本发明公开了一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法，通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式，再通过实验验证理论的正确性，最后制作出能应用于工程实际的测量仪器。本方法可以直接应用于正交异性与均质膜材弹性模量的测量，是一种简便而有效的测量方法。
1.一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法，其特征在于：通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式；
再通过实验验证理论的正确性；最后制作出能应用于工程实际的测量仪器；其具体步骤如下：(1)通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式：测量正交异性膜结构弹性模量的方法的基本的原理是：用一个入射速度为v0的小圆球垂直入射到一固定边界的张拉膜面的中点，使膜面产生位移，并测量该位移的最大值fmax；再将入射速度为v0和位移fmax代入测量的理论公式得到正交异性膜结构的双向弹性模量；理论推导基于薄膜大挠度理论和动量守恒定理；由薄膜大挠度理论得到正交异性薄膜非线性大挠度自由振动的控制方程组：式中，ρ表示膜材面密度；Nx表示x向拉力；Ny表示y向拉力；N0x表示X向预张力；N0y表示y向预张力；Nxy表示剪切力；w表示w(x，y，t)挠度；h表示膜材厚度；E1表示X向弹性模量；E2表示y向弹性模量；G表示剪切模量；μ1表示x向泊松比；μ2表示y向泊松比；
引入应力函数并忽略剪切力Nxy＝0；则方程(1)可简化为：
将A、B、C的值代入(2.23)，并两边同除以 可得：
其中，H值由运动的初始条件决定；设有矩形膜面中点初始位移T|t＝0＝Tmax，初速度为：将T|t＝0＝Tmax和(10)式代入(9)可得：
初始位移为T|t＝0＝0，将T|t＝0＝0和(12)式代入(9)式可得：由(11)和(13)式得：
式(14)中，Tmax为膜面中点的最大位移，即为需要测量的参数fmax；vmax为膜面中点的最大速度，它由入射小球的速度v0决定；
下面计算小球冲击薄膜的瞬间，薄膜与小球一起运动的初速度vmax；在冲击时，冲击时间非常短暂，因此，薄膜与小球组成的系统近似为保守系统，动量守恒定理适用；考虑膜面不同点的速度的不同，则有：其中，W为薄膜的初始变形函数；v0为小球的初速度，vmax为小球与膜面中点在冲击的一瞬间t＝0时刻的初始速度；薄膜初始变形的形函数为：将(16)代入式(15)，计算可得：
在小球的激励下，膜面的变形按一阶振型考虑，在式(19)中令m＝n＝1得：将Tmax＝fmax代入得：
(2)通过实验验证理论的正确性：式(21)中，参数h、ρ、σ0x、σ0y、a、b、m0为已知参数；小球的入射速度v0也可以进行预先标定，将v0变为已知参数；这样公式(21)中未知参数为E1、E2和fmax；E1和E2为待求量，因此测量过程中只需要测出fmax；但是E1和E2为两个未知数，需要两个不线性相关的方程联立求解才能得到；因此按照如下的步骤来进行测量：①.首先使膜面的测量区域边界的长边与膜材的经向平行，区域边界的短边与膜材的纬向平行，这时用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出该区域中心点的位移fmax；
②.然后以同一点为测量区域的中心点，用测量仪器重新确定边界，使得区域边界的长边与膜材的纬向平行，区域边界的短边与膜材的经向平行，同样用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出这一点的位移f′max；
把测得的两个数据fmax和f′max分别代入公式(21)，得到两个方程，联立求解这两个方程就可以解得E1和E2；所以测量公式写成：按照方程组(22)编写计算机程序，当测fmax和f′max后，可通过计算机控制技术将测量结果代入(22)公式，算出E1和E2；
