CN101122559B - 形状记忆合金丝材用多功能测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来测试形状记忆合金丝材性能的多功能测试装置，它利用位移传感器来精确测量形状记忆合金丝材回复过程中位移的大小变化，利用力传感器来精确测量形状记忆合金丝材回复过程中的回复力的大小变化，该装置可以测量形状记忆合金丝材的回复率和回复力，测试形状记忆合金丝材恒载荷下记忆疲劳衰减性能，测试形状记忆合金耦合体的驱动性能和测量形状记忆合金丝材电阻的变化并进行反馈控制。该装置具有一机多用、原理简单、测量精度高、测量数据可靠、成本低、体积小、安装容易、操作简单等优点，对于形状记忆合金的研究、发展和应用有着重大意义。

Description

形状记忆合金丝材用多功能测试仪

技术领域

本发明涉及一种用来测试形状记忆合金丝材性能的多功能测试装置，特别是一种利用位移传感器精确测量形状记忆合金丝材回复过程中的位移的变化和利用力传感器精确测量形状记忆合金丝材回复过程中的力的变化，由此来测量形状记忆合金丝材的回复力和回复率、测试恒载荷下形状记忆合金丝材的记忆疲劳衰减性能、测试形状记忆合金丝材弹性耦合体的驱动性能以及测量形状记忆合金相变过程中的电阻变化并进行反馈控制的多功能测试装置。

背景技术

形状记忆合金具有优越的形状记忆性能，超弹性，很好的抗腐蚀性能和生物相容性等优异性能，在电子、机械、医学、能源、家电以及日常生活用品等领域得到了广泛应用。然而，目前对各种记忆性能的测试是一个难题，测试方法复杂，没有很好的统一标准，有些尚不能进行定量的实验研究。

(1)回复力和回复率的测量

目前，对于形状记忆合金丝材的回复力和回复率的测量一般在带有温控箱的材料试验机上进行，但这种设备昂贵，成本高，而且温控箱的加热冷却缓慢，测试周期长。因此，有必要提供一种简单测试形状记忆合金丝材的回复力和回复率的装置。

(2)形状记忆疲劳衰减的测试

目前形状记忆合金的疲劳性能都是通过测得S-N曲线而获得。对于形状记忆合金作为功能材料的特性，利用其记忆特性作为驱动元器件得到了广泛的应用，当形状记忆合金使用一定次数以后其回复位移减少到一定程度时就会失效，失效前并不发生断裂，所以S-N曲线不能很好的预测形状记忆合金的使用寿命。目前没有合适的方法来预测形状记忆合金作为驱动元器件由于记忆疲劳衰减而失效，因此，有必要提供一种测试形状记忆合金记忆疲劳衰减的方法，对工程应用中形状记忆合金疲劳失效和评估形状记忆合金材料性能优劣有着重要意义。

(3)形状记忆合金弹性耦合体驱动性能测试

形状记忆合金弹性耦合体是指将形状记忆合金与弹簧相连构成的耦合系统，作为驱动器在机械、自动化等领域得到广泛应用。其驱动性能主要指不同k值的弹簧与不同的形状记忆合金丝耦合时，在升温和降温过程中，温度与应力、应变之间的相互关系及其在热循环过程中形状记忆合金的记忆疲劳衰减性能。目前，虽然形状记忆合金弹性耦合体得到了广泛应用，但实验研究还很少，因此，有必要提供一种测试形状记忆合金弹性耦合体驱动性能的装置。

(4)形状记忆合金相变过程中电阻的测量及其反馈控制特性

形状记忆效应的本质是热弹性马氏体相变，所以相变过程的研究是形状记忆合金研究的一个重点，目前通常是利用在温度变化过程中测量电阻的变化来研究相变过程，例如利用电阻-温度曲线来确定相变点温度，建立马氏体体积分数、温度、电阻、时间之间的数学关系模型等。此外对于利用形状记忆合金的回复特性用作驱动元器件时，如何控制升温和降温速率来调整它的动作频率也是一个难点。因此有必要提供一种能测量相变过程电阻的变化并由此来调整温度变化速率起到反馈控制作用的装置。

记忆性能的测试对于形状记忆合金的研究和工程应用非常重要，因此提供一种形状记忆合金丝材用多功能测试仪对于形状记忆合金的研究、应用和发展有着重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高、测量数据可靠、成本低、体积小、安装容易以及操作简单的形状记忆合金丝材用多功能测试装置。

一种形状记忆合金丝材用多功能测试装置，其特征在于：包括主架，可动上套，形状记忆合金丝材，传感装置；所述形状记忆合金丝材上端固定在可动上套上，形状记忆合金丝材下端与传感装置相连接，所述传感装置固定在所述主架上；形状记忆合金丝材的两端与外部电路连接，所述传感装置的信号输出端与外部电路相连接。

