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1、第七章第七章 复合材料性能及评定复合材料性能及评定授课教师：刘君妹授课教师：刘君妹授课时间：授课时间：月月 日日 复合材料性能试验的目的复合材料性能试验的目的揭示复合材料的揭示复合材料的性能机理性能机理，用于指导复合，用于指导复合材料的材料设计材料的材料设计取得可靠的取得可靠的性能数据性能数据，用作复合材料结构，用作复合材料结构设计的基本参数设计的基本参数对材料性能的检验，作为生产过程中的对材料性能的检验，作为生产过程中的质质量控制量控制手段和最终产品的手段和最终产品的质量评定质量评定依据依据复合材料性能试验的分类复合材料性能试验的分类组分材料的性能试验组分材料的性能试验 纤维增强材料纤维增强
2、材料 基体材料基体材料复合材料的性能试验复合材料的性能试验 第一节第一节 组分材料的基本力学性能试验组分材料的基本力学性能试验一、纤一、纤 维维 增增 强强 材材 料料 性性 能能 试验试验纤维纤维单丝的力学性能试验单丝的力学性能试验纱线纱线的力学性能试验的力学性能试验织物织物的力学性能试验的力学性能试验二、基体材料的性能试验二、基体材料的性能试验一、纤维与纱线的力学性能一、纤维与纱线的力学性能主要内容：主要内容：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、韧性、拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、韧性、摩擦、磨损、蠕变疲劳、冲击摩擦、磨损、蠕变疲劳、冲击单丝拉伸试样单丝拉伸试样1单丝单丝2两端覆两端覆盖胶带夹持
3、盖胶带夹持端端3纸框中纸框中央剪断处央剪断处4纸框纸框纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能采用Instron，MTS，岛津型拉伸机测试表示方法表示方法：应力应力-应变曲线应变曲线纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能 1、拉伸断裂载荷（强力）拉伸断裂载荷（强力）p 单位单位：N或cN 2、拉伸强度拉伸强度t N/m2或MPa 比强度比强度：拉伸强力与纤维线密度拉伸强力与纤维线密度Ntex(Nden)之比 p0=p/Ntex p0=p/Nden纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能 3、断裂伸长断裂伸长 1）断裂长度断裂长度L(自由断裂长度自由断裂长度)：km 由纤维或纱线的自重，将自身
4、拉断时离握持点的由纤维或纱线的自重，将自身拉断时离握持点的长度长度。2）断裂伸长）断裂伸长：在拉力作用下，纤维或纱在拉力作用下，纤维或纱线拉到断裂时的伸长率（应变率）线拉到断裂时的伸长率（应变率）c c=(L=(Lc c-L-L0 0)/L)/L0 0 100(%)纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能 4、弹性模量弹性模量E(刚度）刚度）oa线性段为材料弹性阶段线性段为材料弹性阶段，oa的斜率即为材料的弹的斜率即为材料的弹性模量性模量 E=d/d 接近接近o o点的模量为初始模量点的模量为初始模量 单位：单位：N/mmN/mm2 2 或或MPa MPa 纺织生产中可表示纺织生产中可表示 E
5、 Ec c=dp=dp0 0/d/d(cN/dtex)E(cN/dtex)EL L=dL/d=dL/d(cN/tex(cN/tex或或km)km)纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能 5、拉伸断裂功拉伸断裂功(cNmm）拉伸力伸长曲线所包围的面拉伸力伸长曲线所包围的面积，即材料抵抗外力破坏时积，即材料抵抗外力破坏时具有的能量具有的能量 比拉伸断裂功比拉伸断裂功Wd：（相同的：（相同的面积面积A和相等长度和相等长度L）拉断）拉断材料单位体积所做的功材料单位体积所做的功 Wd=W/AL 纤维和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能几种高性能脆性纤维的应力应变曲线几种高性能脆性纤维的应力应变曲线纤维