对于均匀的膜材，只需要令(21)中的E1＝E2＝E，便可得：根据(23)式，只需要测量一个数据fmax，将其代入(23)式就可以求得均匀膜材的弹性模量E；
在理论公式的推导中，假设膜面边界是固定的，而在实际工程中在膜结构上隔离出一完全固定边界的膜材是很困难的，所以拟采用槽状的吸盘在膜面上来隔离出一确定边界的待测区域；虽然这一区域的边界并非完全等同于理想的固定边界，但是与理想的固定边界很接近；理论拟取矩形测量区域边界尺寸为500mm×300mm；为得到两个不同的测量数据fmax和f′max，采用调换矩形边界的长、短边在同一点进行两次测量的方法来实现；
①.测量仪的组成：测量仪主要由测量盒与控制盒组成；所述的测量盒由透明的钢化玻璃盒、小球发射装置、激光位移传感器、微型抽气泵组成，测量盒下口内边缘尺寸为500mm×
300mm；所述的控制盒由塑料外壳、内置控制电路板、显示盒、控制开关和电池电源组成；控制盒固定于测量盒之上，二者之间由连接线连接；测量仪器的控制、数据处理和显示功能都由控制盒来完成；控制盒正面上包含电源开关、抽气开关、检测开关和显示屏等；其背面设有电源、连接线的接口；
②.各部分的作用及相互关系：测量盒主要用于形成膜面的区域边界，以保证实际膜面边界与理论模型的固支边界符合；测量盒上装有沿测量盒下口边的凹槽状吸盘；测量盒依靠此吸盘，通过微型抽气泵抽气，而吸住膜面，使其形成封闭的四边形膜面，此四边形膜面可以认为为四边固支的薄膜；装在测量盒内上表面正中间的小球发射装置用于发射小球，小球的入射速度v0通过预先标定，认为为已知量；当小球由此装置发射垂直入射到膜面而后反弹的过程中，装在测量盒内上表面的激光位移传感器可以测得膜面入射点的最大位移fmax；测量盒与控制盒之间的连接线将测得的数据传到控制盒；通过控制盒内的计算机程序将测得的数据演算成膜面弹性模量，再通过显示屏将弹性模量值显示出来；控制盒内的计算程序根据理论推导的测量公式进行编程；控制盒上的电源开关用来控制电源的开闭，电源由蓄电池提供；抽气开关控制微型抽气泵的抽气；检测开关用来控制测量的进行，按一次测量一次；同时各开关兼有指示灯功能，各开关按下时，开关亮起红色；开关弹起时，开关不亮；控制盒和检测盒上都设置有连接线和电源线接口；
b.按下控制盒电源开关按扭，接通电源，同时电源开关亮起红色；
c.将测量盒扣在受张力的膜面上，让测量盒边平行膜材的经向或纬向；
d.按下抽气开关按扭，同时抽气开关亮起红色；这时真空泵开始抽气，使得测量盒下口边的吸盘吸住膜面；这样测量盒下口形成一个封闭的矩形膜面区域；
e.当(d)步骤完成达到可以测量的要求后，抽气开关自动弹起，此时抽气开关不亮，表示可以进行测量了；
f.按一下检测开关按扭。此时激光位移传感器会自动开启，小球发射装置发射出小球；
激光位移传感器测出冲击点的最大位移fmax；此时连接线将测得的最大位移fmax传到控制盒储存在系统中，并显示在显示屏的1区域；
g.关掉除电源开关的所有开关，将测量盒在原处以矩形膜面区域的中心为圆点，将测量盒旋转90度后，再重复(c)到(f)步骤；可得到另一个冲击点的最大位移f′max，显示在显示屏的2区域；
h.按下计算开关，这时控制盒计算出E1和E2，并将其值显示在显示屏的3和4区域上；
测量均匀膜材时，只需要进行(a)～(e)和第(h)步，所得弹性模量E将显示在显示屏的3区域。
一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料力学参数测试技术领域，具体涉及一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法。
背景技术
[0002] 正交异性膜材主要用于建筑结构、电子工业、生物工程等领域。尤其在建筑结构领域，建筑膜结构所使用的膜材绝大多数为织物膜材。织物膜材由基布和表面的涂层组成。织物膜材的基布由正交的经线和纬线交织而成，在力学性能上表现出强的正交异性特性，即两个方向上的弹性模量、泊松比等力学参数不相同。建筑膜结构的刚度是通过给膜材施加预张力来实现的。这种预张力一般沿着正交的两个主纤维方向施加，而且为了形成各种膜面造型，两个方向的预张力往往不相等。实际工程中，膜材在正交两向张力作用下，一般处于弹性范围。因此，在设计和计算分析中，正交两个方向的弹性模量是必须首先要确定的力学参数。
