Устройство для измерения вязкоупругих свойств твердых тел Советский патент 1984 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к устройствам для измерения вязкоупругих свойс твердых тел, а именно внутреннего трения и модуля Юнга, и может быть применено в радиотехнической, полупроводниковой, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности для лабораторных исследований и заводских испытаний металлических, полупроводниковых, компози ционных и других материалов. Известно устройство для измерения вязкоупругих свойств полимерных материалов, принцип действия которого основан на электростатическом возбуждении изгибных колебаний в консольно закрепленном образце и после дующем их измерении, содержащее исследуемый образец, возбуждающий и приемный преобразователи, низко-и высокочастотные генераторы, детекто или девиометр, амплитудньй дискриминатор, счетчик Cl 3 . Недостаток указанного устройства связан со значительным уровнем потерь энергии в зажиме образца. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устр ство для измерения физико-механических характеристик, содержащее низкочастотный генератор, усилитель мощности, измерительную ячейку, предста ляющую собой диск с двумя возбуждающими и двумя регистрирующими электро дами и систему регистрации. Электроды расположены на диске в одном направлении, причем два средних исполь зуются для возбуждения изгибньис коле баний в исследуемом образце, а два крайних - для измерения амплитуды эт колебаний. Исследуемый образец свобо но покоится на двух стеклянных нитях толщиной 0,07 мм укрепленных с помощью отжига специальной пасты на стеклянном диске между возбуждающими и регистрирующими электродами. Расст яние между нитями выбирается таким образом, чтобы они располагались в узлах стоячих волн, возбуждаемых и регистрируемых по изменению емкости между образцом и соответствующими электродами. Устройство работает следунидим образом. Переменное напряжение с низкочастотного генератора усиливается и подается на возбуждающие электроды измерительной ячейки. Изменением частоты возбуждающего напряжения производится настройка колебаний образца в резонанс. Измерительные электроды и образец представляют собой емкость, включенную в колебательный контур высокочастотного генератора. В этом случае сигнал высокочастотного генератора модулируется собственной частотой механических колебаний образца. Затем этот сигнал детектируется, усиливается, наблюдается и фотографируется на экране осциллографа, а затем обрабатывается и математически обсч;;тывается Г J. Недостатки данного устройства заключаются в неудобстве при исследовании ориентационной зависимости внутреннего трения и модуля Юнга, связанном с возможностью измерения необходимых величин только в одном кристаллографическом направлении, низкой точности измерений при исследовании высокодобротных, например, полупроводниковьк материалов, обусловленной потерями упругой энергии в местах касания исследуемого образца со стеклянньми нитями. Кроме того, как в процессе отжига пасты, так и при измерении температурных зависимостей происходит изгиб нитей из-за теплового расщирения, что приводит к увеличению ошибки измерений. Цель изобретения - повьщ1ение точности измерений и обеспечение возможности исследования анизотропных образцов. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения вязкоупругих свойств твердых тел, содержащем низкочастотный генератор, усилитель мощности, измерительную ячейку, представляющую собой диск с двумя возбуждающими и двумя регистрирующими электродами и систему регистрации, исследуемый образец расположен на четырех диэлектрических опорах в виде конусообразных выступов, находящихся в узлах стоячих волн, а возбуждающие и регистрирующие электроды расположены попарно в двух взаимно перпендикулярных направлениях . На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - устройство измерительной ячейки. Устройство (фиг.1) включает низкочастотный генератор 1, усилитель мощности 2, измерительную ячейку 3, ключ 4, фазовый детектор 5, селек|ТИвный 6 и широкополосный 7 усилите ли, дискриминатор 8, счетчик 9. Измерительная ячейка 3 (фиг.2) представляет собой кварцевый диск 10, на который напьтены два возбуждающих 11,12 и два регистрирующих 13,14 электрода, с четырьмя диэлект рическими опорами 15 в виде конусообразных выступов высотой 0,07 мм, на которых располагается исследуемы образец 16. Опоры 15 изготовлены из кварца того же состава и одной плав ки, т.е. имеют одинаковый коэффицие линейного расширения, что и диск 10 и вварены в него. Расстояние между опорами 15 выбрано таким, чтобы в точках их касания с образцом 16 находились узлы стоячих волн, возбуждаемых и регистрируемых с помощью электродов 11-14. Такое положение образца 16 контролируется по специальным рискам 17. Схема включения положение ключа 4 1 и П (фиг.1), предусматривает попарное (11,13 и 12,14) использование возбуждающих 11,12 и регистрирующих 13,14 электродов в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет измерять внутреннее трение и модуль Юнга на одном образце в дв кристаллографических направлениях. Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 16 располагается на опорах 15 и центрируется по рискам 17. Ключ 4 устанавливаетс в положение 1. Изгибные колебания возбуждаются от низкочастотного генератора 1 через усилитель мощности 2 с помощью возбуждающего электрода 11. Вариацией частоты генератора 1 производи ся настройка в резонанс по максимум амплитуды колебаний образца 16, пос чего возбуждающая система отключает ся (система отключения не показана). Затухающие собственные колебания образца 16 изменяют емкость системы образец - измерительный электрод 13, которая включена в колебательный контур высокочастотного генератора т.е. происходит модуляция высокочастотного сигнала низкочастотным. Этот сигнал Поступает на вход детектора 5, где выделяется его низкочастотная составляющая, которая затем усиливается с помощью селективного 6 и широкополосного 7 усилителей и подается на регистрирующее устройство, состоящее из амплитудного дискриминатора 8 и .счетчика 9. Затем ключ 4 переводится в положе|ние П. В этом случае изгибные колебания в образце 16 возбуждаются от генератора 1 через усилитель 2 с помощью возбуждающего электрода 12, а регистрируются электродом 14. Обработка этого сигнала производится по описанному способу с помощью детектора 5, селективного 6 и широкополосного 7 усилителей, амплитудного дискриминатора 8, счетчика 9. Таким образом, при попарном включении возбуждающего и регистрирующего электродов появляется возможность на одном и том же образце измерять вязкоупругие свойства твердых тел в двух взаимно перпендикулярных крис таллографических направлениях. Использование диэлектрических опор позволяет заменить линейный контакт на точечный, что повышает точность измерений. Так, для прототипа фон устройства составляет порядка 5-10 предлагаемого устройства - 5-10 погрешность измерени внутреннего трения в интервале температур 150800 К составляет 2-5% против у прототипа. При этом отпадает необходимость в очень сложной технологической операции подклейки нитей. ,

75

W

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, содержащее низкочастотный генератор, усилитель мощности, измерительную .ячейку, представляющую собой диск с двумя возбуждающими и двумя регистриругацими электродами и систему ре- . гистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и обеспечения возможности исследования анизотропных образцов, исследуемый образец расположен на четьфех диэлектрических опорах в виде конусообразных выступов, находящихся в узлах стоячих волн, а возбуждающие и регистрирующие электроел ды расположены попарно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. со со сриеЛ