CN102135480A - 微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法，该方法为：利用电磁脉冲发射技术使子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；利用分离式霍普金森杆技术将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；记录输入杆和输出杆的应变数据，并采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像；分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线，以及分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。该系统及方法解决了对微机电系统(MEMS)动态力学性能，以及对压电、铁电薄膜等膜状材料研究等的问题。

Description

微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法

技术领域

本发明涉及结构形变及力学实验技术领域，具体地说，本发明涉及一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法。

背景技术

很多工程材料和结构都面临着冲击载荷的作用，承受这些载荷的材料会以高应变率变形。大量实验结果表明，在不同的应变率下，材料的力学性能往往不同。因此，在工程实际应用中，材料的动态力学特性对结构安全性、可靠性设计有着重要的意义。

目前，测量材料在高应变率下的力学性能时，使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆(简称SHPB)技术，这一技术最早由霍普金森(Hopkinson)于1914年提出，克劳斯盖(Kolsky)于1948年对这一技术进行了改进，使之更加完善。这一方法的基本原理是：将短试样放置于两根压杆之间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆炸产生加速脉冲，对试样进行冲击加载。如果压杆保持弹性状态，则杆中的脉冲将以弹性波速

无失真地传播。这样，粘贴在两个压杆上并且距杆端部一定距离的应变片来就能够测量到脉冲信号，通过对该信号的处理得到材料的动态力学性能曲线。

国内外现有的霍普金森杆装置大都采用气动发射对试件进行冲击加载。如任辉启等(专利申请号：200620031882)利用气炮发射技术设计了大直径分离式霍普金森压杆；谢若泽等(专利号CN1888851)利用气动发射原理研制了用于高温霍普金森压杆实验的双向双气路自动组装装置。利用气动发射技术使得霍普金森杆装置体积庞大，实验过程中能量转化率低、发射噪音污染大、且冲击加载速度和加载应变率的提升空间不大，无法对微型试件进行动态力学性能研究。2006年，李玉龙等(李玉龙，郭伟国，“微型Hopkinson拉杆技术”爆炸与冲击，303-308，26(4)，2006)将传统的Hopkinson杆按一定比例缩小，发展了小型的Hopkinson压杆。然而该技术中仍采用气动发射技术，无法使整个Hopkinson杆装置进一步缩小，冲击速度可调节范围小，无法实现如膜状以及微机电系统(MEMS)等微型试件的动态性能测量。

总之，近年来，对微机电系统(MEMS)动态力学性能研究，以及对压电、铁电薄膜等膜状材料研究正在成为热点，所以，迫切需要研制一套系统来解决上述问题。

发明内容

本发明涉及一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法，该系统及方法解决了对微机电系统(MEMS)动态力学性能，以及对压电、铁电薄膜等膜状材料研究等的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，用于对微型试件的动态性能进行测量，其中，该系统包括：电磁脉冲发射装置、分离式霍普金森拉杆装置、应力应变测试装置、高速显微二维变形测量装置以及数据分析装置；其中，

所述电磁脉冲发射装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置相连，用于利用电磁脉冲发射技术为该系统提供动力，使安装在所述电磁脉冲发射装置上的发射管内的子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

所述分离式霍普金森拉杆装置，与所述电磁脉冲发射装置、应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

所述应力应变测试装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置和数据分析装置相连接，用于记录所述分离式霍普金森拉杆装置上输入杆和输出杆的应变数据，并将该应变数据发送给所述数据分析装置；

所述高速显微二维变形测量装置，与所述数据分析装置相连，用于采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像，并将该表面动态变形图像保存到所述数据分析装置中；

所述数据分析装置，与所述应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于接收所述应力应变测试装置发送的应变数据，分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线；还用于分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

进一步地，其中，该系统还包括：光学测速装置，该光学测速装置与所述电磁脉冲发射装置和数据分析装置相连接，并设置在所述电磁脉冲发射装置上发射管的端口，用于标定所述子弹在所述电磁脉冲发射装置的发射管中不同位置的发射速度发送给所述数据分析装置。