[0003] 目前建筑膜材供应商所提供的膜材技术参数中，都没有包含膜材的弹性模量，因此需要设计者在设计前对膜材的弹性模量进行测定。对于已建成的膜结构，由于膜材已承受一定的预张力，在使用一段时间之后，膜材会徐变，其弹性模量也会发生变化。为了防止由于过大的徐变松弛而发生工程事故，必须准确地分析建成后的膜结构的受力状态，以便采取有效的措施，比如二次张拉，对膜结构进行调整。要准确分析已建成膜结构的受力状态，对建成后的膜结构的膜材弹性模量进行测量也是很有必要的。
[0004] 目前普遍采用的测量正交异性膜材弹性模量的方法为单向和双向拉伸测试方法。该两种方法都是通过直接测试张拉膜材的拉力和应变，再通过计算得到膜材的弹性模量。
两种方法比较直观，但是由于在测试过程中，需要在膜材表面贴上应变片测量膜材的应变，而膜材的主要受力部分为膜材的基布，将应变片贴在膜材表面，这样膜材表面的涂层使得测出的应变并未真实反映出主要受力部分膜材基布的应变。因此该两种方法测得的应变不够准确，那么最后的弹性模量也不够准确。同时，单拉伸测试法不能同时测得正交两向的弹性模量；双向拉伸测试法也要通过复杂的推导过程才能得到正交两向的弹性模量。另外，单向和双向拉伸法对不能对建成的膜结构的弹性模量进行测量。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种方便快捷，适用范围广，且精度高的，用于测量膜材弹性模量的方法和装置。
[0007] 通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式，再通过实验验证理论的正确性，最后制作出能应用于工程实际的测量仪器。本方法可以直接应用于正交异性与均质膜材弹性模量的测量，是一种简便而有效的测量方法。
[0008] (二)技术方案
[0009] 一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法，其特征在于：通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式；再通过实验验证理论的正确性；最后制作出能应用于工程实际的测量仪器；其具体步骤如下：
[0010] (1)通过对正交异性膜材受力特性的研究和分析，提出测量正交异性膜结构弹性模量的新方法，推导出测量的理论公式：测量正交异性膜结构弹性模量的方法的基本的原理是：用一个入射速度为v0的小圆球垂直入射到一固定边界的张拉膜面的中点，使膜面产生位移，并测量该位移的最大值fmax；再将入射速度为v0和位移fmax代入测量的理论公式得到正交异性膜结构的双向弹性模量；理论推导基于薄膜大挠度理论和动量守恒定理；由薄膜大挠度理论得到正交异性薄膜非线性大挠度自由振动的控制方程组：
[0011]
[0012] 式中，ρ表示膜材面密度；Nx表示x向拉力；Ny表示y向拉力；N0x表示x向预张力；N0y表示y向预张力；Nxy表示剪切力；w表示w(x，y，t)挠度；h表示膜材厚度；E1表示x向弹性模量；E2表示y向弹性模量；G表示剪切模量；μ1表示x向泊松比；μ2表示y向泊松比；
[0013] 膜材四边为固支，则相应的边界条件如下：
[0014]
[0015]
[0016] 引入应力函数并忽略剪切力Nxy＝0；则方程(1)可简化为：
[0017]
[0018]
[0019] 采用伽辽金法对控制方程进行求解得：
[0020]
[0021] 式(6)是关于T(t)的非线性常微分方程：
[0022]
[0023] 其中：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 将A、B、C的值代入(2.23)，并两边同除以 可得：
[0028]
[0029] 令 则有：
[0030]
[0031] 对(8)式第一次积分得：
[0032]
[0033] 其中，H值由运动的初始条件决定；设有矩形膜面中点初始位移T|t＝0＝Tmax，初速度为：
[0034]
[0035] 将T|t＝0＝Tmax和(10)式代入(9)可得：
[0036]
[0037] 对于方程(9)如果假设矩形膜面中点初始速度为：
[0038]