6、和纱线的拉伸性能纤维和纱线的拉伸性能6、影响纤维与纱线拉伸断裂强度的主要因素、影响纤维与纱线拉伸断裂强度的主要因素1）影响纤维拉伸断裂强度的因素）影响纤维拉伸断裂强度的因素 大分子的聚合度、取向度、纤维的结晶度。取向度高，纤大分子的聚合度、取向度、纤维的结晶度。取向度高，纤维断裂伸长小，模量高，结晶度高，纤维脆性大。维断裂伸长小，模量高，结晶度高，纤维脆性大。2）影响纱线断裂强度的因素）影响纱线断裂强度的因素纤维的性能：强度、长度和细度纤维的性能：强度、长度和细度纱线的结构：纱线中纤维排列的平行度、伸直度、纱线捻度纱线的结构：纱线中纤维排列的平行度、伸直度、纱线捻度纤维和纱线的蠕变和松弛性能纤
7、维和纱线的蠕变和松弛性能蠕变和松弛表征材料随时间变化的粘弹性能。蠕变和松弛表征材料随时间变化的粘弹性能。包括：弹性变形、永久变形包括：弹性变形、永久变形蠕变：蠕变：在一定静态拉应力作用下，变形随时间而在一定静态拉应力作用下，变形随时间而变化的现象变化的现象松弛：松弛：在恒定的拉伸变形下，内部应力随时间的在恒定的拉伸变形下，内部应力随时间的延长而递减的现象延长而递减的现象影响蠕变和松弛的因素影响蠕变和松弛的因素：温度、回潮率、加载温度、回潮率、加载速度速度纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩 1、纤维与纱线的弯曲、纤维与纱线的弯曲 1）弯曲刚度弯曲刚度 Rf=(/4)fEr4
8、f弯曲弯曲时截面形状系数；截面形状系数；E弹性模量性模量 r半径半径 相相对弯曲弯曲刚度度RfR（cN/cm2）纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩2）纤维与纱线的弯曲破坏）纤维与纱线的弯曲破坏 曲率半径曲率半径r0越小，各层变形差异越大；当越小，各层变形差异越大；当r0过小时，纤维或过小时，纤维或纱线受弯断裂纱线受弯断裂纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩 2、纤维与纱线的扭转纤维与纱线的扭转 1）扭转刚度扭转刚度Rt：扭转刚度越大，材料越不易变形扭转刚度越大，材料越不易变形 Rt=/2tEsr4 t扭转截面形状系数扭转截面形状系数；Es剪切弹性模量；
9、剪切弹性模量；r折合半径折合半径剪切弹性模量剪切弹性模量Es与拉伸弹性模量与拉伸弹性模量Et的关系的关系 Es=Et/2（1+（横向变形系数，即泊松比横向变形系数，即泊松比纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩 2）纤维与纱线的扭转破坏纤维与纱线的扭转破坏 扭转变形增大，剪切应力增大，造扭转变形增大，剪切应力增大，造成大分子相互剪切滑动，纤维内结成大分子相互剪切滑动，纤维内结晶区破碎，非晶区大分子纵向剪断晶区破碎，非晶区大分子纵向剪断 表征参数：捻断时的捻角表征参数：捻断时的捻角纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩 3、纤维与纱线的压缩性能纤维与纱线的压缩
10、性能 包括纵向和横向两个方面。横向压包括纵向和横向两个方面。横向压缩性能可用纤维块体进行测试；缩性能可用纤维块体进行测试；压缩中同样有蠕变和松弛；压缩中同样有蠕变和松弛；纤维与纱线在一般受力情况下，没纤维与纱线在一般受力情况下，没有明显的破坏，但在高压缩时，出有明显的破坏，但在高压缩时，出现凹痕，纤维接触处有明显的压痕，现凹痕，纤维接触处有明显的压痕，再加压即出现纵向裂开并扩展，原再加压即出现纵向裂开并扩展，原纤碎裂纤碎裂纤维与纱线的疲劳性能纤维与纱线的疲劳性能疲劳过程疲劳过程：纱线在交变应力逐步作用下，某些薄：纱线在交变应力逐步作用下，某些薄弱环节产生损伤，直至达到足够循环次数后，发弱环节产
