CN102539030A - 一种动态压剪应力计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种动态压剪应力计，其由四片导电金属薄片(1、2、3、4)和二片铌酸锂晶体薄片(5、7)构成。一片铌酸锂晶体薄片(5)夹在一侧两片导电金属薄片(1和2)之间，另一铌酸锂晶体薄片(7)夹在另外一侧两片导电金属薄片(3、4)之间；四片导电金属薄片的中间的两片(2、3)间增加一片薄的绝缘膜(6)，以避免两个晶体片产生的电荷相互影响；导电金属薄片边缘打孔，安装引出接头，接金属导线，以引出动态加载过程晶体片中产生的电量，引出线中一侧两片导电金属薄片(1、2)配对，另外一侧两片导电金属薄片(3、4)配对。本发明实现了对复杂动态应力状态下压应力和剪应力的测量，且测试结果易于分析，可靠度比较高。

Description

一种动态压剪应力计
技术领域
本发明涉及压剪应力测试的技术领域，具体涉及一种动态压剪应力计，其是一种应用压电材料的各向异性特性研制的可以同时测量材料在复杂动态应力状态下的压应力和剪应力的测试计。
背景技术
材料动态力学性能的研究是高压物理、力学科学、材料科学等学科领域研究的重心，测量动荷载作用下材料中冲击波和应力波的波形，对于材料的动态性能的研究有着十分重要的意义。相关的测试技术已经从探针测试(后来还发展了压电探针技术)，高速摄影间隙法(streak camera recordings of flash gaps and events)，发展到镱应力计、石英计、锰铜计、电磁计、铌酸锂压力计(lithium niobate gauges)、PVDF计，以及速度干涉仪等。每一种测试计和相关的测试技术在相关领域取得了很好的测试结果。但是，这些测试方法只能用于单一应力状态，即冲击压力的测试。
大多数情况，材料处于复杂应力状态，测试复杂应力状态下材料的动态性能，对于材料动态性能的研究非常重要而迫切。唐志平等“压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用”(《力学进展》，第37卷第3期，2007年8月25日)中，其应用双磁场粒子速度计，发展了一种剪切波跟踪技术(SWT)来探测压剪冲击下脆性材料(严格来说，是非金属材料)的冲击压力和剪切强度。此技术原则上可以进行复杂应力状态的测试，但在从测试得到的粒子速度转化到用于分析研究的压剪应力的分析过程存在着理论困难，其分析结果有不确定性，该技术测试材料具有局限性：必须为磁不敏感材料。卢芳云等采用铌酸锂压力计进行了动态剪应力的测量。但同时进行复杂应力状态下的动态压应力和剪应力的测试，国内外尚没有相关的测试计。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种动态压剪应力计，利用压电晶体的各向异性特性，用两片不同切向的压电晶体进行组合，以同时测试复杂动态加载过程的冲击压力和冲击剪应力。
本发明的目的由以下技术方案来实现：
一种动态压剪应力计，其由四片导电金属薄片和二片铌酸锂晶体薄片构成；其中一片铌酸锂晶体薄片夹在一侧两片导电金属薄片之间，另一片铌酸锂晶体薄片夹在另外一侧两片导电金属薄片之间；四片导电金属薄片的中间的两片间增加一片薄的绝缘膜，以避免两个晶体片产生的电荷相互影响；导电金属薄片边缘打孔，安装引出接头，接金属导线，以引出动态加载过程晶体片中产生的电量，引出线中一侧两片导电金属薄片配对，另外一侧两片导电金属薄片配对。
其中，所述的一片铌酸锂晶体薄片为铌酸锂晶体Y-切得到的薄片，另一片铌酸锂晶体薄片则为铌酸锂晶体在垂直于Y-Z平面，与Y轴成α角度的斜面上的切片，即Y-α切薄片。
其中，所述的两片铌酸锂晶体薄片并不需要严格为某一角度α的切片，只要二者的压电性能存在比较明显的差异即可。
其中，所述的两片铌酸锂晶体薄片是石英或者压电陶瓷薄片。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1.本发明实现了对复杂动态应力状态下，压应力和剪应力的同时测量。
2.本发明中铌酸锂晶体片的压电信号很强，压电性能稳定，由此得到的测试结果易于分析，可靠度比较高。
附图说明