进一步地，其中，所述光学测速装置包括：光敏组件、控制电路和显示电路；其中，

所述光敏组件，与所述控制电路和电磁脉冲发射装置相连接，该光敏组件包括：光源发射器和光敏电阻，所述光源发射器设置在所述电磁脉冲发射装置上发射管的端口，用于所述电磁脉冲发射装置的子弹穿过设置在发射管的端口处的所述光源发射器发出的平行光源到所述光敏电阻时，所述光敏电阻的阻值发生变化，并产生信号存储在所述控制电路中；

所述控制电路，与所述光敏组件、显示电路和数据分析装置相连接，用于对产生信号进行处理、计算，并输出给所述显示电路和数据分析装置；

所述显示电路，与所述控制电路相连接，用于显示所述控制电路输出的内容。

进一步地，其中，所述电磁脉冲发射装置包括：电磁线圈组、定向充电二极管组、发射管、电容器组、六维调节支架和电磁屏蔽器；其中，所述定向充电二极管组和电容器组构成储能电路；所述储能电路与电磁线圈组相连接，通过所述电磁线圈组将电能转换为瞬间磁能对所述子弹做功，使所述子弹获得瞬间加速而高速发射出去，所述六维调节支架与所述电磁线圈组和发射管相连接，使该电磁线圈组和发射管完全固定，所述电磁屏蔽器置于所述电磁线圈组外围。

进一步地，其中，所述应力应变测试装置包括：四个半导体应变片、超动态应变仪、数据线和高速采集仪；所述四个半导体应变片粘贴于所述分离式霍普金森拉杆装置的输入杆和输出杆表面，且所述输入杆和输出杆表面上各对称布置两个半导体应变片，所述超动态应变仪与所述半导体应变片通过所述数据线电桥相连，所述超动态应变仪对所述半导体应变片上获得应变数据进行记录，并通过所述高速采集仪将记录的该应变数据传送给所述数据分析装置。

进一步地，其中，所述分离式霍普金森拉杆装置包括：输入杆、凸台、输出杆、缓冲块、子弹、底座导轨和四维调节支架；其中，所述输入杆和输出杆各有一端面开有一通槽；所述输入杆通过螺纹连接所述凸台；所述四维调节支架与所述输入杆和输出杆相连接，并将其固定在所述底座导轨上；所述缓冲块固定在所述底座导轨上，且该缓冲块上有一通孔与所述输入杆和输出杆的轴线重合。

进一步地，其中，所述分离式霍普金森拉杆装置中的输入杆和输出杆的通槽内插入所述微型试件，并通过胶体或夹具将所述微型试件固定在所述输入杆和输出杆之间。

进一步地，其中，所述高速显微二维变形测量装置包括：强光源、高速相机、长工作距离显微镜头；其中，所述强光源用于对所述微型试件表面数字图像的高速采集提供光源，所述高速相机实时采集所述微型试件动态变形过程的数字图像，所述长工作距离显微镜头与高速相机配合，采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像，然后将采集到的表面动态变形图像保存到数据分析装置中。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量方法，用于对微型试件的动态性能进行测量，其中，该方法步骤为：

利用电磁脉冲发射技术使子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

利用分离式霍普金森杆技术将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

记录输入杆和输出杆的应变数据，并采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像；

分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线，以及分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

进一步地，其中，在该方法之前还包括：标定所述子弹不同位置的发射速度，作为分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线的参考。

与现有技术相比，本发明所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统及方法，利用电磁发射技术具有发射速度快、发射成本低、可连续发射等特点，并结合霍普金森拉杆技术、单片机数显技术、高速相机以及显微数字图像相关技术，解决了对材料或微型结构进行高应变率下动态力学性能研究。在获得高冲击加载速度的前提下，保证该系统及方法实现微型化、能量转化率高、噪音污染小、发射稳定、易调速、测速快捷、便于重复试验等功能和特点，并能够对微型试件如膜状或MEMS结构进行动态力学性能实验研究。