11、生损伤，直至达到足够循环次数后，发展到整体完全破坏断裂的过程展到整体完全破坏断裂的过程疲劳强度疲劳强度：在一定循环载荷作用下，经历在规定在一定循环载荷作用下，经历在规定的循环次数内（如的循环次数内（如107）不致产生断裂的最大应力）不致产生断裂的最大应力最大应力最大应力Smax、最小应力、最小应力Smin、平均应力、平均应力Sm 应力比应力比R=Smin/Smax纤维与纱线的疲劳性能纤维与纱线的疲劳性能三种疲劳测试形式：三种疲劳测试形式：纤维与纱线的疲劳性能纤维与纱线的疲劳性能纤维拉伸疲劳的三种形式纤维拉伸疲劳的三种形式纤维与纱线的摩擦及磨损性能纤维与纱线的摩擦及磨损性能 1、摩擦和抱合性能摩
12、擦和抱合性能 由法向压力引起的切向阻力定义为摩擦力由法向压力引起的切向阻力定义为摩擦力F2 法向力为零时的切向阻力定义为抱合力法向力为零时的切向阻力定义为抱合力F1 F=F1+F2 切向阻抗系数切向阻抗系数=F=F1 1/N+f/N+f纤维与纱线的摩擦及磨损性能纤维与纱线的摩擦及磨损性能 2、纤维的抱合力及影响因素纤维的抱合力及影响因素 抱合系数抱合系数h：纤维单位长度上的抱合力纤维单位长度上的抱合力h=F1/l 抱合长度抱合长度Lh：表征纤维的相对抱合力表征纤维的相对抱合力 Lh=(F1/Nt)1000影响切向阻抗系数的因素影响切向阻抗系数的因素：摩擦材料、滑动速度、湿度、摩擦表面的粗糙度、
13、摩擦材料、滑动速度、湿度、摩擦表面的粗糙度、接触状态等接触状态等 纤维与纱线的摩擦及磨损性能纤维与纱线的摩擦及磨损性能 3、纤维与纱线的耐磨性能纤维与纱线的耐磨性能 影响耐磨性的因素：影响耐磨性的因素：纤维的性质和纱线的结构纤维的性质和纱线的结构二、织物的力学性能织物的拉伸性能织物的拉伸性能织物的剪切性能织物的剪切性能织物的弯曲性能织物的弯曲性能织物的撕裂性能织物的撕裂性能织物的顶破性能织物的顶破性能织物的拉伸性能织物的拉伸性能 1、拉伸强度、断裂伸长率和断裂功拉伸强度、断裂伸长率和断裂功：扯边纱条样法：扯边纱条样法：平均断裂时间平均断裂时间20s左右；夹持长度左右；夹持长度50200mm 抓
14、样法：抓样法：剪切条样法：剪切条样法：针织品、非织造布和毡片针织品、非织造布和毡片织物的拉伸性能织物的拉伸性能 2、织物双轴拉伸织物双轴拉伸织物的拉伸性能织物的拉伸性能双轴拉伸试验载荷双轴拉伸试验载荷-应变曲线应变曲线织物的拉伸性能织物的拉伸性能 3、影响织物拉伸性能的因素影响织物拉伸性能的因素 织物密度与织物组织织物密度与织物组织：纱线的支数与结构纱线的支数与结构：纤维品种、纤维含量与混纺比：对高性能纤维，纤纤维品种、纤维含量与混纺比：对高性能纤维，纤维体积含量最佳值维体积含量最佳值6070%织物的弯曲性能织物的弯曲性能织物的弯曲刚度织物的弯曲刚度B B=nSRBYn受弯织物单位宽度的纱线数
15、；受弯织物单位宽度的纱线数；BY单根纱线的弯曲刚度单根纱线的弯曲刚度SR由织物紧密度引起的收缩率由织物紧密度引起的收缩率SR=Y0/l0织物的弯曲性能织物的弯曲性能织物的纯弯曲测试装置织物的纯弯曲测试装置织物的撕裂性能织物的撕裂性能测试方法：测试方法：撕裂强度的测试撕裂强度的测试 1）单缝法：）单缝法：2）梯形法：）梯形法：3）落锤法：）落锤法：织物的顶破性能织物的顶破性能适用针织物、无纺布和三向织物，尤其是适用针织物、无纺布和三向织物，尤其是防弹织物防弹织物仪器：仪器：弹子式顶破试验机、气压式顶破试验仪弹子式顶破试验机、气压式顶破试验仪三、基体材料性能试验三、基体材料性能试验树脂的树脂的拉伸
