方块真实面积S2已知，试样的横截面积S1根据下式计算：
[0026][0027]由于试样截面形状不规则，因此采用等面积的拟合圆直径作为试样的直 径。试样直径d根据下式计算：
[0028][0029]更进一步的，步骤S6中，用游标卡尺测得开始压缩前两透明板的间距， 结合万能试验机输出受力
‑
形变图得到l
a
、l
b
、F
a
、F
b
。，通过图像处理得到A
a
、 A
b
、d
a
、d
b
。。
[0030]本专利技术的有益效果在于：
[0031]1)能够实时采集试样在受压的横截面图像，并通过图像识别技术计算横 截面积及横向应变测量材料的泊松比与杨氏模量，从而解决形体不规则材料 的泊松比与杨氏模量的测量；
[0032]2)鉴于压头采用玻璃材质，而粘弹性材料不会对压头造成损坏，因此 尤为适用于粘黏性材料的不规则物体材料；
[0033]3)方案设计巧妙，实施方便，具有广泛推广应用的前景。
附图说明
[0034]图1为根据本专利技术的实施例的试验方法流程图；
[0035]图2为根据本专利技术的一种较佳实验台架示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法，其特征在于，包括以下步骤，S1、用上透明板作为上压头的底部，用下透明板作为下压头的顶部；在上透明板的下表面粘贴标准面积方块(4)及不规则形体横截面的试样(5)，并在上透明板上方安装摄像模块，用以实时采集试样在压缩过程中的横截面图像；S2、操作安装所述上压头、下压头的试验机进行试样的单轴压缩并使用所述摄像模块进行全程录像，画面需包含试样(5)的横截面与标准面积方块(4)；S3、获取由试验机输出的力
‑
位移曲线，并寻找弹性区间，弹性区间的起始点设为a点，结束点设为b点；S4、根据a、b点的横坐标和试验机的下行速度反求a、b点对应的时刻，在全程录像中截取对应的图像；所述横坐标代表位移；S5、通过图像处理技术求得试样在a、b点处对应的横截面积以及拟合直径；S6、通过以下算式计算试样的泊松比(ν)与杨氏模量(E)：S6、通过以下算式计算试样的泊松比(ν)与杨氏模量(E)：式中ν为泊松比，E为杨氏模量，ε
’
为横向应变，ε为纵向应变，σ为轴向应力，F为轴向压力，A为试样横截面积，Δl为式样的长度变化量，l为式样的原始长度，d
a
为式样在a点处的拟合直径，d
b
为式样在b点处的拟合直径，l
a
为式样在a点处的长度，l
b
为式样在b点处的长度，F
a
为式样在a点处所受压力，F
b
为式样在b点处所受压力，A
a
为式样在a点处的横截面积。2.如权利要求1所述的不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法，其特征在于：所述上透明板、下透明板采用玻璃材质，所述式样为粘弹性材质，用以避免压头受压破损。3.如权利要求1所述的不规则形体材料的泊松比及杨氏模量测量方法，其特征在于：步骤S1中，还包括爪式压圈，所述爪式压圈与所述上透明板、下透明板共同组成用于单轴压...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志超，范加力，顾峰玮，吴峰，王冰，李聿尧，
申请(专利权)人：农业农村部南京农业机械化研究所，
类型：发明
国别省市：