CN105300800A - 能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置，辐射环境由具有辐射的密封腔提供。拉伸松弛实验装置包括：拉伸单元，包括第一和第二夹具以及能够通过第一和第二夹具来拉伸试件的拉伸器，其中第一夹具与拉伸器相连，而第二夹具通过弹性构件与拉伸器相连；测量单元，其包括设置在拉伸器上的光纤位移传感器和与光纤位移传感器相连并穿出密封腔的传输光纤。其中，在拉伸器通过第一和第二夹具拉伸试件后，弹性构件在拉伸器和第二夹具的作用下产生弹性变形，使得光纤位移传感器能够检测弹性构件的弹性变形量。本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置可以有效在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验。

Description

能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置

技术领域

本发明涉及一种应力松弛实验装置，尤其是一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置。

背景技术

核工业中，核装备长期处于高能射线辐射环境中，辐射和机械载荷耦合作用长期累积，使得各类材料力学性能逐渐发生不同程度的变化。尤其是，高分子聚合物(以下简称高聚物)的环境敏感性明显高于金属和陶瓷，长期辐射后力学性能显著下降，严重时失去弹性，产生永久变形，从而影响高聚物的各种性能，例如影响橡胶的密封性。因此，对高聚物在辐射环境中的力学性能演变的研究已成为保证核装备可靠性的重大需求，尤其是高聚物的拉伸应力松弛问题是非常重要的研究对象。

高聚物试件在辐射环境中的拉伸应力松弛实验需将辐射与拉伸加载相结合。现有的应力松弛实验装置都只适用在一般环境中，若把现有的应力松弛实验装置放置到辐射环境中，辐射可对应力松弛实验装置中的测量单元的电子器件造成严重的损害，导致其无法在辐射环境中进行实验。

因此，需要一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置，其可以有效在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验。

本发明提供了一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置，所述辐射环境由辐射源提供。所述拉伸松弛实验装置包括：设于所述密封腔内的拉伸单元，其包括能够分别夹持所述试件的两端的第一和第二夹具，以及能够通过所述第一和第二夹具来拉伸所述试件的拉伸器，其中所述第一夹具与所述拉伸器相连，而所述第二夹具通过弹性构件与拉伸器相连；测量单元，其包括设置在所述拉伸器上的光纤位移传感器和与所述光纤位移传感器相连并穿出所述密封腔的传输光纤。其中，在所述拉伸器通过所述第一和第二夹具拉伸所述试件后，所述弹性构件在所述拉伸器和第二夹具的作用下产生弹性变形，使得所述光纤位移传感器能够检测所述弹性构件的弹性变形量。

进一步地，所述拉伸器还包括：基座，所述第一夹具固定设在所述基座上；可平直滑动地设在所述基座上的滑块；以及能够拉动或推动所述滑块远离所述第一夹具的促动机构，其中所述第二夹具通过所述弹性构件与所述滑块相连。

进一步地，所述测量单元还包括设在所述弹性构件或试件上的反射面，所述光纤位移传感器为固定设在所述滑块上的反射式光纤位移传感器，以便向所述反射面投射入射光并接受反射光。

进一步地，所述反射面位于所述弹性构件上的靠近所述第二夹具的端部上。

进一步地，所述促动机构包括固定设置在所述基座上的具有内螺纹的套筒，以及与所述内螺纹配合的且用于促动所述滑块的螺纹杆。

进一步地，所述测量单元还包括设置在所述基座上的用于测量所述滑块相对于所述基座的移动位移的测量刻度。

进一步地，所述弹性构件为与所述试件相垂直的弹性片，所述弹性片的一个宽侧面朝向所述第一夹具。

进一步地，所述弹性片的刚度为所述试件的刚度的50-200倍。

进一步地，所述基座由弹性模量大于等于200Gpa的金属材料制成。

进一步地，所述试件为由高分子聚合物制成的条状体或圆柱体。

进一步地，所述装置还包括用于提高所述密封腔内的温度的加热器。

进一步地，所述装置还包括从所述密封腔外连接所述传输光纤中的光线输入光纤的光源，以及从所述密封腔外连接所述传输光纤中的信号输出光纤的且能获取所述弹性变形量的处理器。

本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置能够通过拉伸器促使第一和第二夹具彼此分离，并使试件在第一和第二夹具的作用下被拉伸，在试件被拉伸的过程中，位于第二夹具和拉伸器之间的弹性构件在第二夹具与拉伸器的作用下产生弹性变形，使得光纤位移传感器能够获取弹性构件的弹性变形量，从而通过传输光纤把关于弹性变形量的信息输出到密封腔外，以便能够基于弹性变形量来换算试件的应力的器件、例如包含CCD(电荷耦合元件)的处理器接收。由于测量单元的光纤位移传感器和传输光纤内没有电子器件，并且本身抗辐射能力较好，因此该装置可以准确、有效地检测弹性构件的弹性变形量，人们或处理器就通过传输光纤获取弹性构件的弹性变形量，并基于弹性构件的弹性变形量随时间的变化来获知试件的拉伸应力松弛曲线，即拉伸应力随时间变化的曲线。