16、拉伸性能试验性能试验树脂的树脂的压缩压缩性能试验性能试验树脂的树脂的剪切剪切性能试验性能试验树脂的树脂的拉伸拉伸性能试验性能试验树脂浇筑体拉伸试样：树脂浇筑体拉伸试样：GB256781树脂的树脂的拉伸拉伸性能试验性能试验树脂的拉伸性能试验树脂的拉伸性能试验树脂的树脂的压缩压缩性能试验性能试验试样尺寸：据试样尺寸：据GB2569-81规定。规定。HH10+0.210+0.2压缩强度：压缩强度：H=25mm；弹性模量：弹性模量：H=50mm；100.2压缩性能指标压缩性能指标树脂的压缩性能试验树脂的压缩性能试验树脂的剪切性能试验树脂的剪切性能试验试验尺寸：试验尺寸：GB472684树脂的剪切性能试
17、验树脂的剪切性能试验剪切性能指标剪切性能指标第二节第二节 复合材料的基本性能试验复合材料的基本性能试验一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测二、复合材料力学性能测试二、复合材料力学性能测试三、复合材料的其他性能测试三、复合材料的其他性能测试一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测纤维体积含量的测定纤维体积含量的测定 灼烧法灼烧法 显微镜法显微镜法：GB3366 化学腐蚀法:GB3855复合材料孔隙率的测定复合材料孔隙率的测定一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测1.纤维体积含量的测定纤维体积含量的测定2.是复合材料最重要的数据之一是复合材料最重要的数据之一3.纤维体
18、积份数：纤维体积份数：1）灼烧法：）灼烧法：适合玻璃纤维增强树脂适合玻璃纤维增强树脂 特点特点：简单方便快捷，适于两相物质熔点差别较简单方便快捷，适于两相物质熔点差别较大的复合材料。大的复合材料。一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测 2）显微镜法）显微镜法（GB3366）：适合碳纤维和有机纤维）：适合碳纤维和有机纤维增强树脂增强树脂实验方法：实验方法：截取与纤维轴向垂直的截面（长截取与纤维轴向垂直的截面（长宽宽1010mm,厚为样品厚度），进行磨平抛光，用金相显微镜摄取两张放厚为样品厚度），进行磨平抛光，用金相显微镜摄取两张放大倍数不同的照片，在小倍数（大倍数不同的照片，在小倍数（
19、200倍）照片上测定观测面内倍）照片上测定观测面内的纤维根数，在大倍数（的纤维根数，在大倍数（1200倍）照片上测定单根纤维的平倍）照片上测定单根纤维的平均截面积均截面积纤维体积（份数）含量的计算：纤维体积（份数）含量的计算：纤维所占截面积与观测纤维所占截面积与观测面积之比面积之比一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测3）化学腐蚀法化学腐蚀法(GB3855)实验方法实验方法：用氧化剂在一定温度和时间条件下，使树脂基用氧化剂在一定温度和时间条件下，使树脂基本完全分解而又不过分腐蚀纤维的方法本完全分解而又不过分腐蚀纤维的方法试验设备：试验设备：耐酸玻璃熔砂漏斗过滤器耐酸玻璃熔砂漏斗过滤器
20、操作要点：式样长操作要点：式样长宽宽 厚厚10 10 3mm；试剂；试剂30mL98%浓硫酸；冷却后滴加浓硫酸；冷却后滴加30%的过氧化氢至的过氧化氢至液体澄清；加热温度液体澄清；加热温度220（根据树脂的熔化温度（根据树脂的熔化温度而定）；横温而定）；横温1h一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测树脂含量树脂含量WR和纤维体积含量纤维体积含量VfW1试样初始质量试样初始质量；W2消化后过滤器上纤维的质量消化后过滤器上纤维的质量；W3空白试空白试验中纤维损失百分率验中纤维损失百分率；fc碳纤维和复合材料式样的密度碳纤维和复合材料式样的密度一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检
