CN104266957A - 金属材料起锈与应力关系的试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料起锈与应力关系的试验装置与试验方法，采用金属弦应力校正装置来校正金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力，金属弦应力校正装置拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，用获取音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，并将当前的金属弦的应力值显示出来；以当前的金属弦的应力值为依据调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值。本发明利用金属弦的张拉应力与弦振基频的关系，用获取金属弦振动发声的音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，根据当前的金属弦的应力值调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值，金属弦的张拉应力校准方便、准确，便于金属材料起锈与应力关系的试验得到精确的结果。

Description

金属材料起锈与应力关系的试验装置与试验方法

[技术领域]

本发明涉及金属材料起锈试验，尤其涉及一种金属材料起锈与应力关系的试验装置与试验方法。

[背景技术]

钢材等金属材料广泛用于土木工程结构。海洋腐蚀环境作用通常会显著加速钢结构、混凝土结构中的钢筋或预应力钢筋束的锈蚀，从而严重劣化结构的服役性能。由于工程结构同时承受较大荷载，荷载水平对材料腐蚀的发生和发展的影响值得关注。

已有文献涉及应力与腐蚀耦合作用下材料的腐蚀性能，但成果多限于定性讨论且缺乏系统研究的试验平台和手段。尤其是，金属材料起锈与应力水平的关联性研究鲜有文献报道。

确定金属材料起锈与应力的关系需要具备如下两个必要条件：(1)金属材料起锈事件的识别装置；(2)确定金属材料应力水平的有效方法。

2011年6月15日公开的中国发明专利申请“一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器”(公开号CN102095677A)，2013年11月27日公开的中国发明专利申请“大量程基于光纤光栅传感技术的钢筋锈蚀监测传感器”(公开号CN103411713A)，2011年11月9日公开的中国发明专利申请“钢筋锈蚀时间预测装置”(公开号CN202033274U)，均可用于钢筋起锈蚀事件的识别，但这些钢筋锈蚀监测方法均需要特定指标的定期测试、数据转换与间接推断，实践中操作不够简便。

申请号为2014101518910的中国发明申请公开了一种钢筋起锈及氯离子浓度极限状态的提示装置和提示方法。钢筋起锈及氯离子浓度极限状态的提示装置包括起锈试件、弓架和试件张力调整器，所述的起锈试件是钢弦；钢弦由弓架绷紧，钢弦的一端固定在弓架的一端，钢弦的另一端通过试件张力调整器固定在弓架的另一端。将上述的提示装置放在腐蚀环境中，当钢弦断裂，弓架弹开时，即提示钢筋起锈、达到氯离子浓度极限状态。该装置结构简单，能够及时提示钢筋起锈及氯离子浓度极限状态等事件的发生，但其主要关注引起钢材锈蚀的氯离子浓度阈值，钢弦采用拉力秤进行应力校准，既不方便，也不够精确。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种应力校准方便、精确的用于金属材料起锈与应力关系的试验装置与试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种金属材料起锈与应力关系的试验方法，采用金属弦应力校正装置来校正金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力，金属弦应力校正装置拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，用获取音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，并将当前的金属弦的应力值显示出来；以当前的金属弦的应力值为依据调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值。

一种金属材料起锈与应力关系的试验装置的技术方案，包括金属弦张紧装置和金属弦应力校正装置，金属弦应力校正装置包括微控制器、拾音电路、显示器和键盘，拾音电路的信号输出端、显示器的输入端和键盘的输出端分别接微控制器；拾音电路拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，发送至微控制器，微控制器获取音频信号中的弦振基频f后，计算出金属弦应力值σ，将金属弦应力值σ显示在显示器上；金属弦应力值σ＝4ρl2f2，其中，ρ是金属弦质量密度，l是金属弦的有效长度。

以上所述的试验装置，ρ和l的值由键盘输入。

以上所述的试验装置，金属弦张紧装置包括机架、弦栓座和至少一套金属弦组件，金属弦组件包括金属弦、弦端固定环和弦栓；机架为U字形，包括底板和与底板连接的两块侧板，侧板上包括弦孔；弦栓座固定在第一侧板的外侧，包括安装弦栓的锥孔，弦栓的锥轴插入所述的锥孔；金属弦的一端穿过第二侧板的弦孔，固定在弦端固定环上；金属弦的另一端穿过第一侧板的弦孔，固定在弦栓的锥轴上，通过转动弦栓调整金属弦的张拉应力。

以上所述的试验装置，机架、弦栓座、弦端固定环和弦栓的材料为不锈钢。

以上所述的试验装置，金属弦为钢丝。

以上所述的试验装置，金属弦张紧装置为吉他或小提琴，吉他或小提琴的琴弦是所述的金属弦。

以上所述的试验装置，吉他或小提琴的主体结构用锡箔包裹。

本发明的金属弦应力校正装置利用金属弦的张拉应力与弦振基频的关系，用获取金属弦振动发声的音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，根据当前的金属弦的应力值调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值，金属弦的张拉应力校准方便、准确，便于金属材料起锈与应力关系的试验得到精确的结果。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例金属弦张紧装置的主视图。

图2是本发明实施例金属弦张紧装置的俯视图。

图3是图1中的A向剖视图。

图4是本发明实施例金属弦应力校正装置的原理框图。

[具体实施方式]