根据本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置的结构简单，使用安全，便于实施推广应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了根据本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置，同时也显示了与其配合使用的密封腔。

在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详述说明。

图1示意性显示了根据本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置10，同时也显示了与其配合使用的密封腔80a。辐射源能够把辐射放射到密封腔80a内，以使密封腔80a内充满辐射，从而为该装置10提供所需的辐射环境。其中，辐射源可选为具有放射性的物质。

根据本发明，该拉伸松弛实验装置10包括设于密封腔80a内的拉伸单元2。拉伸单元2包括能够分别夹持试件50的两端的第一夹具21和第二夹具22，以及能够通过第一夹具21和第二夹具22来拉伸试件50的拉伸器23。其中第一夹具21与拉伸器23相连；在第二夹具22与拉伸器23之间设有弹性构件24，以便第二夹具22通过弹性构件24与拉伸器23相连。在拉伸器23通过第一夹具21和第二夹具22拉伸试件50的过程中，所述弹性构件24在第二夹具22和拉伸器23的作用下可产生弹性拉伸或弹性弯曲。其中，所述的试件可选为细长件、条状体或圆柱体等，试件材料可选为高聚物(高分子聚合物)或树脂材料等。所述的第一夹具和第二夹具22均为本领域技术人员熟知的，在此不再详述。

根据本发明，该拉伸松弛实验装置10还包括测量单元3，测量单元3包括设置在拉伸器23上的光纤位移传感器31和与光纤位移传感器31相连并穿出密封腔80a的传输光纤32。其中光纤位移传感器31优选为反射式位移传感器。传输光纤32包括用于把光源的光线穿入到光纤位移传感器31的光线输入光纤，以及用于把采集的弹性变形量的信息输送到密封腔80a外的信号输出光纤。

本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置10能够通过拉伸器23促使第一夹具21和第二夹具22彼此分离，并使试件50在第一和第二夹具21，22的作用下被拉伸。在试件50被拉伸的过程中，位于第二夹具22和拉伸器23之间的弹性构件24在第二夹具22与拉伸器的作用下产生弹性变形，使得光纤位移传感器31能够获取弹性构件24的弹性变形量，从而通过传输光纤32把关于弹性变形量的信息输出到密封腔80a外，以便外部的处理器、例如包含CCD(电荷耦合元件)的计算机接收，并基于弹性变形量来换算试件50的应力。由于测量单元的光纤位移传感器31和传输光纤32没有电子器件，并且本身抗辐射能力较强，因此该装置10可以准确、有效地检测弹性构件24的弹性变形量，人们或处理器就可通过传输光纤32获取弹性构件24的弹性变形量，并基于弹性构件24的弹性变形量随时间的变化来获知试件50的拉伸应力松弛曲线。

在该实施例中，拉伸器23包括基座231。基座231可构造成横截面为矩形或多边形的长条状，当然其他形状也可以。第一夹具21固定设在基座231上。第一夹具21优选与基座231一体式制造，以保证两者组合具有较高的强度。当然第一夹具21与基座231也可采用常规固定方式(例如螺栓连接和卡接等)来固定。基座231可由弹性模量大于等于200Gpa的金属材料制成。由于弹性模量大于等于200Gpa的金属材料具有较强抗变形能力，因此选用这种材料制造的基座231可大幅度降低基座231对拉伸松弛实验的影响。

在该实施例中，拉伸器23还包括可平直滑动地设在基座231上的滑块232。为了实现滑块232在基座231上的滑动，在基座231与滑块232之间可设有导轨，使得滑块232可在基座231上顺畅地滑动。其中所述导轨可选为常规的导轨，例如机床上使用的导轨。此外，为了实现滑块232在基座231上的滑动，该滑块232可由具有凹槽的两个U形件和固定这两部分的固定组件组成。基于附图而言，一个U形件通过凹槽由上向下扣合到基座231的上半部内，另一个U形件通过凹槽由下向上扣合到基座231的下半部上，然后通过设置基座231的两侧的固定组件把这两个部件固定在一起。其中，固定组件既可选为常规的卡接或紧固结构，也可选为从基座231的侧面附近同时贯穿这两个U形件的螺栓。

在该实施例中，拉伸器23还包括能够拉动或推动滑块232远离第一夹具21的促动机构233。促动机构233可选为设置在基座231上的由液压泵驱动的液压缸、直线电机或由电动机驱动的丝杆机构等能够促动滑块232远离的第一夹具21的装置。