21、测2.复合材料中孔隙率的测定复合材料中孔隙率的测定 衡量复合材料性能的重要参数，影响力学性能、吸水衡量复合材料性能的重要参数，影响力学性能、吸水性、抗疲劳性、耐气候老化性及性能的离散性性、抗疲劳性、耐气候老化性及性能的离散性.测试方法测试方法：显微镜法：显微镜法：GB3365 理论密度法理论密度法一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测显微镜法显微镜法:假定复合材料内部的空隙是均匀分布假定复合材料内部的空隙是均匀分布实验方法实验方法：用一台装有用一台装有1cm2，400格网格的目格网格的目镜观测式样截面积内的空隙面积镜观测式样截面积内的空隙面积孔隙率计算孔隙率计算：覆盖在空隙上的方格面
22、积与被测覆盖在空隙上的方格面积与被测剖面面积之比剖面面积之比一、复合材料成型质量检测一、复合材料成型质量检测理论密度法：理论密度法：c c复合材料的理论密度复合材料的理论密度 c c复合材料的实测密度复合材料的实测密度 其他试验指标的测试与前其他试验指标的测试与前 述相同述相同二、复合材料力学性能测试二、复合材料力学性能测试（一）复合材料的拉伸性能测试（一）复合材料的拉伸性能测试（二）复合材料的压缩性能测试（二）复合材料的压缩性能测试（三）复合材料的剪切性能测试（三）复合材料的剪切性能测试（四）复合材料的弯曲性能测试（四）复合材料的弯曲性能测试（五）复合材料的层间剪切性能测试（五）复合材料的层
23、间剪切性能测试试样的环境条件试样的环境条件GB1446-83温度温度232，相对湿度相对湿度45%-55%试样数量：每项不少于试样数量：每项不少于5个个试样状态调整规定：试样在标准环境中至试样状态调整规定：试样在标准环境中至少放置少放置24h（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试 1、织物或模压短切纤维增强塑料试样织物或模压短切纤维增强塑料试样GB1447-83，,织物增强塑料织物增强塑料（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试 模压短切纤维增强塑料模压短切纤维增强塑料（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试 2、单向复合材料拉伸试样单向复合材料拉伸试样
24、GB3354-82（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试计算公式计算公式：（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试3、缠绕管复合材料环向拉伸缠绕管复合材料环向拉伸 GB1458-781.拉力盘1-拉力盘；拉力盘；2-试样；试样；3-应变片应变片（一）复合材料拉伸性能测试（一）复合材料拉伸性能测试计算公式计算公式：（二）复合材料压缩性能测试（二）复合材料压缩性能测试1、织物或短切纤维增强塑料的压缩试样织物或短切纤维增强塑料的压缩试样 GB1448-83；计算公式计算公式（二）复合材料压缩性能测试（二）复合材料压缩性能测试 2、单向复合材料压缩性能试验单向复合材料压缩性能
25、试验 GB3586-83，薄板或薄壳，薄板或薄壳（二）复合材料压缩性能测试（二）复合材料压缩性能测试 3、缠绕管复合材料压缩试样缠绕管复合材料压缩试样 GB1459-781-试样；试样；2-应变片；应变片；3-压缩盘压缩盘（二）复合材料压缩性能测试（二）复合材料压缩性能测试 计算公式计算公式：（二）复合材料压缩性能测试（二）复合材料压缩性能测试其他试验方法的试样其他试验方法的试样（三）复合材料的平面剪切性能测试（三）复合材料的平面剪切性能测试试验方法试验方法：薄壁管扭转法薄壁管扭转法、45s拉伸法等拉伸法等薄壁圆管扭转试验方法（三）复合材料的平面剪切性能测试（三）复合材料的平面剪切性能测试计算
