CN103994919B - 一种环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种环境温度可控的小型拉‑扭组合实验系统，其包括：箱体；封装于箱体中的保温箱、扭力测试系统和显示及控制仪器；安装于箱体上方的拉/压力测试系统，保温箱安装于箱体内部上方，扭力测试系统安装于保温箱下方，显示及控制仪器安装于箱体的前表面上，且显示及控制仪器位于保温箱的下方。本发明对实验环境进行加热和温度保持，在不同温度下对功能材料或功能材料构件的机械性能进行测试，可以测得实验对象轴力值(拉、压)随温度的变化，扭矩随温度的变化，以及在恒定温度下形状功能材料的轴力值和扭矩随材料变形量的变化，将温度控制与拉、压和扭转载荷(位移)测试系统集成于一体，使测试更加方便，精确度也有所提高。
Description
技术领域：
本发明涉及的一种环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，特别是对温度有要求的材料或微小构件进行机械性能测试，实现一定温度条件下的拉伸、压缩和扭转等实验，其属于一种测试计量仪器领域的测试系统。
背景技术：
新材料与新构件的大量出现、制造技术的快速进步引发了许多新型测试计量问题，推动着智能材料与结构、测试计量仪器的研究与发展，促使测试计量技术中的新原理、新技术、新装置不断出现。
功能材料与功能材料构件是实现智能材料/结构集成技术的重要物质基础，其研究重点为发展压电、电/磁流变、形状记忆合金、聚合物等构成的多种功能构件及其复合构件。功能材料与功能材料小型构件在测试计量过程中测量信息往往复杂多样，包括考虑环境因素的机械性能测试、多种物理参数的测定、多参数间互相耦合特性测试以及多种载荷组合作用下的响应描述等。
传统测量仪器或者系统涉及的测量信息种类比较单一，只能测量单一的物理量，要想全面的、系统的对一些具有特殊性能的功能材料与构件进行测试，就需要在多个测量仪器或者系统上依次进行测试。这样环境参数就会发生改变，无法将各仪器测到的数据进行耦合。
例如形状记忆合金材料，温度对其机械响应有直接作用，材料本身或构件产生的载荷或变形和温度的改变有直接关系。因此，环境温度可变可控，并同时完成多种载荷与位移的测试，成为形状记忆合金这类材料或构件定性、定量描述的根本。
发明内容：
本发明提供一种环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其可以进行材料或构件在不同环境温度下的拉压、扭转、拉扭/压扭组合等测试。
本发明采用如下技术方案：一种环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其包括：箱体；封装于箱体中的保温箱、扭力测试系统和显示及控制仪器；安装于箱体上方的拉/压力测试系统，所述保温箱安装于箱体内部上方，所述扭力测试系统安装于保温箱下方，所述显示及控制仪器安装于箱体的前表面上，且显示及控制仪器位于保温箱的下方。
所述保温箱包括内胆、与内胆下边缘连接的底板、粘贴于内胆内侧表面上的加热片及贯穿固定于内胆上表面上的温度传感器，所述内胆的上表面上还设置有一第一圆孔。
所述内胆为方体状的且不具有前面和底面的用于放置被测材料的金属箱体。
所述内胆的外侧粘贴有用于给内胆内部保温的保温棉。
所述扭力测试系统包括扭力测试系统底座及固定于扭力测试系统底座上的支架，所述扭力测试系统底座包括扭力测试系统底座第一部分及垂直于扭力测试系统底座第一部分的相间隔设置的扭力测试系统底座第二部分和扭力测试系统底座第三部分，所述支架包括固定设置于扭力测试系统底座第二部分和扭力测试系统底座第三部分之间的且与扭力测试系统底座第一部分相平行的两块板，所述扭力测试系统还包括平行于扭力测试系统底座第一部分的蜗杆、与蜗杆相啮合的涡轮、穿设于所述支架上形成的圆孔中的轴、紧固在轴上端的过孔滑环和扭力传感器、与轴下端相连的旋转编码器、与蜗杆相连的用于驱动蜗杆旋转的第一步进电机，所述涡轮的内孔紧固在轴上且位于所述过孔滑环和扭力传感器的下方，所述旋转编码器的外壳固定在支架上。