[0039] 初始位移为T|t＝0＝0，将T|t＝0＝0和(12)式代入(9)式可得：
[0040]
[0041] 由(11)和(13)式得：
[0042]
[0043] 式(14)中，Tmax为膜面中点的最大位移，即为需要测量的参数fmax；vmax为膜面中点的最大速度，它由入射小球的速度v0决定；
[0044] 下面计算小球冲击薄膜的瞬间，薄膜与小球一起运动的初速度vmax；在冲击时，冲击时间非常短暂，因此，薄膜与小球组成的系统近似为保守系统，动量守恒定理适用；考虑膜面不同点的速度的不同，则有：
[0045]
[0046] 其中，W为薄膜的初始变形函数；v0为小球的初速度，vmax为小球与膜面中点在冲击的一瞬间t＝0时刻的初始速度；薄膜初始变形的形函数为：
[0047]
[0048] 将(16)代入式(15)，计算可得：
[0049]
[0050] 其中m0为小球的质量；
[0051] 将式(17)代入(14)得：
[0052]
[0053] 将M和N的值代入式(18)得：
[0054]
[0055] 在小球的激励下，膜面的变形按一阶振型考虑，在式(19)中令m＝n＝1得：
[0056]
[0057] 将Tmax＝fmax代入得：
[0058]
[0059] 式(21)为测量的理论公式；
[0060] (2)通过实验验证理论的正确性：式(21)中，参数h、ρ、σ0x、σ0y、a、b、m0为已知参数；小球的入射速度v0也可以进行预先标定，将v0变为已知参数；这样公式(21)中位置参数为E1、E2和fmax；E1和E2为待求量，因此测量过程中只需要测出fmax；但是E1和E2为两个未知数，需要两个不线性相关的方程联立求解才能得到；因此按照如下的步骤来进行测量：
[0061] ①.首先使膜面的测量区域边界的长边与膜材的经向(即x向)平行，区域边界的短边与膜材的纬向(即y向)平行，这时用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出该区域中心点的位移fmax；
[0062] ②.然后以同一点为测量区域的中心点，用测量仪器重新确定边界，使得区域边界的长边与膜材的纬向(即y向)平行，区域边界的短边与膜材的经向(即x向)平行，同样用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出这一点的位移f′max；
[0063] 把测得的两个数据fmax和f′max分别代入公式(21)，得到两个方程，联立求解这两个方程就可以解得E1和E2；所以测量公式写成：
[0064]
[0065] 按照方程组(22)编写计算机程序，当测fmax和f′max后，可通过计算机控制技术将测量结果代入(22)公式，算出E1和E2；
[0066] 对于均匀的膜材，只需要令(21)中的E1＝E2＝E，便可得：
[0067]
[0068] 根据(23)式，只需要测量一个数据fmax，将其代入(23)式就可以求得均匀膜材的弹性模量E；
[0069] 测量区域的边界采用如下方法固定：
[0070] 在理论公式的推导中，假设膜面边界是固定的，而在实际工程中在膜结构上隔离出一完全固定边界的膜材是很困难的，所以拟采用槽状的吸盘在膜面上来隔离出一确定边界的待测区域；虽然这一区域的边界并非完全等同于理想的固定边界，但是与理想的固定边界很接近；理论拟取矩形测量区域边界尺寸为500mm×300mm；为得到两个不同的测量数据fmax和f′max，采用调换矩形边界的长、短边在同一点进行两次测量的方法来实现；
[0071] (3)最后制作出能应用于工程实际的测量仪器：
[0072] ①.测量仪的组成：测量仪主要由测量盒与控制盒组成；所述的测量盒由透明的钢化玻璃盒、小球发射装置、激光位移传感器、微型抽气泵组成，测量盒下口内边缘尺寸为500mm×300mm；所述的控制盒由塑料外壳、内置控制电路板、显示盒、控制开关和电池电源组成；控制盒固定于测量盒之上，二者之间由连接线连接；测量仪器的控制、数据处理和显示功能都由控制盒来完成；控制盒正面上包含电源开关、抽气开关、检测开关和显示屏等；
其背面设有电源、连接线的接口；
