CN104006904A - 一种自检验式动态压剪应力计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自检验式动态压剪应力计，包括三片角度为120度的扇形石英晶体薄片拼装而成的圆形薄片，三片石英晶体薄片用两片导电金属薄片包裹，每片石英晶体薄片的两表面分别设有铜箔作为电荷导出极，相邻两片石英晶体薄片之间绝缘处理，石英晶体薄片与导电金属薄片之间绝缘处理。三片石英晶体薄片分别为0°X切型、30°X切型和60°X切型，切型标准按照IEEE标准。能适应冲击波的测试，且具有自检验功能，能同时进行复杂应力状态下的动态压应力和剪应力的测试。

Description

一种自检验式动态压剪应力计

技术领域

本发明涉及一种复杂应力状态下的动态力学性能的测试计，尤其涉及一种自检验式动态压剪应力计。

背景技术

复杂应力状态下的动态力学性能的研究对于科学研究和工程应用都有着重要的作用。研究复杂应力状态下的动态力学性能能够更准确地研究材料的力学性能机理，也是研究材料本构关系的非常必要且必须的手段。压应力和剪应力是复杂应力状态下材料受力状态中的主要部分。

现有技术中的测试技术主要进行冲击压力的测试。唐志平等发展的双磁场粒子速度计，实现了冲击压力和剪切强度的测试，但仅适用于磁不敏感材料，且存在分析结果的不确定性；卢芳云等采用铌酸锂压力计进行了动态剪应力的测量。

中国专利ZL201110451900.4实现了动态下的压应力和剪应力的测试，但实际应用中发现：在冲击实验测试中存在两个缺点：

(1)压剪应力计具有较大的厚度，增加了波形测量的误差；(2)测试结果的精度和可靠性不易考核。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以同时测量动态下材料所受的压应力和剪应力，并对测试结果具有自检验能力的自检验式动态压剪应力计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的自检验式动态压剪应力计，包括三片石英晶体薄片拼装而成的整体薄片，三片石英晶体薄片用两片导电金属薄片包裹，每片石英晶体薄片的两表面分别设有铜箔作为电荷导出极，相邻两片石英晶体薄片之间绝缘处理，石英晶体薄片与导电金属薄片之间绝缘处理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的自检验式动态压剪应力计，由于包括三片石英晶体薄片拼装而成的整体薄片，三片石英晶体薄片用两片导电金属薄片包裹，每片石英晶体薄片的两表面分别设有铜箔作为电荷导出极，相邻两片石英晶体薄片之间绝缘处理，石英晶体薄片与导电金属薄片之间绝缘处理。可以同时测量动态下材料所受的压应力和剪应力，并对测试结果具有自检验能力。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的自检验式动态压剪应力计的侧面结构示意图；

图1b为本发明实施例提供的自检验式动态压剪应力计的正面结构示意图；

图2为本发明实施例中三种X切石英晶体薄片；

图3为自检验式动态压剪应力计在Hopkinson压杆正撞击标定实验中的安装图；

图4为自检验式动态压剪应力计在Hopkinson压杆斜撞击标定实验中的安装图；

图5为自检验式动态压剪应力计在Hopkinson压杆实验中的安装图；

图6为自检验式动态压剪应力计在轻气炮平板撞击试验中的安装图。

图中标示名称：

1,2,3-石英晶体薄片；4,5-金属薄片；6,7,8,9,10,11-铜箔；12-使用时箭头方向朝上；

21-子弹，22-入射杆，23-自检验式动态压剪应力计，24-透射杆，25-样品，26-弹托，27-飞片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的自检验式动态压剪应力计，其较佳的具体实施方式是：

包括三片石英晶体薄片拼装而成的整体薄片，三片石英晶体薄片用两片导电金属薄片包裹，每片石英晶体薄片的两表面分别设有铜箔作为电荷导出极，相邻两片石英晶体薄片之间绝缘处理，石英晶体薄片与导电金属薄片之间绝缘处理。

所述三片石英晶体薄片都是角度为120度的扇形薄片，拼装成圆形薄片。

所述三片石英晶体薄片分别为0°X切型、30°X切型和60°X切型，切型标准按照IEEE标准。

所述两片金属薄片中至少一片金属薄片的边缘做成槽型扣在所述石英晶体薄片的边缘。

本发明的自检验式动态压剪应力计，利用压电晶体压电系数的各向异性特性，用三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应力和冲击剪应力；其中两片压电晶体能够同时测出压应力和剪应力，而第三片压电晶体具有检验结果的功能。