所述拉/压力测试系统包括拉/压力测试系统底座、位于拉/压力测试系统底座上方的升降滑块、与升降滑块中间的螺纹孔相啮合的升降转轴、连接于所述升降转轴上端的第二步进电机、固定于所述升降滑块一端的数显式拉力计连接板及通过螺栓与所述数显式拉力计连接板连接的用于测量材料所受轴向力的数显式拉力计。
所述拉/压力测试系统底座上还形成有与所述内胆上表面上的第一圆孔同心的第二圆孔。
所述箱体包括箱体本体、通过铰链铰接于箱体本体前面板上的保温箱门、固定于箱体本体前面板上的通过旋转松开或卡住保温箱门的金属拉手，在所述箱体本体的前面板上位于保温箱门下方的位置设置有三个方孔，所述三个方孔中安装固定有温度控制仪、计米器、力值显示仪。
在所述箱体本体的上表面上形成有与内胆上的第一圆孔及拉/压力测试系统底座上的第二圆孔均同心的第三圆孔。
本发明具有如下有益效果：本发明可以对实验环境进行加热和温度保持，在不同温度下对功能材料或功能材料构件的机械性能进行测试，可以测得实验对象轴力值(拉、压)随温度的变化，扭矩随温度的变化，以及在恒定温度下形状记忆合金材料的轴力值和扭矩随材料变形量的变化，将温度控制与拉、压和扭转载荷(位移)测试系统集成于一体，使测试更加方便，精确度也有所提高。
附图说明：
图1为本发明实验系统的整体结构示意图。
图2为本发明实验系统的保温箱轴视图和主视图。
图3为本发明实验系统的扭力测试系统示意图。
图4为本发明实验系统的拉力测试系统示意图。
图5为本发明实验系统的箱体示意图。
图6为图5中箱体的前面板示意图。
其中：
1--保温箱；1-1--内胆；1-2--底板；1-3--加热片；1-4--温度传感器；2--扭力测试系统；2-1--扭力测试系统底座；2-1-1--扭力测试系统底座第一部分；2-1-2--扭力测试系统底座第二部分；2-1-3--扭力测试系统底座第三部分；2-2--蜗杆；2-3--旋转编码器；2-4--第一步进电机；2-5--支架；2-6--涡轮；2-7--过孔滑环；2-8--扭力传感器；2-9--轴；3--拉/压力测试系统；3-1--第二步进电机；3-2--数显式拉力计连接板；3-3--拉/压力测试系统底座；3-4--升降转轴；3-5--升降滑块；3-6--数显式拉力计；4--箱体；4-1--箱体本体；4-2--金属拉手；4-3--保温箱门；5--显示及控制仪器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。
请参照图1所示，本发明环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统包括：保温箱1、扭力测试系统2、拉/压力测试系统3、箱体4、显示及控制仪器5，其中保温箱1固定在箱体4内部上方，拉/压力测试系统3固定在箱体4外部上方，扭力测试系统2固定在保温箱1下方，显示及控制仪器5安装于箱体4的前表面上，且显示及控制仪器5位于保温箱1的下方。
请参照图2所示，保温箱1包括：内胆1-1、底板1-2、加热片1-3、温度传感器1-4，其中内胆1-1为方体状的且不具有前面和底面的抗弯折能力较高的金属薄板箱体，用于放置被测材料；内胆1-1的下边缘与底板1-2连接，底板1-2为抗压的金属板，用于支撑内胆1-1；加热片1-3贴在内胆1-1所有侧面的内侧表面上，加热片1-3为导热率高的金属制成，内部有加热丝，用于给内胆1-1内部加热；内胆1-1的上面设有一个第一圆孔，内胆1-1外侧贴有保温棉，用于给内胆内部保温。温度传感器1-4用于测量保温箱1内的温度并将数据传给显示及控制仪器5中的温度控制仪。