[0073] ②.各部分的作用及相互关系：测量盒主要用于形成膜面的区域边界，以保证实际膜面边界与理论模型的固支边界符合；测量盒上装有沿测量盒下口边的凹槽状吸盘；测量盒依靠此吸盘，通过微型抽气泵抽气，而吸住膜面，使其形成封闭的四边形膜面，此四边形膜面可以认为为四边固支的薄膜；装在测量盒内上表面正中间的小球发射装置用于发射小球，小球的入射速度v0通过预先标定，认为为已知量；当小球由此装置发射垂直入射到膜面而后反弹的过程中，装在测量盒内上表面的激光位移传感器可以测得膜面入射点的最大位移fmax；测量盒与控制盒之间的连接线将测得的数据传到控制盒；通过控制盒内的计算机程序将测得的数据演算成膜面弹性模量，再通过显示屏将弹性模量值显示出来；控制盒内的计算程序根据理论推导的测量公式进行编程；控制盒上的电源开关用来控制电源的开闭，电源由蓄电池提供；抽气开关控制微型抽气泵的抽气；检测开关用来控制测量的进行，按一次测量一次；同时各开关兼有指示灯功能，各开关按下时，开关亮起红色；开关弹起时，开关不亮；控制盒和检测盒上都设置有连接线和电源线接口；
[0074] ③测量时具体操作步骤：
[0075] a.将待测膜材表面清理干净，以便吸盘能吸住膜面；
[0076] b.按下控制盒电源开关按扭，接通电源，同时电源开关亮起红色；
[0077] c.将测量盒扣在受张力的膜面上，让测量盒边平行膜材的经向或纬向；
[0078] d.按下抽气开关按扭，同时抽气开关亮起红色；这时真空泵开始抽气，使得测量盒下口边的吸盘吸住膜面；这样测量盒下口形成一个封闭的矩形膜面区域；
[0079] e.当(d)步骤完成达到可以测量的要求后，抽气开关自动弹起，此时抽气开关不亮，表示可以进行测量了；
[0080] f.按一下检测开关按扭。此时激光位移传感器会自动开启，小球发射装置发射出小球；激光位移传感器测出冲击点的最大位移fmax；此时连接线将测得的最大位移fmax传到控制盒储存在系统中，并显示在显示屏的1区域；
[0081] g.关掉除电源开关的所有开关，将测量盒在原处以矩形膜面区域的中心为圆点，将测量盒旋转90度后，再重复(c)到(f)步骤；可得到另一个冲击点的最大位移f′max，显示在显示屏的2区域；
[0082] h.按下计算开关，这时控制盒计算出E1和E2，并将其值显示在显示屏的3和4区域上；
[0083] i.测量完毕后关闭电源开关；
[0084] 测量均匀膜材时，只需要进行(a)～(e)和第(h)步，所得弹性模量E将显示在显示屏的3区域。
[0085] (三)有益效果
[0086] 本发明提出的一种测量正交异性膜结构弹性模量的方法，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
[0087] 1.本发明所提出的测量方法以薄膜大挠度理论为基础，在测量的理论公式中考虑了膜材变形的几何非线性，较以前的线性理论更精确，更能反映工程的实际情况。
[0088] 2.该方法能同时测量正交异性膜材的正交两个方向的弹性模量；也可以测量均质膜材的弹性模量。
[0089] 3.该方法不仅能测量未建成膜结构前膜材的弹性模量，也能对建成后的膜结构的膜材弹性模量进行在线测量。
[0090] 4.该方法可以根据需要测出膜材在不同初始张力条件下的弹性模量。
[0091] 5.该测量装置结构简单、制作成本较低，操作简单方便，经济实用，且在任何外界环境下都能进行测量。
[0092] 6.该测量装置测量精度高，且在测量的时候不破坏膜材，测量后不影响膜结构的正常使用。
附图说明
[0093] 图1是本发明的测量的理论计算模型示意图。
[0094] 图2是本发明的待测区域的边界的确定步骤示意图。
[0095] 图3是本发明的待测区域边界尺寸示意图。
[0096] 图4是本发明的测量仪结构示意图。
具体实施方式
[0097] 本发明测量正交异性膜结构弹性模量的方法的理论模型是建立在实际工程基础之上的。其基本的原理是：用一个入射速度为v0的小圆球垂直入射到一固定边界的张拉膜面的中点，使膜面产生位移，并测量该位移的最大值fmax。再将入射速度为v0和位移fmax代入测量的理论公式得到正交异性膜结构的双向弹性模量。理论推导基于薄膜大挠度理论和动量守恒定理。测量的理论计算模型如图1所示。