附图说明

图1为本发明实施例一所述微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统的整体结构图；

图2为本发明实施例一中电磁脉冲发射装置结构示意图；

图3为本发明实施例一中的分离式微型霍普金森拉杆装置结构示意图；

图4为本发明实施例一中光学测速装置结构示意图；

图5为本发明实施例二所述微型试件冲击加载与动态力学性能测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明实施例一所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，包括：电磁脉冲发射装置1、分离式霍普金森拉杆装置2、应力应变测试装置4、高速显微二维变形测量装置5以及数据分析装置6，五个部分组成。

进一步地，其中，如图2所示，所述电磁脉冲发射装置1为整个系统提供动力，电磁脉冲发射装置1与分离式霍普金森拉杆装置2相连接，该电磁脉冲发射装置1具体包括：电磁线圈组11、电源插头12、指示灯13、定向充电二极管组14、触点开关15、发射管16、电容器组17、六维调节支架18和电磁屏蔽器19(如图1所示)；其中，由电源插头12、指示灯13、定向充电二极管组14和电容器组17构成了储能电路，当然也可以直接由定向充电二极管组14和电容器组17构成了储能电路，这里电源插头12、指示灯13可以是选配器件，根据具体的实际需要来进行设置。

所述储能电路通过上述的储能元件来实现存储电能，并通过电磁线圈组11将电能(一般是脉冲电流)转换为瞬间磁能对子弹(在本实施例中采用的是圆筒状子弹)23做功，这里根据发射速度和高应变率实验的具体需要可设计成单级或多级电磁线圈组11，所述的电磁线圈组11固定在发射管16外部并与发射管同轴，所述圆筒状子弹23放入电磁线圈组11和发射管16内部，将磁能转换为动能实现高速发射，所述六维调节支架18可实现对电磁线圈组11的6个自由度(沿x，y，z轴的3个方向平动和转动)进行定位和调节，使电磁线圈组11和发射管16完全固定。

该电磁脉冲发射装置1工作过程是：所述电源插头12接入220V交流电为电容器组17充电，所述定向充电二极管组14包括4个二极管按图2所示排列，该定向充电二极管组14起到对电容器组17单向充电、防止电容器组17反向放电的作用。其中，如上所述储能电路由于具有储能的电容器组17和单向储能线路，因此当电容器组17充电时指示灯13亮、充电结束指示灯13灭。按下触点开关15，电容器组17向电磁线圈组11瞬间放电、松开触点开关15，电容器组17与电磁线圈组11的连接断开，这里的触点开关15也是可以作为选配器件，根据具体的实际需要来进行设置。

所述电磁线圈组11套在发射管16外，所述发射管16内装有圆筒状子弹23。圆筒状子弹23两端对称的固定有两个弹托，以保证圆筒状子弹23与发射管16同轴，发射过程中圆筒状子弹23与输入杆21互不接触，此外，电磁脉冲发射装置1还包括有金属网状屏蔽器19(在图2和图1中分别用虚线标出)，该金属网状屏蔽器19罩在发射管16和电磁线圈组11外面。这里电磁脉冲发射装置1是利用电磁脉冲发射技术使发射管16内的铁磁性的圆筒状子弹23获得瞬间加速，并高速发射出去，为整个系统提供动力；由于电磁脉冲发射易控制、装置体积小、简便等特点可以方便地实现整个系统的小型化。

其中，如图3所示，是本发明提供的分离式霍普金森拉杆装置2结构示意图，所述的分离式霍普金森拉杆装置2具体包括：输入杆21、凸台22、输出杆26、缓冲块24、圆筒状子弹23、四维调节支架25和底座导轨20。具体地，输入杆21和输出杆26各有一端面开有一通槽，将微型试件两端插入两根杆(输入杆21和输出杆26)通槽内使用胶体将其固定在两根杆之间，或者设计特定夹具将微型试件固定在两根杆之间；另外，输入杆21通过螺纹连接凸台22，所述四维调节支架25可分别实现对输入杆21、输出杆26的4个自由度(沿x，y，z轴的3个方向平动和x轴方向的转动)的定位和调节，并通过四维调节支架25将输入杆21和输出杆26固定在底座导轨20上；所述缓冲块24单独固定在底座导轨20上，缓冲块24上有一通孔，该通孔、输入杆21和输出杆26的轴线重合。这里分离式霍普金森拉杆装置2的工作是将圆筒状子弹23撞击输入杆21相连的凸台22后，在输入杆21中产生并传递的拉伸应力波传递给微型试件，从而实现微型试件的动态冲击加载。

