CN102323279A - 基于x射线断层照相的原位加载装置 - Google Patents

Abstract

一种基于X射线断层照相的原位加载装置，包括：下夹块、上夹块、位移传感器和碳纤维增强塑料棒，在上夹块上设有腔体、移动传力杆和加载螺丝，所述的移动传力杆与上夹块滑动连接，并且，移动传力杆的一端位于上夹块的外部，移动传力杆的另一端位于腔体内，加载螺丝与上夹块螺纹连接，在所述腔体内设有应力传感器且应力传感器位于移动传力杆的另一端与加载螺丝之间，所述的位移传感器的位移传感头与应力传感器相抵触；在上、下夹块上设有上、下端连接孔，碳纤维增强塑料棒的上、下端设在所述上、下端连接孔内且由设在上、下夹块上的上、下端紧固螺栓固紧，在上、下夹块上设有上、下端固定销且上、下端固定销径向穿过碳纤维增强塑料棒。

Description

基于X射线断层照相的原位加载装置

技术领域：

本发明属于机械装置，具体涉及一种基于X射线断层照相的原位加载装置。

背景技术：

断层照相是一种从观测数据来反演物理模型的计算方法，在反演变换中要用到复杂的数学计算，因为这种变换只能采用计算机来完成，所以一般称为计算机断层。X射线断层照相就是利用X射线穿透各种材料并被部分吸收后，在检测器所得到的射线强度信号，在经过计算机对数据进行处理计算得到断层像。X射线断层照相具有原位观测，断层成像，三维透视的优点，所以在材料三维微细观结构表征领域有光明的应用前景。随着损伤及缺陷结构研究的深入，科研工作者需要知道在载荷作用下，材料的三维微细观结构损伤发展及演变的规律。利用X射线断层照相设备对损伤前后的样品进行非原位测试没有问题，但为了更准确的把握损伤演化过程以及更方便的对X射线断层照相数据进行对比处理获得定量演化数据，需要原位加载系统。

考虑到样品台在断层照相数据采集过程中需要旋转运动，而且样品台的最大荷载有限，所以很难把加载系统的力直接加到样品台来实现原位实验。采用荷载力承受在内部的自洽装置是一种合适的选择，同时该装置需要使用让X射线尽量通过的窗口材料，考虑到断层照相一般需要旋转180度或360度，X射线窗口材料将不可避免的成为承力结构，因而选择合适的窗口材料以及对其进行合理的固定、连接成为技术难题。

鉴于此，本发明选择对X射线衰减小且具有优良力学性能的碳纤维增强塑料作为窗口材料，利用侧向紧固螺栓加压和固定销固定的双重固定方法，解决了光滑的碳纤维增强塑料棒与金属间的固定问题，开发了专门应用于X射线断层照相的原位加载装置。该装置是一个独立于X射线断层照相设备的自洽机构，即荷载只作用在装置内部，不作用在样品台上。可以实现样品在载荷作用下的断层照相扫描，本装置可用于X射线断层照相原位研究材料的三维微细观结构的发展、演变及损伤劣化的规律。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够降低加载工具本身对X射线的吸收且能够保证使用可靠性和使用寿命的基于X射线断层照相的原位加载装置。本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于X射线断层照相的原位加载装置，包括：下夹块、上夹块、力传感器、位移传感器和碳纤维增强塑料棒，在上夹块上设有腔体、移动传力杆和加载螺丝，所述的移动传力杆与上夹块滑动连接，并且，移动传力杆的一端位于上夹的外部，移动传力杆的另一端位于腔体内，加载螺丝与上夹块螺纹连接，在所述腔体内设有应力传感器且应力传感器位于移动传力杆的另一端与加载螺丝之间，所述的位移传感器的位移传感头与应力传感器相抵触；

在上夹块上设有上端连接孔，碳纤维增强塑料棒的上端设在所述上端连接孔内且由设在上夹块上的上端紧固螺栓固紧，在上夹块上设有上端固定销且上端固定销径向穿过碳纤维增强塑料棒的上端；

在下夹块上设有下端连接孔，碳纤维增强塑料棒的下端设在所述下端连接孔内且由设在下夹块上的下端紧固螺栓固紧，在下夹块上设有下端固定销且下端固定销径向穿过碳纤维增强塑料棒的下端。

本发明的特点及有益效果是：

本发明选用了对X射线衰减小且力学性能优良的碳纤维增强塑料棒作为X射线窗口材料和承力结构材料，然而如何固定连接光滑的碳纤维增强塑料棒成为技术难点；本发明利用侧向紧固螺栓加压和固定销固定的双重固定方法，解决了光滑的碳纤维增强塑料棒与金属间的固定问题；开发了专门应用于X射线断层照相的原位加载装置。本发明选择了X射线衰减小的碳纤维增强塑料作为X射线窗口材料，能够降低加载工具本身对X射线的吸收，从而保证了断层照相成像质量。本发明采用的固定方法，保证了该装置的使用可靠性和使用寿命。为了说明本发明的使用可靠性，图4提供了利用本发明实施例对一个相对刚性的不锈钢金属样品加载到2580N后的荷载随时间变化曲线，从图中可见经过510分钟后，荷载力仍然保持了初始荷载的98％，能够满足于加载后的断层照相测试。