[0098] 由薄膜大挠度理论得到正交异性薄膜非线性大挠度自由振动的控制方程组：
[0099]
[0100] 式中，ρ表示膜材面密度；Nx表示x向拉力；Ny表示y向拉力；N0x表示x向预张力；N0y表示y向预张力；Nxy表示剪切力；w表示w(x，y，t)挠度；h表示膜材厚度；E1表示x向弹性模量；E2表示y向弹性模量；G表示剪切模量；μ1表示x向泊松比；μ2表示y向泊松比。
[0101] 膜材四边为固支，则相应的边界条件如下：
[0102]
[0103]
[0104] 引入应力函数并忽略剪切力Nxy＝0。则方程(1)可简化为：
[0105]
[0106]
[0107] 采用伽辽金法对控制方程进行求解得：
[0108]
[0109] 式(6)是关于T(t)的非线性常微分方程：
[0110]
[0111] 其中：
[0112]
[0113]
[0114]
[0115] 将A、B、C的值代入(2.23)，并两边同除以 可得：
[0116]
[0117] 令 则有：
[0118]
[0119] 对(8)式第一次积分得：
[0120]
[0121] 其中，H值由运动的初始条件决定；设有矩形膜面中点初始位移T|t＝0＝Tmax，初速度为：
[0122]
[0123] 将T|t＝0＝Tmax和(10)式代入(9)可得：
[0124]
[0125] 对于方程(9)如果假设矩形膜面中点初始速度为：
[0126]
[0127] 初始位移为T|t＝0＝0，将T|t＝0＝0和(12)式代入(9)式可得：
[0128]
[0129] 由(11)和(13)式得：
[0130]
[0131] 式(14)中，Tmax为膜面中点的最大位移，即为需要测量的参数fmax；vmax为膜面中点的最大速度，它由入射小球的速度v0决定；
[0132] 下面计算小球冲击薄膜的瞬间，薄膜与小球一起运动的初速度vmax；在冲击时，冲击时间非常短暂，因此，薄膜与小球组成的系统近似为保守系统，动量守恒定理适用；考虑膜面不同点的速度的不同，则有：
[0133]
[0134] 其中，W为薄膜的初始变形函数；v0为小球的初速度，vmax为小球与膜面中点在冲击的一瞬间t＝0时刻的初始速度；薄膜初始变形的形函数为：
[0135]
[0136] 将(16)代入式(15)，计算可得：
[0137]
[0138] 其中m0为小球的质量；
[0139] 将式(17)代入(14)得：
[0140]
[0141] 将M和N的值代入式(18)得：
[0142]
[0143] 在小球的激励下，膜面的变形按一阶振型考虑，在式(19)中令m＝n＝1得：
[0144]
[0145] 将Tmax＝fmax代入得：
[0146]
[0147] 式(21)为测量的理论公式。
[0148] (2)通过实验验证理论的正确性：式(21)中，参数h、ρ、σ0x、σ0y、a、b、m0为已知参数；小球的入射速度v0也可以进行预先标定，将v0变为已知参数；这样公式(21)中位置参数为E1、E2和fmax；E1和E2为待求量，因此测量过程中只需要测出fmax；但是E1和E2为两个未知数，需要两个不线性相关的方程联立求解才能得到；因此按照如下的步骤来进行测量：
[0149] ①.首先使膜面的测量区域边界的长边与膜材的经向(即x向)平行，区域边界的短边与膜材的纬向(即y向)平行，这时用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出该区域中心点的位移fmax。
[0150] ②.然后以同一点为测量区域的中心点，用测量仪器重新确定边界，使得区域边界的长边与膜材的纬向(即y向)平行，区域边界的短边与膜材的经向(即x向)平行，同样用入射速度为v0的小球垂直入射到该区域的中点，测出这一点的位移f′max。
[0151] 待测区域的边界的确定步骤如图2所示，实线为第一步确定的待测区域，虚线为第二步确定的待测区域。
[0152] 把测得的两个数据fmax和f′max分别代入公式(21)，得到两个方程，联立求解这两个方程就可以解得E1和E2。所以测量公式写成：
[0153]
[0154] 按照方程组(22)编写计算机程序，当测fmax和f′max后，可通过计算机控制技术将测量结果代入(22)公式，算出E1和E2，并直接通过显示屏幕显示出来。这将在测量仪器的设计与实现中详细叙述。