请参照图3所示，扭力测试系统2包括：扭力测试系统底座2-1、蜗杆2-2、旋转编码器2-3、第一步进电机2-4、支架2-5、涡轮2-6、过孔滑环2-7、扭力传感器2-8、轴2-9。扭力传感器2-8固定在轴2-9上用于测量受到的扭矩，过孔滑环2-7内孔紧固在轴2-9上，涡轮2-6与蜗杆2-2啮合，扭力测试系统底座2-1包括扭力测试系统底座第一部分2-1-1及垂直设置于扭力测试系统底座第一部分2-1-1上的相间隔开的扭力测试系统底座第二部分2-1-2和扭力测试系统底座第三部分2-1-3，支架2-5包括固定设置于扭力测试系统底座第二部分2-1-2和扭力测试系统底座第三部分2-1-3之间的且与扭力测试系统底座第一部分2-1-1相平行的两块板。其中扭力测试系统底座2-1为抗弯强度较高的金属板，用于支撑整个扭力测试系统，蜗杆2-2平行于扭力测试系统底座第一部分2-1-1，用于驱动涡轮2-6转动，并与涡轮2-6构成自锁系统；旋转编码器2-3外壳固定在支架2-5上，旋转编码器2-3的轴与轴2-9相连，旋转编码器2-3用于记录轴2-9转过的角度；第一步进电机2-4与蜗杆2-2相连，用于驱动蜗杆2-2旋转，第一步进电机2-4穿过扭力测试系统底座第三部分2-1-3；支架2-5上设有用于支撑轴2-9转动的圆孔，涡轮2-6的内孔紧固在轴2-9上，用于带动轴2-9转动；过孔滑环2-7的内孔紧固在轴2-9上，用于防止扭力传感器2-8的信号线随扭力传感器2-8转动。
请参照图4所示，拉/压力测试系统3包括：第二步进电机3-1、数显式拉力计连接板3-2、拉/压力测试系统底座3-3、升降转轴3-4、升降滑块3-5、数显式拉力计3-6。第二步进电机3-1连接在升降转轴3-4的上端，第二步进电机3-1的轴与升降转轴3-4同轴，数显式拉力计连接板3-2固定在升降滑块3-5的一端，数显式拉力计3-6通过螺栓连接在数显式拉力计连接板3-2上用于测量材料受到的轴向力。第二步进电机3-1的轴与升降转轴3-4相连，用于带动升降转轴3-4转动。数显式拉力计连接板3-2上面有螺纹孔，用于将升降滑块3-5和数显式拉力计3-6连接在一起。拉/压力测试系统底座3-3用于支撑拉/压力测试系统3，并通过在拉/压力测试系统底座3-3上设置的与内胆1-1上方的第一圆孔同心的第二圆孔之间配合将拉/压力测试系统3设置于保温箱1的上方，升降滑块3-5中间的螺纹孔与升降转轴3-4相啮合，升降滑块3-5随着升降转轴3-4的正反转动而上下移动。
请参照图5和图6所示，箱体4包括：箱体本体4-1、金属拉手4-2、保温箱门4-3，箱体本体4-1为有一定抗压强度的薄金属板，用于将图1中的保温箱1、扭力测试系统2、显示及控制仪器5封装在内部；保温箱门4-3通过铰链铰接在金属箱体4-1前面板上，其采用耐高温的透明材料制作，用于隔绝保温箱1内的温度，和对被测材料进行观察；金属拉手4-2固定在箱体本体4-1前面板上，把手可以旋转，用于卡住保温箱门4-3进行开关门。在箱体本体4-1的上表面上形成有与内胆1-1上的第一圆孔及拉/压力测试系统底座3-3上的第二圆孔均同心的第三圆孔；在箱体本体4-1的前面板上位于保温箱门4-3下方的位置设置有三个方孔，该三个方孔用于安装固定温度控制仪、计米器、力值显示仪。
本发明实验系统可以对功能材料或功能材料型构件进行：定位移，对材料或构件进行温度——拉/压、扭转、拉/压扭组合载荷测试；定温度，对材料或构件进行位移——拉/压、扭转、拉/压扭组合载荷测试。
进行定位移，对被测对象做温度——拉/压力测试时，将被测对象放入保温箱1内固定，并且与数显式拉力计3-6连接(数显式拉力计3-6测量端可以连接多种接头，根据不同的被测对象的连接需求更换合适的接头)，第二步进电机3-1上电，驱动数显式拉力计3-6产生一定的位移，通过温度控制仪设定最高温度，然后关上保温箱门4-3，进行加热并记录数据，实验的精度要求和量程可以通过调整第二步进电机3-1和更换数显式拉力计3-6改变。