本发明实施例金属材料起锈与应力关系的试验装置，包括金属弦张紧装置和金属弦应力校正装置。

金属弦张紧装置包括机架1、11个弦栓座2和11套金属弦组件，金属弦组件包括金属弦3、弦端固定环4和弦栓5。

机架1为U字形，包括底板101和与底板101连接的两块侧板102、103，侧板10和侧板103上都有一排弦孔103。

弦栓座2用螺钉6固定在侧板102的外侧，弦栓座2有一个安装弦栓5的锥孔，弦栓5的锥轴插入弦栓座2的锥孔中。

金属弦的一端穿过侧板103的弦孔103，固定在弦端固定环4上；金属弦的另一端穿过侧板102的弦孔103，绕在弦栓5的锥轴上，转动弦栓5可以调整金属弦3的张拉应力。

为了防止在试验过程中锈蚀，机架1、弦栓座2、弦端固定环4和弦栓5的材料为不锈钢。对于钢筋的起锈试验，金属弦3采用钢丝。11套金属弦组件可以配置同种钢材细丝，但对钢丝调整的目标张拉应力则可根据研究需要各不相同。

如图4所示，金属弦应力校正装置包括微控制器、拾音电路、显示器和键盘。拾音电路的信号输出端、显示器的输入端和键盘的输出端分别接微控制器。拾音电路包括咪头(麦克风)和放大器，放大器的信号输出端接微控制器。

金属弦的张拉应力σ与弦振基频f相关，σ的确定可以根据如下弦振基频公式反演得到：

$f=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

式(1)中,f为弦振基频，σ为目标张拉应力，ρ为金属弦材料的质量密度，l则为弦的有效长度。从而，张拉应力σ可以从下式得到：

σ＝4ρl²f²   (2)

按国际单位制，式(2)中各量的单位如下：其中，张拉应力σ(Pa)；质量密度ρ(kg/m³)；长度l(m)；频率f(Hz)。

为了得到当前金属弦的应力值，通过拨动金属弦，使金属弦振动发声，拾音电路拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，发送至微控制器，微控制器获取音频信号中的弦振基频f后，计算出金属弦应力值σ，将金属弦应力值σ显示在显示器上；金属弦应力值σ＝4ρl²f²，其中，ρ是金属弦质量密度，l是金属弦的有效长度，ρ和l的值由键盘输入。

采用上述的金属弦应力校正装置来校正金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力，金属弦应力校正装置拾取金属弦发出的音频信号，用获取音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，并将当前的金属弦的应力值显示出来；根据当前的金属弦的应力值可以调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值。

将调整好金属弦的张拉应力的金属弦张紧装置放在腐蚀环境中(如腐蚀环境模拟箱中或需要监测的钢筋混凝土实际工作环境)。可通过观察、记录各种应力水平作用下弦的蚀断时间，研究不同腐蚀性介质及其浓度、环境温湿度条件下的金属材料抗腐蚀性能及其规律。

金属弦张紧装置和金属弦应力校正装置可提供11根丝弦的对比实验结果。

在没有上述专用金属弦张紧装置的时候，应力腐蚀试验中的金属弦张紧装置可以采用低成本的吉他或小提琴等弦乐器代替，此时，吉他或小提琴的琴弦是需要用来试验的金属弦。

为防止试验过程中损伤小提琴或吉他，吉他或小提琴的主体结构用锡箔包裹，仅外露琴枕至琴马(有效长度)范围内的试验金属弦。

将上述弦乐器式的模拟装置移入环境模拟箱。可通过观察、记录各种应力水平作用下弦的蚀断时间，研究不同腐蚀性介质及其浓度、环境温湿度条件下的金属材料抗腐蚀性能及其规律。

小提琴每次仅可提供四根丝弦的对比实验结果，如采用吉他以获得每次六个对比实验结果。

本发明以上实施例的金属弦应力校正装置利用金属弦的张拉应力与弦振基频的关系，用获取金属弦振动发声的音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，根据当前的金属弦的应力值调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值，金属弦的张拉应力校准方便、准确，便于金属材料起锈与应力关系的试验得到精确的结果。

Claims (8)

1.一种金属材料起锈与应力关系的试验方法，其特征在于，采用金属弦应力校正装置来校正金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力，金属弦应力校正装置拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，用获取音频信号中的弦振基频换算出金属弦应力值，并将当前的金属弦的应力值显示出来；以当前的金属弦的应力值为依据调整金属弦张紧装置中金属弦的张拉应力至目标值。

2.一种金属材料起锈与应力关系的试验装置，包括金属弦张紧装置，其特征在于，包括金属弦应力校正装置，金属弦应力校正装置包括微控制器、拾音电路、显示器和键盘，拾音电路的信号输出端、显示器的输入端和键盘的输出端分别接微控制器；拾音电路拾取金属弦振动发声时发出的音频信号，发送至微控制器，微控制器获取音频信号中的弦振基频f后，计算出金属弦应力值σ，将金属弦应力值σ显示在显示器上；金属弦应力值σ＝4ρl²f²，其中，ρ是金属弦质量密度，l是金属弦的有效长度。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，ρ和l的值由键盘输入。

4.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，金属弦张紧装置包括机架、弦栓座和至少一套金属弦组件，金属弦组件包括金属弦、弦端固定环和弦栓；机架为U字形，包括底板和与底板连接的两块侧板，侧板上包括弦孔；弦栓座固定在第一侧板的外侧，包括安装弦栓的锥孔，弦栓的锥轴插入所述的锥孔；金属弦的一端穿过第二侧板的弦孔，固定在弦端固定环上；金属弦的另一端穿过第一侧板的弦孔，固定在弦栓的锥轴上，通过转动弦栓调整金属弦的张拉应力。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，机架、弦栓座、弦端固定环和弦栓的材料为不锈钢。

6.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，金属弦为钢丝。

7.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，金属弦张紧装置为吉他或小提琴，吉他或小提琴的琴弦是所述的金属弦。

8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，吉他或小提琴的主体结构用锡箔包裹。