图1为动态压剪应力计的剖面图；其中图1(a)为侧视图，图1(b)为正视图；
图2为Y切铌酸锂晶体薄片5和Y-α切铌酸锂晶体薄片7的晶体取向；
图3为动态压剪应力计的压力-电量关系的标定线；
图4为动态压剪应力计的安装图；图4(a)为动态压剪应力计在Hopkinson压杆实验的安装图；图4(b)为动态压剪应力计在轻气炮平板撞击试验中的安装图；
图中：1、2、3、4为导电金属薄片；5为Y切铌酸锂晶体薄片；6为绝缘薄膜；7为Y-α切铌酸锂晶体薄片。
具体实施方式
下面通过实施例及其附图对本发明作进一步描述。
本发明所述的动态压剪应力计(如图1)，由四片导电金属薄片(1、2、3、4)和二片铌酸锂晶体薄片(5、7，以下简称为“晶体片”)构成。晶体片5夹在导电金属薄片1和2之间，晶体片7夹在导电金属薄片3和4之间；导电金属薄片2和3间增加一片薄的绝缘膜6，以避免两个晶体片产生的电荷相互影响；导电金属薄片边缘打孔，安装引出接头，接金属导线，以引出动态加载过程晶体片中产生的电量，引出线中导电金属薄片1和2配对，导电金属薄片3和4配对。
晶体片5和晶体片7的差异如图2所示，晶体片5为铌酸锂晶体Y-切得到的薄片，晶体片7则为铌酸锂晶体在垂直于Y-Z平面，与Y轴成α的斜面上的切片，即Y-α切薄片。实际上，两个晶体片并不需要严格为某一角度的切片，只要二者的压电性能存在比较明显的差异即可。
另外，晶体片也可以是石英、压电陶瓷(如PZT系列等)。
本发明所述的动态压剪应力计的标定及安装和实验应用如下：
(1)动态压剪应力计的标定
动态压剪应力计的标定系数须根据图4的安装方式进行两种测试。以Hopkinson压杆实验为例，一种测试为正撞击测试，即常规SHPB实验；一种测试为斜撞击实验，即根据图4(a)的安装图进行测试。由此根据载荷分解的一般处理方法，可分别计算得到正向和切向应力-电荷系数。图3为铌酸锂压剪应力计的一个标定结果。更高的冲击压力可采用轻气炮平板撞击技术进行标定，标定原则与Hopkinson压杆实验相同。
标定好的动态压剪应力计要标记好上下左右等四个特征点。
(2)动态压剪应力计的安装和实验应用
动态压剪应力计在Hopkinson杆实验中的安装如图4(a)所示。在样品的两侧安装两个计，即图中的计1和计2，按常规SHPB实验方法进行实验，由此可以得到冲击过程样品前后两个表面的压应力和剪切应力。
动态压剪应力计在平板斜撞击实验中的安装如图4(b)所示。对单个或多个样品均可，将计1安装在样品1的前面，以测试初始冲击的压力和剪切应力；将计2安装在样品1和样品2之间，已测试冲击载荷经过样品1之后传递过来的压力和剪切应力；以此类推。将此试样按照常规轻气炮实验方法进行实验，可以得到试样不同深度处的压应力和剪切应力。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种动态压剪应力计，其特征在于：该动态压剪应力计由四片导电金属薄片(1、2、3、4)和二片铌酸锂晶体薄片(5、7)构成；其中一片铌酸锂晶体薄片(5)夹在一侧两片导电金属薄片(1和2)之间，另一片铌酸锂晶体薄片(7)夹在另外一侧两片导电金属薄片(3和4)之间；四片导电金属薄片的中间的两片(2和3)间增加一片薄的绝缘膜(6)，以避免两个晶体片产生的电荷相互影响；导电金属薄片边缘打孔，安装引出接头，接金属导线，以引出动态加载过程晶体片中产生的电量，引出线中一侧两片导电金属薄片(1和2)配对，另外一侧两片导电金属薄片(3和4)配对。
2.根据权利要求1所述的一种动态压剪应力计，其特征在于：所述的一片铌酸锂晶体薄片(5)为铌酸锂晶体Y-切得到的薄片，另一片铌酸锂晶体薄片(7)则为铌酸锂晶体在垂直于Y-Z平面，与Y轴成α角度的斜面上的切片，即Y-α切薄片。
3.根据权利要求2所述的一种动态压剪应力计，其特征在于：所述的两片铌酸锂晶体薄片(5、7)并不需要严格为某一角度α的切片，只要二者的压电性能存在比较明显的差异即可。
4.根据权利要求1所述的一种动态压剪应力计，其特征在于：所述的两片铌酸锂晶体薄片(5、7)是石英或者压电陶瓷薄片。
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