进行定位移，对被测对象做温度——扭矩测试时，将被测对象放入保温箱1内固定，并且与扭力传感器2-8连接(根据被测对象选择如方形接头、侧面顶丝顶紧、联轴器等连接方式连接)，旋转编码器2-3和第一步进电机2-4通电进入待机状态，通过第一步进电机2-4调整被测对象的初始角位移，通过旋转编码器2-3记录角位移，通过控制仪器5中的力值显示仪来记录扭矩。通过温度控制仪设定最高温度，关上保温箱门4-3，进行加热并记录数据。通过调整第一步进电机2-4的工作电流和输入的激励脉冲信号可以控制第一步进电机2-4的转动精度，通过更换扭力传感器2-8可以改变系统的扭矩量程。
进行定位移，对被测对象做温度——拉/压扭组合载荷测试，将被测对象放入保温箱1内，一端与扭力传感器2-8连接，一端与数显式拉力计3-6连接，旋转编码器2-3、第一步进电机2-4和第二步进电机3-1通电进入待机状态，通过第一步进电机2-4调整被测对象的初始角位移，通过旋转编码器2-3记录被测对象的初始角位移，通过第二步进电机3-1调整初始轴向位移，通过控制仪器5中的力值显示仪来记录扭矩，通过数显式拉力计3-6记录拉/压力，通过温度控制仪设定最高温度，关上保温箱门4-3，进行加热并记录数据。通过调整步第一步进电机2-4和第二步进电机3-1的工作电流和输入的激励脉冲信号可以提高其精度，通过更换扭力传感器2-8、数显式拉力计3-6来改变力的量程。
进行定温度，对被测对象做位移——拉/压力测试时，将被测对象放入保温箱1内固定，并且与数显式拉力计3-6连接，通过温度控制仪设定实验温度，关上保温箱门4-3，进行加热，达到试验温度后控制第二步进电机3-1带动数显式拉力计3-6移动，记录位移——拉/压力数据，实验的精度要求和量程可以通过调整第二步进电机3-1和更换数显式拉力计3-6改变。
进行定温度，对被测对象做位移——扭矩测试时，将被测对象放入保温箱1内固定，并且与扭力传感器2-8连接，通过第一步进电机2-4调整被测材料的初始角位移，通过控制仪器5中的温度控制仪设定实验温度，关上保温箱门4-3，进行加热，达到试验温度后控制第一步进电机2-4旋转使被测对象产生角位移，记录位移——扭矩数据。通过调整第一步进电机2-4的工作电流和输入的激励脉冲信号可以控制第一步进电机2-4的转动精度，通过更换扭力传感器2-8可以改变系统的扭矩量程。
进行定温度，对被测对象做位移——拉/压扭组合载荷测试时，将被测对象放入保温箱1内，一端与扭力传感器2-8连接，一端与数显式拉力计3-6连接，旋转编码器2-3、第一步进电机2-4和第二步进电机3-1通电进入待机状态，通过第一步进电机2-4调整被测对象的初始角位移，通过第二步进电机3-1调整初始轴向位移，通过温度控制仪设定实验温度，关上保温箱门4-3，进行加热，达到试验温度后控制第一步进电机2-4旋转使被测对象产生角位移，控制第二步进电机3-1旋转进而带动数显式拉力计3-6移动，记录角位移、线位移——扭矩、拉/压力数据。通过调整步第一步进电机2-4和第二步进电机3-1的工作电流和输入的激励脉冲信号可以提高其精度，通过更换扭力传感器2-8、数显式拉力计3-6来改变力的量程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其包括：箱体(4)；封装于箱体(4)中的保温箱(1)、扭力测试系统(2)和显示及控制仪器(5)；安装于箱体(4)上方的拉/压力测试系统(3)，其特征在于：所述保温箱(1)安装于箱体(4)内部上方，所述扭力测试系统(2)安装于保温箱(1)下方，所述显示及控制仪器(5)安装于箱体(4)的前表面上，且显示及控制仪器(5)位于保温箱(1)的下方，所述扭力测试系统(2