本发明能适应冲击波的测试，可将测试计的厚度减小一半，而且具有自检验功能。能同时进行复杂应力状态下的动态压应力和剪应力的测试。

具体实施例：

如图1a、图1b所示，包括两片导电金属薄片4、5、三片石英晶体薄片1、2、3和铜箔6、7、8、9、10、11等。三片石英晶体薄片1、2、3都是角度为120度的扇形薄片，拼装成圆形薄片，相互之间利用绝缘胶隔开以避免两个石英晶体薄片的电荷互相影响。两片金属薄片4、5将三片石英晶体薄片包住，其中金属薄片5两边做成槽型以固定石英晶体薄片，起到保护石英晶体薄片的作用。金属薄片与石英晶体薄片接触的一面做绝缘处理，避免各石英晶体薄片产生的电荷发生相互影响。三片石英晶体薄片产生的电荷各由两片铜箔(6和7，8和9，10和11)导出。其中铜箔夹在导电金属薄片与石英晶体薄片之间，铜箔6、8、10在背面，铜箔7、9、11在正面。

如图2所示，三片石英晶体薄片分别为0°X切型、30°X切型和60°X切型，切型标准都按照IEEE标准。

由于三种X切型石英晶体薄片都能测得压应力信号和剪应力信号，通过最小二乘法拟合可以得到最佳的压应力和剪应力灵敏度系数，还可以通过某两个石英晶体薄片的信号推算压应力和剪应力的灵敏度系数，通过第三个石英晶体薄片的数据来检验灵敏度系数的误差。这样就可以分别得到动态压剪复合加载过程中的压缩信号和剪切信号而且实现了自检验的目的。

与现有技术比，本发明有如下优点：

1.石英晶体薄片的压电信号较强，压电系数矩阵简单，压电性能稳定，已大量应用于压力测试中。由此得到的测试结果易于分析，可靠度比较高。

2.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。

3.较之前的动态压剪应力计而言，厚度大大减小了，这样就很大程度上减少了由于压剪应力计厚度对测试波形的影响。

4.实现了自检验的功能，可保证测试结果的一致性。

具体应用实例：

(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3和图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(图3)，即常规SHPB实验；一种测试为斜撞击实验(图4)。根据载荷分解的一般处理方法，可分别计算得到压应力和剪应力-灵敏度系数。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。

(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5所示。在样品的两侧分别放置一个应力计，按常规SHPB实验方法进行实验，将得到的任意两个石英晶体薄片的电压信号分解可以得到压应力的信号和剪应力的信号，再通过压应力和剪应力的灵敏度系数可以得到试件中的压应力和剪应力，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。将测得的压应力和剪应力，与第三个石英晶体薄片的信号比较，即可检验所测信号的准确性。

动态压剪应力计在平板斜撞击实验中的安装如图6所示。对单个或多个样品均可，将第一个应力计安装在第一个样品的前面，以测试初始冲击的压力和剪切应力；将第二个应力计安装在第一个样品与第二个样品之间，已测试冲击载荷经过第一个样品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。其数据处理方法与Hopkinson压杆实验中一致，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种自检验式动态压剪应力计，其特征在于，包括三片石英晶体薄片拼装而成的整体薄片，三片石英晶体薄片用两片导电金属薄片包裹，每片石英晶体薄片的两表面分别设有铜箔作为电荷导出极，相邻两片石英晶体薄片之间绝缘处理，石英晶体薄片与导电金属薄片之间绝缘处理。

2.根据权利要求1所述的自检验式动态压剪应力计，其特征在于，所述三片石英晶体薄片都是角度为120度的扇形薄片，拼装成圆形薄片。

3.根据权利要求2所述的自检验式动态压剪应力计，其特征在于，所述三片石英晶体薄片分别为0°X切型、30°X切型和60°X切型，切型标准按照IEEE标准。

4.根据权利要求1、2或3所述的自检验式动态压剪应力计，其特征在于，所述两片金属薄片中至少一片金属薄片的边缘做成槽型扣在所述石英晶体薄片的边缘。