分离式霍普金森拉杆装置2使用六维调节支架18和四维调节支架25调节发射管16、输入杆21、输出杆26、圆筒状子弹23至四者轴线重合的位置；圆筒状子弹23上带有两个环形弹托用于调整圆筒状子弹23在发射管16中的位置，使得圆筒状子弹23与发射管16和输入杆21同轴，且不与输入杆21接触，输入杆21贯穿圆筒状子弹23和发射管16，并通过微型试件与输出杆26相连。所述的带有弹托的圆筒状子弹23可将电磁线圈组11提供的磁能转化为动能实现高速发射，所述的输入杆21上有一凸台22，圆筒状子弹23发射后将撞击该凸台22，所述缓冲块24单独固定于底座导轨20上，凸台22受圆筒状子弹23撞击后将撞击到缓冲块24上而停止；所述四维调节支架25可分别对输入杆21、输出杆26的4个自由度(沿x，y，z轴的3个方向平动和x轴方向的转动)进行定位和调节，使输入杆21、输出杆26均可沿x轴进行平动和转动，并调节输入杆21、输出杆26至两者轴线重合。

其中，如图1所示，所述应力应变测试装置4包括：四个半导体应变片41、超动态应变仪42、数据线43和高速采集仪44(也可以是高速采集卡)；具体地，所述半导体应变片41粘贴于分离式霍普金森拉杆装置2的输入杆和输出杆表面，所述超动态应变仪42与半导体应变片41通过数据线43实现电桥相连，并通过高速采集仪44与数据分析装置6相连接；具体地是应力应变测试装置4通过四个半导体应变片41与分离式霍普金森拉杆装置2的输入杆21和输出杆26相连，即四个半导体应变片41粘贴于所述分离式霍普金森拉杆装置2的输入杆21和输出杆26的表面各两个。当冲击加载时，超动态应变仪42对四个半导体应变片41上获得输入杆和输出杆的应变数据进行记录，并通过高速采集仪44将记录的应变数据传送给数据分析装置6。

所述数据分析装置6接收所述应力应变测试装置4发送的应变数据，分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线。

其中，如图1所示，所述高速显微二维变形测量装置5包括：强光源51、高速相机52和长工作距离显微镜头53；具体地，所述强光源51为微型试件表面数字图像的高速采集提供光源，所述高速相机52实时采集微型试件动态变形过程的数字图像，所述长工作距离显微镜头53与高速相机52配合采集放大的微型试件的表面动态变形图像，然后将采集到的表面动态变形图像保存到数据分析装置6中。

具体地是，当冲击实验时，高速显微二维变形测量装置5利用长工作距离显微镜头53以及高速相机52配合采集放大的微型试件的表面动态变形图像，并保存到数据分析装置6中。

实验后，所述数据分析装置6利用数字图像相关技术分析采集到的微型试件的表面动态变形图像，从而可以获得该微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布，结合上述从应力应变测试装置4获得的应变数据，并分析获得的所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线，为该微型试件细观破坏机理分析提供科学的实验数据。

其中，本发明实施例一所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统还可以包括：光学测速装置3，如图4所示，该光学测速装置3包括：光敏组件31、控制电路32和显示电路33；所述光敏组件31包括：光源发射器311和光敏电阻312；在本实施例中该光学测速装置3设置在所述电磁脉冲发射装置1上发射管16的左端并靠近端口；当然这里并不具体限定在发射管16的左端，要根据具体的所述电磁脉冲发射装置1的安装方向来定。

所述光敏组件31，与所述控制电路32和电磁脉冲发射装置1相连接，所述光源发射器311设置在所述电磁脉冲发射装置1上发射管16的端口，用于电磁脉冲发射装置1的圆筒状子弹23穿过设置在发射管16的端口处的光源发射器311发出的平行光源到光敏电阻312时，所述光敏电阻312的阻值发生变化，并产生信号存储在所述控制电路32中。

