Wibracyjna metoda pomiaru dynamicznego modułu Younga z zastosowaniem światłowodowego czujnika odbiciowego

pol Artykuł w języku polskim DOI: 10.14313/PAR_259/59

wyślij Tomasz Więcek *, Leszek Pyziak *, Zygmunt Lech Warsza ** * Politechnika Rzeszowska, Zakład Optyki Stosowanej, al. Powstańców Warszawy 12, 35-029 Rzeszów ** Polskie Towarzystwo Metrologiczne

Pobierz Artykuł

Streszczenie

W pracy opisano metodę pomiaru dynamicznego modułu Younga stalowego elementu ferromagnetycznego. Określono parametry wibracji o częstotliwości rezonansowej wzbudzanej zewnętrznym polem magnetycznym nienamagnesowanego oraz namagnesowanego elementu stalowego. Do badania parametrów wibracji tego elementu zastosowano światłowodowy czujnik odbiciowy. Z badań wyznaczono dynamiczny moduł Younga. Opracowano i wykorzystano teorię opisującą wielkość amplitudy drgającej powierzchni z użyciem oddziaływania pola magnetycznego. Omówiono wnioski dotyczące tej metody wynikające z badań na stanowisku eksperymentalnym i zaproponowano zakres dalszych jej badań.

Słowa kluczowe

czujnik światłowodowy odbiciowy, drgania mechaniczne, ferromagnetyki, moduł Younga

Vibration-Based Method of Measuring the Dynamic Young’s Modulus Using a Fiber-Optic Reflectance Sensor

Abstract

This paper describes a method for measuring the dynamic Young’s modulus of a ferromagnetic steel element. The vibration parameters at the resonant frequency induced by an external magnetic field are studied for both unmagnetized and magnetized steel elements. A reflective fiber optic sensor was used to study the vibration parameters of this element. From these studies, the dynamic Young’s modulus was determined. A theory describing the amplitude of a vibrating surface using magnetic field interaction was developed and applied. Conclusions resulting from experimental tests are discussed, and the scope of further research on this method is proposed.

Keywords

ferromagnetic material, mechanical vibrations, reflective fiber optic, Young's modulus

Bibliografia

  1. Cottrell A.H., The mechanical properties of matter, John Wiley & Sons, New York, 1964.
  2. Wang L., Rybacki E., Bonnelye A., Bohnhoff M., Dresen G., Experimental Investigation on Static and Dynamic Bulk Moduli of Dry and Fluid-Saturated Porous Sandstones, “Rock Mechanics and Rock Engineering”, Vol. 54, 2021, 129–148, DOI: 10.1007/s00603-020-02248-3.
  3. Chio W.H., Amares S., Development of a low-cost non-destructive test system for measurement of elastic modulus, “Journal of Physics: Conference Series”, Vol. 2523, 2023, DOI: 10.1088/1742-6596/2523/1/012009.
  4. Holt R.M., Fjær E., Bauer A., Static and dynamic moduli – so equal, and yet so different, 47th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, 2013, 2252–2259.
  5. Bolborea B., Baera C., Dan S., Gruin A., Burduhos-Nergis D.-D., Vasile V., Concrete Compressive Strength by Means of Ultrasonic Pulse Velocity and Moduli of Elasticity, “Materials”, Vol. 14, No. 22, 2021, DOI: 10.3390/ma14227018.
  6. Chen J., Wang X., Yang X., Zhang L., Wu H., Application of Air-Coupled Ultrasonic Nondestructive Testing in the Measurement of Elastic Modulus of Materials, “Applied Sciences”, Vol. 11, No. 19, 2021, DOI: 10.3390/app11199240.
  7. Hunt A.J, Ayers M.R., Investigation of silica alcogel aging using coherent light, “Journal of Non-Crystalline Solids”, Vol. 285, No. 1-3, 2001, DOI: 10.1016/S0022-3093(01)00448-3.
  8. Kabayashi T., Ohsava J., Hara T., Yamaguchi N., Contactless measurement using laser beam excitation and detection of vibration of thin-film microresonators, “Japanese Journal of Applied Physics”, Vol. 43, No. 3R, 2004, 1178–1182, DOI: 10.1143/JJAP.43.1178.
  9. Nowak T., Patalas F., Karolak A., Estimating Mechanical Properties of Wood in Existing Structures- Selected Aspects, “Materials”, Vol. 14, No. 8, 2021, DOI: 10.3390/ma14081941.
  10. Burgholzer P., Hofer C., Breitinger B., Mohammed A., Degischer H.P., Loidl D., Schulz P., Non-contact determination of elastic moduli of continuous fiber reinforced metals, “Composites Science and Technology”, Vol. 65, No. 2, 2005, 301–306, DOI: 10.1016/j.compscitech.2004.07.011.
  11. Senapati S., Shah A., Patra P.K., Mahato M., Measurement of elastic modulus of CNT composites: a nondestructive study, “Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures”, Vol. 30, No. 2, 2021, 290–296, DOI: 10.1080/1536383X.2021.1936506.
  12. Roberts N.M., Sharp J.S., Piezoelectric excitation and acoustic detection of thin film polymer membrane vibrations, “Physical Review E”, Vol. 109, 2024, DOI: 10.1103/PhysRevE.109.014802.
  13. Bailey D., Wright E., Practical Fiber Optics, Elsevier, 2003.
  14. Sachin Raj P.V., Kumaresh Babu S.P., High-temperature corrosion behavior of BaCeO3 in Na2SO4 + V2O5 salt mixture, “Next Materials”, Vol. 7, 2025, DOI: 10.1016/j.nxmate.2024.100374.
  15. Pain H.J., The Physics of Vibration and Waves, John Wiley & Sons, 2005.
  16. William J. Palm III., Mechanical vibration, John Wiley & Sons, 2007.
  17. Warsza L.Z., Puchalski J., Więcek T., Novel method of fitting a nonlinear function to measurement data based on linearization by change variables, examples and uncertainty, “Metrology”, Vol. 4, No. 4, 2024, 718–735, DOI: 10.3390/metrology4040042.