26、公式计算公式：（三）复合材料的平面剪切性能测试（三）复合材料的平面剪切性能测试45s拉伸试验方法拉伸试验方法 GB3355-82,测试单向或正交复合材料测试单向或正交复合材料 GLT单向或正交复合材料的剪切模量；单向或正交复合材料的剪切模量；（四）复合材料弯曲性能测试（四）复合材料弯曲性能测试弯曲性能试验弯曲性能试验：GB3356-82；GB1449-83单向纤维复合材料；织物或短切纤维毡复合材料单向纤维复合材料；织物或短切纤维毡复合材料三点弯曲四点弯曲（四）复合材料弯曲性能测试（四）复合材料弯曲性能测试计算公式计算公式：三点弯曲试验测出的弯三点弯曲试验测出的弯曲强度一般高于材料的曲强度一般高
27、于材料的拉伸（或压缩）强度；拉伸（或压缩）强度；而测出的弯曲弹性模量而测出的弯曲弹性模量一般要低于材料的拉伸一般要低于材料的拉伸（或压缩）弹性模量（或压缩）弹性模量（五）层间剪切强度性能测试（五）层间剪切强度性能测试短梁剪切试验短梁剪切试验 国标国标GB3375-82三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试1、线膨胀系数试验、线膨胀系数试验:在一定温度范围内，因温度变化引在一定温度范围内，因温度变化引起的伸长率与温度的改变量成正比起的伸长率与温度的改变量成正比式中:L0-物体在温度变化前的长度;L-因温度变化物体长度的改变量;T-温度的改变量；比例常数，即线性膨胀系数三、其他物理性能测试三、其
28、他物理性能测试试验方法：石英管示差法试验方法：石英管示差法GB2572-811-指示器;2-固定螺丝;3-连接杆;4-石英外管;5-石英内管;6-试样三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试线膨胀系数试验计算方法线膨胀系数试验计算方法：三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试 2、导热系数试验导热系数试验 GB3139-82,平板导热试验法平板导热试验法W-加热板功率；加热板功率；h-试样厚度；试样厚度；A-试样面积；试样面积；T-试样两面的温度差试样两面的温度差三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试3、电阻率试验、电阻率试验电阻：电阻：根据电流流过材料的方式不同根据电流流过材料的方式不同,
29、电阻可分为电阻可分为体积电阻体积电阻:电流通过材料厚度从一面流向另一面电流通过材料厚度从一面流向另一面表面电阻表面电阻:电流通过材料表面从一面流向另一面电流通过材料表面从一面流向另一面三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试电阻率试验：面积电阻电阻率试验：面积电阻Lb三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试电阻率试验电阻率试验:体积电阻体积电阻st三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试三电极系统测电阻率试验三电极系统测电阻率试验：GB1410-78板状试样与电极板状试样与电极三、其他物理性能测试三、其他物理性能测试圆管式体积电阻率和表面电阻率计算圆管式体积电阻率和表面电阻率计算:四、复合材料的无损检验四、复合材料的无损检验检测方法：检测方法：1、声波无损检测法；、声波无损检测法；2、振动无损检测法；、振动无损检测法；3、超声波无损检测法、超声波无损检测法4、声发射无损检测法；、声发射无损检测法；5、微波无损检测法；、微波无损检测法；6、射线无损检测法；、射线无损检测法；7、光学全息术无损检测法、光学全息术无损检测法