所述控制电路32，与所述光敏组件31、显示电路33和数据分析装置6相连接，用于对产生信号进行处理、计算，并输出给所述显示电路33和数据分析装置6。

所述显示电路33，与所述控制电路32相连接，用于显示所述控制电路32输出的内容。

具体地在本实施例中操作过程是：由于光学测速装置3中的控制电路32内部安装有可进行数值计算的单片机，单片机上编写并存放着控制和计算程序，同时由于所述光敏组件31放置于电磁脉冲发射装置1的圆筒状子弹23出口或出膛位置，圆筒状子弹23穿过平行光源时将使光敏电阻312的阻值发生变化，控制电路32中的单片机对阻值变化时产生的信号进行处理、计算，得到圆筒状子弹23的出膛速度，并将其输出给显示电路33和数据分析装置6。光学测速装置3中的显示电路33内安装有显示屏和十进制处理器，所述十进制处理器将单片机计算好的速度数据进行十进制处理，所述显示屏将十进制发射速度数据显示出来。

这里光学测速装置3在微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统启动前，用来标定圆筒状子弹23在发射管16中不同位置的发射速度，用于实现对圆筒状子弹23的不同发射速度的调节，作为分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线的参考。实际上，光学测速装置3是在本发明所述系统的标定过程中使用的，在本发明所述的系统实际使用过程中可以不包括该光学测速装置3。

下面以本发明实施例一所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统为例，具体说明下该系统的实际操作过程：

第一，将圆筒状子弹23、发射管16、输入杆21、输出杆26按照图1所示位置放置，圆筒状子弹23放置在发射管16内部右端特定位置，将电磁脉冲发射装置1的电源插头12插入220V交流电中为具有储能功能的电容器组17单向充电，瞬间充电完毕，通过触点开关15的合并和高速相机52以及超高速动态应变仪42的开关同时触发，电容器组17向电磁线圈组11瞬间放电，在电磁线圈组11中产生一个脉冲电流，该脉冲电流在电磁线圈组11和发射管16中产生一个脉冲磁场，圆筒状子弹23在强大脉冲电磁力作用下在发射管16中获得瞬间加速，由于弹托的限位作用，圆筒状子弹23沿发射管16中心轴线方向发射出去，撞到凸台22上而停下，圆筒状子弹23从发射到撞到凸台22之前一直与输入杆21保持同轴而互不接触。

第二，当圆筒状子弹23高速撞击凸台22时，将在输入杆21中产生一拉伸应力波，该拉伸应力波在输入杆21的另一端发生反射和透射，反射波为压缩应力波在输入杆21中传播，透射波通过微型试件传递到输出杆26中，从而可从输入杆21和输出杆26上粘贴的半导体应变片41及超动态应变仪42上获得微型试件上的一维应力应变信息。同时，通过由强光源51、长工作距离显微镜头53和高速相机52组成的高速显微二维变形测量装置5，采集应力波在微型试件内部传播时的微型试件表面图像，通过数字图像相关分析获得试件表面的二维变形信息以及变形破坏规律。

需说明的是，在第一步中圆筒状子弹23在发射管16中的不同位置的发射速度需在实验前标定，圆筒状子弹23速度的标定过程中，将输入杆21从发射管16中取出，将图4所示的光学测速装置3放置在靠近发射管16的左端处，圆筒状子弹23的发射过程同上，当圆筒状子弹23发射并离开发射管16后穿过平行光源，光学测速装置3并将速度在显示电路33上显示，调节圆筒状子弹23在发射管16中的位置，重复此过程，可获得圆筒状子弹23在发射管16中的不同位置与速度的关系来实现不同的圆筒状子弹23发射速度，作为分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线的参考。上述的圆筒状子弹23速度的标定过程，并不需要每次实验前都进行，标定一次，即可长期实验而不需再次标定。