)包括扭力测试系统底座(2-1)及固定于扭力测试系统底座(2-1)上的支架(2-5)，所述扭力测试系统底座(2-1)包括扭力测试系统底座第一部分(2-1-1)及垂直于扭力测试系统底座第一部分(2-1-1)的相间隔设置的扭力测试系统底座第二部分(2-1-2)和扭力测试系统底座第三部分(2-1-3)，所述支架(2-5)包括固定设置于扭力测试系统底座第二部分(2-1-2)和扭力测试系统底座第三部分(2-1-3)之间的且与扭力测试系统底座第一部分(2-1-1)相平行的两块板，所述扭力测试系统(2)还包括平行于扭力测试系统底座第一部分(2-1-1)的蜗杆(2-2)、与蜗杆(2-2)相啮合的涡轮(2-6)、穿设于所述支架(2-5)上形成的圆孔中的轴(2-9)、紧固在轴(2-9)上端的过孔滑环(2-7)和扭力传感器(2-8)、与轴(2-9)下端相连的旋转编码器(2-3)、与蜗杆(2-2)相连的用于驱动蜗杆(2-2)旋转的第一步进电机(2-4)，所述涡轮(2-6)的内孔紧固在轴(2-9)上且位于所述过孔滑环(2-7)和扭力传感器(2-8)的下方，所述旋转编码器(2-3)的外壳固定在支架(2-5)上。
2.如权利要求1所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述保温箱(1)包括内胆(1-1)、与内胆(1-1)下边缘连接的底板(1-2)、粘贴于内胆(1-1)内侧表面上的加热片(1-3)及贯穿固定于内胆(1-1)上表面上的温度传感器(1-4)，所述内胆(1-1)的上表面上还设置有一第一圆孔。
3.如权利要求2所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述内胆(1-1)为方体状的且不具有前面和底面的用于放置被测材料的金属箱体。
4.如权利要求3所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述内胆(1-1)的外侧粘贴有用于给内胆内部保温的保温棉。
5.如权利要求4所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述拉/压力测试系统(3)包括拉/压力测试系统底座(3-3)、位于拉/压力测试系统底座(3-3)上方的升降滑块(3-5)、与升降滑块(3-5)中间的螺纹孔相啮合的升降转轴(3-4)、连接于所述升降转轴(3-4)上端的第二步进电机(3-1)、固定于所述升降滑块(3-5)一端的数显式拉力计连接板(3-2)及通过螺栓与所述数显式拉力计连接板(3-2)连接的用于测量材料所受轴向力的数显式拉力计(3-6)。
6.如权利要求5所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述拉/压力测试系统底座(3-3)上还形成有与所述内胆(1-1)上表面上的第一圆孔同心的第二圆孔。
7.如权利要求6所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：所述箱体(4)包括箱体本体(4-1)、通过铰链铰接于箱体本体(4-1)前面板上的保温箱门(4-3)、固定于箱体本体(4-1)前面板上的通过旋转松开或卡住保温箱门(4-3)的金属拉手(4-2)，在所述箱体本体(4-1)的前面板上位于保温箱门(4-3)下方的位置设置有三个方孔，所述三个方孔中安装固定有温度控制仪、计米器、力值显示仪。
8.如权利要求7所述的环境温度可控的小型拉-扭组合实验系统，其特征在于：在所述箱体本体(4-1)的上表面上形成有与内胆(1-1)上的第一圆孔及拉/压力测试系统底座(3-3)上的第二圆孔均同心的第三圆孔。
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