利用该装置可在X射线断层照相设备上进行原位加载材料测试，从而获得加载前后及加载过程中高分辨的X射线断层照相图像。在对试样施加压缩荷载的同时，实现对样品三维断层照相重构结构的形貌观察以及应力、应变信息的获取。利用该装置可对样品实现原位加载，从而得到样品在加载过程中的原位三维微结构的演化过程。本装置同时具有自洽、独立于X射线断层照相设备、体积小、质量轻、便携的特点，因此除了显微X射线断层照相、工业X射线断层照相，该原位加载装置还可以应用于同步辐射光源等X射线成像设备；本装置对加载样品也没有限制，可以为金属、岩石、陶瓷、玻璃、水泥基材料、骨材料等等。

附图说明

图1是本发明实施例的三维图。

图2是本发明实施例的主视图。

图3是本发明实施例的左视图。

图4是利用本发明实施例对一个相对刚性的不锈钢金属样品加载到2580N后的荷载随时间变化曲线。

具体实施方式

一种基于X射线断层照相的原位加载装置，包括：下夹块1、上夹块5、位移传感器15和碳纤维增强塑料棒4，在上夹块5上设有腔体8、移动传力杆12和加载螺丝14，所述的移动传力杆12与上夹块5滑动连接，并且，移动传力杆12的一端位于上夹块5的外部，移动传力杆12的另一端位于腔体8内，加载螺丝14与上夹块5螺纹连接，在所述腔体8内设有应力传感器13且应力传感器13位于移动传力杆12的另一端与加载螺丝14之间，所述的位移传感器15的位移传感头与应力传感器13相抵触；

在上夹块5上设有上端连接孔111，碳纤维增强塑料棒4的上端设在所述上端连接孔111内且由设在上夹块5上的上端紧固螺栓7固紧，在上夹块5上设有上端固定销19且上端固定销19径向穿过碳纤维增强塑料棒4的上端；

在下夹块1上设有下端连接孔112，碳纤维增强塑料棒4的下端设在所述下端连接孔112内且由设在下夹块1上的下端紧固螺栓3固紧，在下夹块1上设有下端固定销18且下端固定销18径向穿过碳纤维增强塑料棒4的下端。

考虑到X射线断层照相对中心对称样品具有较好的成像效果以及无偏心的单轴压缩加载效果，本实施例采用了中轴线对称的四根碳纤维增强塑料棒对上下夹块进行连接。

以下通过具体操作方法对本发明做进一步说明。按附图1-3所示的结构和发明内容所述的方式将各部件进行组装、连接、固定。然后放置样品进行加载，具体操作方法如下，样品的两端分别与下夹块1和移动传力杆12接触，由于所选用的试件刚刚可以放进四根碳纤维增强塑料4组成的框架内，而4是关于中轴线对称的，所以能够保证该加载装置对样品进行无偏心的单轴压缩。根据试样的尺寸调整加载螺丝14的位置，以使加载螺丝14和应力传感器13的应力传感头接触，同时调整位移传感器15预留加载位移余量，所述位移传感器15由与上夹块5螺纹连接的螺栓16固紧；读出应力传感器13和位移传感器15的初始值，作为应力比为零时的初始位置；将该加载装置固定于显微X射线断层照相的载物台上并调整载物台的位置使得试件的被研究区域进入X射线束和X射线探测器的视野范围内进行加载前的X射线断层照相扫描；通过旋转加载螺丝14实现对试件加载的同时，记录试件的荷载和位移，可在不同荷载和位移下采集样品加载后的X射线断层照相的三维断层结构图像，然后对加载前及不同加载程度的试样三维断层结构图像进行比对研究。

以上所述仅是本发明的实施例之一，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (1)

1.一种基于X射线断层照相的原位加载装置，其特征在于，包括：下夹块(1)、上夹块(5)、位移传感器(15)和碳纤维增强塑料棒(4)，在上夹块(5)上设有腔体(8)、移动传力杆(12)和加载螺丝(14)，所述的移动传力杆(12)与上夹块(5)滑动连接，并且，移动传力杆(12)的一端位于上夹块(5)的外部，移动传力杆(12)的另一端位于腔体(8)内，加载螺丝(14)与上夹块(5)螺纹连接，在所述腔体(8)内设有应力传感器(13)且应力传感器(13)位于移动传力杆(12)的另一端与加载螺丝(14)之间，所述的位移传感器(15)的位移传感头与应力传感器(13)相抵触；

在上夹块(5)上设有上端连接孔(111)，碳纤维增强塑料棒(4)的上端设在所述上端连接孔(111)内且由设在上夹块(5)上的上端紧固螺栓(7)固紧，在上夹块(5)上设有上端固定销(19)且上端固定销(19)径向穿过碳纤维增强塑料棒(4)的上端；

在下夹块(1)上设有下端连接孔(112)，碳纤维增强塑料棒(4)的下端设在所述下端连接孔(112)内且由设在下夹块(1)上的下端紧固螺栓(3)固紧，在下夹块(1)上设有下端固定销(18)且下端固定销(18)径向穿过碳纤维增强塑料棒(4)的下端。

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