上述实施例中包括的操作实施步骤仅仅作为参考，对于本领域技术人员来说，其安装的先后逻辑关系可以根据实际需要进行变化，如：可以根据需要设计成电磁发射驱动的微型压杆系统，这里不在一一列举。

此外，如图5所示，为本发明实施例二所述的一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量方法，用于对微型试件的动态性能进行测量，该方法步骤为：

步骤501，利用电磁脉冲发射技术使圆筒状子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

步骤502，利用分离式霍普金森杆技术将所述圆筒状子弹撞击凸台后在输入杆中产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

步骤503，记录输入杆和输出杆的应变数据，并采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像；

步骤504，分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线，以及分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

上述步骤503和504可以通过现有的超动态应变仪等动态应变测试设备、高速相机结合显微镜头以及显微数字图像相关技术来完成。

进一步地，上述方法中步骤501之前还可以包括一步骤：标定所述圆筒状子弹不同位置的发射速度，作为分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线的参考。但上述的圆筒状子弹速度的标定过程，并不需要每次实验前都进行，标定一次，即可长期实验而不需再次标定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：该系统及方法由于采用了电磁发射技术对试件施加冲击加载，避免了现有的气动发射装置在实验过程中产生的噪音污染；该发射装置提高了系统的能量转化率，降低了实验成本，子弹的发射速度可达5～50m/s，通过对电磁脉冲发射装置进行改进使得发射速度还有较大提升空间；该系统的发射稳定性高，容易实现和满足不同冲击加载速度调节的要求；值得注意的是该系统中由于电磁脉冲的传播早于应力波的传播，同时其速度也远大于应力波的传播速度，因此二者可在超动态应变仪上测得的电压或应变信号中完全分开，避免了信号干扰；基于电磁发射原理，该系统的子弹发射后可通过简单调节而自动回到初始端，便于重复试验；通过使用单片机数显技术，可快速、准确地测量出冲击加载速度；采用高速显微二维变形测量装置，可获得微型试件动态冲击加载过程中的二维变形场分布，为动态力学性能研究提供重要依据。该系统及方法可对板状、膜状试件以及MEMS试件进行动态力学性能研究。本发明结构紧凑，具有微型化的特点，其中整个系统长度约为1米左右，输入和输出杆直径为3毫米，并可以根据需要进一步缩小，加工简单方便，成本低廉，便于移动。

总之，该系统及方法利用电磁发射技术对试件施加冲击载荷，并结合分离式霍普金森杆技术、单片机数显技术、高速相机以及显微数字图像相关技术，对材料或微型结构进行高应变率下动态力学性能研究。在获得高冲击加载速度的前提下，保证该系统及方法实现微型化、能量转化率高、噪音污染小、发射稳定、易调速、测速快捷、便于重复试验等功能和特点，并能够对微型试件如膜状或MEMS结构进行动态力学性能实验研究。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变，但这些相应的改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，用于对微型试件的动态性能进行测量，其特征在于，该系统包括：电磁脉冲发射装置、分离式霍普金森拉杆装置、应力应变测试装置、高速显微二维变形测量装置以及数据分析装置；其中，

所述电磁脉冲发射装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置相连，用于利用电磁脉冲发射技术为该系统提供动力，使安装在所述电磁脉冲发射装置上的发射管内的子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

所述分离式霍普金森拉杆装置，与所述电磁脉冲发射装置、应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

所述应力应变测试装置，与所述分离式霍普金森拉杆装置和数据分析装置相连接，用于记录所述分离式霍普金森拉杆装置上输入杆和输出杆的应变数据，并将该应变数据发送给所述数据分析装置；

所述高速显微二维变形测量装置，与所述数据分析装置相连，用于采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像，并将该表面动态变形图像保存到所述数据分析装置中；

所述数据分析装置，与所述应力应变测试装置和高速显微二维变形测量装置相连，用于接收所述应力应变测试装置发送的应变数据，分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线；还用于分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

2.如权利要求1所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，该系统还包括：光学测速装置，该光学测速装置与所述电磁脉冲发射装置和数据分析装置相连接，并设置在所述电磁脉冲发射装置上发射管的端口，用于标定所述子弹在所述电磁脉冲发射装置的发射管中不同位置的发射速度发送给所述数据分析装置。