一种优选技术方案，其特征在于：所述传感装置为力传感器，所述力传感器与所述形状记忆合金丝的下端相连接，该力传感器下端固定在主架上。

一种优选技术方案，其特征在于：所述传感装置包括位移传感器和砝码，所述位移传感器包括线性增量光学编码器和码片两部分组成，所述码片上端与所述形状记忆合金丝相连接，其下端与所述砝码相连接。

一种优选技术方案，其特征在于：所述所述传感装置包括位移传感器、砝码、弹簧和力传感器，所述位移传感器的码片上端与所述形状记忆合金丝相连接，其下端与所述弹簧的上端相连接，所述弹簧的下端与所述力传感器相连接。

本发明的形状记忆合金丝材用多功能测试仪，它适用于回复位移和回复力等相关参数与性能的测量，包括以下几个方面：

(1)采用对形状记忆合金丝材竖直放置的一种立式的测试方法，将形状记忆合金丝材上端固定，下端加一恒载荷，在形状记忆合金丝材旁边竖直安置一个位移传感器，一种非接触式的测量位移的方法。在对形状记忆合金丝材加热冷却过程中，通过位移传感器精确测量它的回复位移。通过对形状记忆合金丝材反复加热冷却，回复位移将随着热循环次数的增加而逐步减少，由此可测试恒载荷下形状记忆合金丝材的记忆疲劳衰减性能。

(2)采用对形状记忆合金丝材竖直放置的一种立式的测试方法，将形状记忆合金丝材上端固定，在形状记忆合金下端连接一个力传感器。在对形状记忆合金丝材加热冷却过程中，形状记忆合金丝材将发生回复，通过力传感器精确测量它的回复力的大小。

(3)结合(1)、(2)两种方法，把形状记忆合金丝材上端固定，下端与一给定k值的弹簧相连构成形状记忆合金弹性耦合体系统，弹簧的下端与力传感器相连，在形状记忆合金丝的旁边安置一个位移传感器。在加热冷却过程中可测得回复位移和弹簧产生的拉力，得到在不同热循环次数下的时间(可通过计算转换为温度)-应力-应变的关系，同时随着热循环次数的增加回复位移将逐步减少，测得形状记忆合金丝材的记忆疲劳衰减，来考查形状记忆合金弹性耦合体的驱动性能，

(4)对于(1)、(2)、(3)中所采用脉冲宽度调制电源(PWM)供电，电流加热，冷却均为自然冷却，所指的位移传感器测得的回复位移的大小和力传感器测得的力的大小均通过外部电路处理后经微机输出获得。外部电路的功能主要是能实现对形状记忆合金的通电加热，处理位移传感器和力传感器的输出信号，测量形状记忆合金丝的电阻变化，利用电阻的变化来进行反馈控制，调整电压幅值，通电时间，间隙时间来调整升温速率。对于熟知该领域的人能较容易理解，在后面的具体实施例中不再详述外部电路。

该装置可以测试形状记忆合金丝材的回复力和回复率，形状记忆合金丝材的记忆疲劳衰减性能，形状记忆合金丝材弹性耦合体的驱动性能，测量形状记忆合金丝材电阻的变化并进行反馈控制，具有一机多用的功能，此外还具有原理简单、测量精度高、测量数据可靠、成本低、体积小、安装容易、操作简单等优点。

下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之一的结构示意图；

图2为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之二的结构示意图；

图3为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之三的结构示意图；

具体实施方式

图4为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪采用的脉冲宽度调制电源供电的示意图。

本发明的形状记忆合金丝材用多功能测试仪具有一机多用的功能，现结合实例针对其测试功能，分别说明各功能测试的具体实施方式。

实施例1测量回复率和恒载荷下测试记忆合金疲劳衰减

如图1所示，为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之一测量回复率和恒载荷下测试记忆疲劳衰减性能的示意图；其中：11为可动上套；12为形状记忆合金丝材；13为主架；14为位移传感器；15为砝码。可动上套11的作用为可上下调动，调动到适当位置时把它固定在主架上，这样可测量不同长度的形状记忆合金丝材。形状记忆合金丝材12上端固定在可动上套11上，形状记忆合金丝材12下端通过码片与砝码15相连接，位移传感器14包括线性增量光学编码器和码片，根据形状记忆合金丝材的位置，把位移传感器14固定在主架13的适当位置。形状记忆合金丝材12的两端与外部电路连接，通过电流对形状记忆合金丝材加热。位移传感器14的信号输出端与外部电路相连，外部电路在图中未标出。

其具体测试步骤如下：

(1)用游标卡尺测量自由状态下形状记忆合金丝材的长度L1，形状记忆合金丝材与砝码通过码片相连，由于砝码的拉力作用，形状记忆合金丝材被拉长，测得被拉长后的长度L2，由此可得到预应变的大小。

(2)把形状记忆合金丝材12上端固定在主架13上，形状记忆合金丝材12下端与位移传感器14的码片相连，受砝码15向下的拉力。对形状记忆合金丝材12加热，形状记忆合金丝材12将发生回复，通过位移传感器14精确测得回复位移的大小，当温度达到相变点完成温度时，回复位移达到最大，测得回复位移为L3，则在给定预应变下回复率为：L3/(L2-L1)×100％。