[0155] 对于均匀的膜材，只需要令(21)中的E1＝E2＝E，便可得：
[0156]
[0157] 根据(23)式，只需要测量一个数据fmax，将其代入(23)式就可以求得均匀膜材的弹性模量E。
[0158] 测量区域的边界采用如下方法固定：
[0159] 在理论公式的推导中，假设膜面边界是固定的，而在实际工程中在膜结构上隔离出一完全固定边界的膜材是很困难的，所以拟采用槽状的吸盘在膜面上来隔离出一确定边界的待测区域。虽然这一区域的边界并非完全等同于理想的固定边界，但是与理想的固定边界很接近。理论拟取矩形测量区域边界尺寸为500mm×300mm，如图3所示。为得到两个不同的测量数据fmax和f′max，采用调换矩形边界的长、短边在同一点进行两次测量的方法来实现。
[0160] (3)最后制作出能应用于工程实际的测量仪器：根据理论推导与理论测量公式中所需测量的参数，设计测量仪器。测量仪器的结构如图4所示。
[0161] ①.测量仪的组成：测量仪主要由测量盒与控制盒组成；所述的测量盒由透明的钢化玻璃盒、小球发射装置、激光位移传感器、微型抽气泵组成，测量盒下口内边缘尺寸为500mm×300mm；所述的控制盒由塑料外壳、内置控制电路板、显示盒、控制开关和电池电源组成；控制盒固定于测量盒之上，二者之间由连接线连接；测量仪器的控制、数据处理和显示功能都由控制盒来完成；控制盒正面上包含电源开关、抽气开关、检测开关和显示屏等；
其背面设有电源、连接线的接口；
[0162] ②.各部分的作用及相互关系：测量盒主要用于形成膜面的区域边界，以保证实际膜面边界与理论模型的固支边界符合；测量盒上装有沿测量盒下口边的凹槽状吸盘；测量盒依靠此吸盘，通过微型抽气泵抽气，而吸住膜面，使其形成封闭的四边形膜面，此四边形膜面可以认为为四边固支的薄膜；装在测量盒内上表面正中间的小球发射装置用于发射小球，小球的入射速度v0通过预先标定，认为为已知量；当小球由此装置发射垂直入射到膜面而后反弹的过程中，装在测量盒内上表面的激光位移传感器可以测得膜面入射点的最大位移fmax；测量盒与控制盒之间的连接线将测得的数据传到控制盒；通过控制盒内的计算机程序将测得的数据演算成膜面弹性模量，再通过显示屏将弹性模量值显示出来；控制盒内的计算程序根据理论推导的测量公式进行编程；控制盒上的电源开关用来控制电源的开闭，电源由蓄电池提供；抽气开关控制微型抽气泵的抽气；检测开关用来控制测量的进行，按一次测量一次；同时各开关兼有指示灯功能，各开关按下时，开关亮起红色；开关弹起时，开关不亮；控制盒和检测盒上都设置有连接线和电源线接口；
[0163] ③测量时具体操作步骤：
[0164] a.将待测膜材表面清理干净，以便吸盘能吸住膜面；
[0165] b.按下控制盒电源开关按扭，接通电源，同时电源开关亮起红色；
[0166] c.将测量盒扣在受张力的膜面上，让测量盒边平行膜材的经向或纬向；
[0167] d.按下抽气开关按扭，同时抽气开关亮起红色；这时真空泵开始抽气，使得测量盒下口边的吸盘吸住膜面；这样测量盒下口形成一个封闭的矩形膜面区域；
[0168] e.当(d)步骤完成达到可以测量的要求后，抽气开关自动弹起，此时抽气开关不亮，表示可以进行测量了；
[0169] f.按一下检测开关按扭。此时激光位移传感器会自动开启，小球发射装置发射出小球；激光位移传感器测出冲击点的最大位移fmax；此时连接线将测得的最大位移fmax传到控制盒储存在系统中，并显示在显示屏的1区域；
[0170] g.关掉除电源开关的所有开关，将测量盒在原处以矩形膜面区域的中心为圆点，将测量盒旋转90度后，再重复(c)到(f)步骤；可得到另一个冲击点的最大位移f′max，显示在显示屏的2区域；
[0171] h.按下计算开关，这时控制盒计算出E1和E2，并将其值显示在显示屏的3和4区域上；
[0172] i.测量完毕后关闭电源开关；
[0173] 测量均匀膜材时，只需要进行(a)～(e)和第(h)步，所得弹性模量E将显示在显示屏的3区域。
[0174] 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