3.如权利要求2所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述光学测速装置包括：光敏组件、控制电路和显示电路；其中，

所述光敏组件，与所述控制电路和电磁脉冲发射装置相连接，该光敏组件包括：光源发射器和光敏电阻，所述光源发射器设置在所述电磁脉冲发射装置上发射管的端口，用于所述电磁脉冲发射装置的子弹穿过设置在发射管的端口处的所述光源发射器发出的平行光源到所述光敏电阻时，所述光敏电阻的阻值发生变化，并产生信号存储在所述控制电路中；

所述控制电路，与所述光敏组件、显示电路和数据分析装置相连接，用于对产生信号进行处理、计算，并输出给所述显示电路和数据分析装置；

所述显示电路，与所述控制电路相连接，用于显示所述控制电路输出的内容。

4.如权利要求1至3中任一所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述电磁脉冲发射装置包括：电磁线圈组、定向充电二极管组、发射管、电容器组、六维调节支架和电磁屏蔽器；其中，所述定向充电二极管组和电容器组构成储能电路；所述储能电路与电磁线圈组相连接，通过所述电磁线圈组将电能转换为瞬间磁能对所述子弹做功，使所述子弹获得瞬间加速而高速发射出去，所述六维调节支架与所述电磁线圈组和发射管相连接，使该电磁线圈组和发射管完全固定，所述电磁屏蔽器置于所述电磁线圈组外围。

5.如权利要求4所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述应力应变测试装置包括：四个半导体应变片、超动态应变仪、数据线和高速采集仪；所述四个半导体应变片粘贴于所述分离式霍普金森拉杆装置的输入杆和输出杆表面，且所述输入杆和输出杆表面上各对称布置两个半导体应变片，所述超动态应变仪与所述半导体应变片通过所述数据线电桥相连，所述超动态应变仪对所述半导体应变片上获得应变数据进行记录，并通过所述高速采集仪将记录的该应变数据传送给所述数据分析装置。

6.如权利要求5所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述分离式霍普金森拉杆装置包括：输入杆、凸台、输出杆、缓冲块、子弹、底座导轨和四维调节支架；其中，所述输入杆和输出杆各有一端面开有一通槽；所述输入杆通过螺纹连接所述凸台；所述四维调节支架与所述输入杆和输出杆相连接，并将其固定在所述底座导轨上；所述缓冲块固定在所述底座导轨上，且该缓冲块上有一通孔与所述输入杆和输出杆的轴线重合。

7.如权利要求6所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述分离式霍普金森拉杆装置中的输入杆和输出杆的通槽内插入所述微型试件，并通过胶体或夹具将所述微型试件固定在所述输入杆和输出杆之间。

8.如权利要求7所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量系统，其特征在于，所述高速显微二维变形测量装置包括：强光源、高速相机、长工作距离显微镜头；其中，所述强光源用于对所述微型试件表面数字图像的高速采集提供光源，所述高速相机实时采集所述微型试件动态变形过程的数字图像，所述长工作距离显微镜头与高速相机配合，采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像，然后将采集到的表面动态变形图像保存到数据分析装置中。

9.一种微型试件冲击加载与动态力学性能测量方法，用于对微型试件的动态性能进行测量，其特征在于，该方法步骤为：

利用电磁脉冲发射技术使子弹获得瞬间加速，并高速发射出去；

利用分离式霍普金森杆技术将所述子弹撞击后产生的拉伸应力波传递给所述微型试件，产生对微型试件的冲击加载；

记录输入杆和输出杆的应变数据，并采集放大的所述微型试件的表面动态变形图像；

分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线，以及分析所述微型试件的表面动态变形图像，并获得所述微型试件动态冲击加载过程中的二维位移场以及应变场分布。

10.如权利要求9所述的微型试件冲击加载与动态力学性能测量方法，其特征在于，在该方法之前还包括：标定所述子弹不同位置的发射速度，作为分析并获得所述微型试件受到不同应变率冲击加载时的应力应变曲线的参考。

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