(3)外部电路断电停止加热，形状记忆合金丝材冷12却，由于砝码15拉应力的作用形状记忆合金丝材12又被拉长。反复地对形状记忆合金丝材12加热冷却，则形状记忆合金不断的发生回复，拉长。位移传感器14测得每次的回复位移，随着热循环次数的增加，回复位移不断减少，利用测得的不同热循环次数下的回复位移来分析恒载荷下形状记忆合金丝材12的记忆疲劳衰减性能。

实施例2测量回复力

如图2所示，为本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之二测量回复力的示意图；其中：21为可动上套；22为形状记忆合金丝材；23为主架；24为力传感器。可动上套21的作用为可上下调动，调动到适当位置时把它固定在主架上，这样可测量不同长度的形状记忆合金丝材。所述形状记忆合金丝材22上端固定在所述可动上套21上，其下端与所述力传感器24相连。力传感器24的信号输出端与外部电路相连，外部电路在图中未标出。

其具体测试步骤如下：

(1)用游标卡尺测量自由状态下形状记忆合金丝材22的长度L1，在材料试验机上对形状记忆合金丝22材进行预应变，用游标卡尺测得被拉长后的长度L2，由此可得到预应变的大小。

(2)把形状记忆合金丝材上22端固定在主架23上，下端与力传感器24相连，力传感器24固定在主架23上。

(3)对形状记忆合金丝材22加热，形状记忆合金丝材22长度被固定，在回复过程中将产生回复力，当温度达到相变点完成温度时，回复力达到最大值，由力传感器24得到给定预应变下的回复力。

实施例3测试形状记忆合金耦合体系统的驱动性能

如图3所示，本发明形状记忆合金丝材用多功能测试仪实施例之三测试形状记忆合金耦合体系统的驱动性能的示意图，其中：31为可动上套；32为形状记忆合金丝材；33为主架；34为位移传感器；35为弹簧；36为力传感器。可动上套31的作用为可上下调动，调动到适当位置时把它固定在主架上，这样可测量不同长度的形状记忆合金丝材。形状记忆合金丝材32上端固定在可调上套31上，记忆合金丝材32下端通过位移传感器的码片与弹簧35的上端相连接，弹簧35的下端与力传感器36相连接。

其具体测试步骤如下：

(1)将形状记忆合金丝材32的上端固定在主架上，形状记忆合金丝材32下端与位移传感器的码片的上端相连，码片的下端与弹簧35的上端相连，弹簧35的下端与力传感器36相连，力传感器36固定在主架上。

(2)按(1)连接好以后，弹簧35处于拉长状态，因此弹簧35的拉力使得形状记忆合金丝材产生一定的预应变。对形状记忆合金丝材32加热，形状记忆合金丝材32将发生回复，产生的回复力把弹簧35往上拉，此时位移传感器34测得形状记忆合金丝材32的回复位移，力传感器36测得形状记忆合金丝材32受到的拉力，由此可以得到形状记忆合金耦合体系统的回复位移，形状记忆合金丝材32受到的应力和加热时间三者之间的关系。

(3)反复对形状记忆合金丝材32加热冷却，对形状记忆合金丝材32将不断发生回复，随着热循环次数的增加，回复位移不断减少，利用测得的回复位移来分析形状记忆耦合体系统的记忆疲劳衰减性能。

实施例4测量形状记忆合金丝材电阻的变化并进行反馈控制

在形状记忆合金的回复力和回复率的测试过程中，采用脉冲宽度调制电源(PWM)对形状记忆合金丝材供电。如图4所示，T1为通电时间，T2为间隙时间，A为电压幅值。在通电间隙，通过外部电路测得形状记忆合金电阻的变化，并利用形状记忆合金的电阻-温度关系通过程序转换成温度值，与装置要求的温度控制要求一起形成形状记忆合金温度控制的信号反馈，通过T1、T2、A值等过程参数的进一步调整，达到精确控制装置反应速度的目的。

Claims (3)

1.一种形状记忆合金丝材用多功能测试仪，其特征在于：包括主架，可动上套，形状记忆合金丝材，传感装置；所述可动上套位于所述主架的上端并与所述主架螺接；所述形状记忆合金丝材上端固定在所述可动上套上，所述形状记忆合金丝材下端与所述传感装置相连接；所述形状记忆合金丝材的两端与外部电路连接，所述传感装置的信号输出端与外部电路相连接。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金丝材用多功能测试仪，其特征在于：所述传感装置包括位移传感器和砝码，所述位移传感器包括线性增量光学编码器和码片两部分组成，所述码片上端与所述形状记忆合金丝材相连接，其下端与所述砝码相连接。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金丝材用多功能测试仪，其特征在于：所述传感装置包括位移传感器、砝码、弹簧和力传感器，所述位移传感器的码片上端与所述形状记忆合金丝材相连接，其下端与所述弹簧的上端相连接，所述弹簧的下端与所述力传感器相连接。

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