优选地，促动机构233包括固定设置在基座231上的具有内螺纹的套筒233a，以及与内螺纹配合的且用于促动滑块232的螺纹杆233b，详见图1。当使用者旋转螺纹杆233b后，螺纹杆233b在套筒233a内转动并被螺纹作用下向前或向后移动，从而推动或拉动滑块232在基座231上滑动。由套筒233a和螺纹杆233b所组成的促动机构23属于纯机械式结构，可有效地避免辐射损伤促动机构23。为避免辐射损操作人员，试件50的拉伸可在密封腔80a的外部进行，待拉伸试件50之后再把试件50、拉伸单元2和测量单元3放入到密封腔80a内，这样有效避免辐射威胁使用者的健康。

在一个优选的实施例中，测量单元3还包括设在弹性构件24或试件50上的反射面33，光纤位移传感器31为固定的反射式光纤位移传感器。反射式光纤位移传感器能够向反射面33投射入射光并接受反射光，并基于放射光的变化获得弹性构件24的弹性变形量。通过实验发现：反射式光纤位移传感器在辐射环境中具有较好的抗干扰能力和较长的使用寿命，能够精准地测量弹性构件24的弹性变形量。

在一个更优选的实施例中，反射面33位于弹性构件24上的靠近第二夹具22的端部上。第一，与设置在试件50上的反射面33相比，设置在弹性构件24的反射面33能够方便反射式光纤位移传感器更直接、更精准地测量弹性构件24的弹性变形量。第二，由于弹性构件24上的靠近第二夹具22的端部在变形过程中的变形量最大，因此位于弹性构件24上的靠近第二夹具22的端部上的反射面33，能够方便反射式光纤位移传感器更直接、更精准地测量弹性构件24的弹性变形量。

在一个优选的实施例中，测量单元3还包括设置在基座231上的用于测量滑块232相对于基座231的移动位移的测量刻度35。人们可通过测量刻度35直观地测量滑块232相对于基座231的移动位移，并且测量刻度35也不会被辐射所损伤，从而保证其能够长期的使用。基于移动位移可获得试件50的应变，试件50的应变等于试件拉伸后的长度L2减去试件原长度L1再除以试件原长度L1，即ε＝(L2-L1)/L1。除此之外，使用卷尺也可替换测量刻度35，但是测量结果的误差较大。

弹性构件25既可选为与试件50同轴设置的压缩弹簧或拉簧，也可选为与试件大致垂直的弹性支撑件。如图1所示，弹性构件25选为与试件50大致垂直的弹性支撑件，并且该弹性支撑件优选为弹性片。换言之，弹性构件24为与滑块232相垂直的弹性片，弹性片的一个宽侧面朝向第一夹具21。通过这种方式，弹性片易弯曲变形，从而可便于光纤位移传感器31、尤其是反射式光纤位移传感器精准地测量弹性构件24的弹性变形量。

事实上，若弹性片的刚度过小，弹性片在拉伸试件50的过程中容易产生较大变形，导致光纤传感器所测的变形为试样与弹性片的共同变形，从而无法精确获得试样变形。通过大量理论计算和实验证明，当弹性片的刚度选为试件的刚度的50-200倍时，弹簧片在拉伸试件50的过程中产生的变形相对于试样的变形可以忽略，由此可保证光纤位移传感器31能够精准地测量试样50的变形。在其他的优选实施例中，弹性片可与第二夹具22一体式制造。

在一个优选的实施例中，该装置10还包括用于提高密封腔80a内的温度的加热器(未显示)。加热器可选为能够加热空气的装置，例如电热丝。温度对试件50的拉伸应力松弛也有一些不可忽略的影响，因此装置10能够把其控制的温度和机械载荷同外界辐射相互接合并施加于试件50，并在这复杂的条件下对试件5的拉伸应力松弛进行研究。

在一个优选的实施例中，该装置10还包括从密封腔80a外连接光线输入光纤的光源和从密封腔80a外连接信号输出光纤的且能获取弹性变形量的处理器。处理器优选为带有或连接了CCD(电荷耦合元件)的计算机等能够运算的器件或设备。

综上可知，根据本发明的能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置10能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验，基于弹性构件24的弹性变形量随时间的变化来获知试件50的拉伸应力松弛曲线，即拉伸应力随时间变化的曲线。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种能够在辐射环境中进行试件拉伸松弛实验的装置，所述辐射环境由具有辐射的密封腔提供，其特征在于，所述拉伸松弛实验装置包括：

设于所述密封腔内的拉伸单元，所述拉伸单元包括能够分别夹持所述试件的两端的第一和第二夹具，以及能够通过所述第一和第二夹具来拉伸所述试件的拉伸器，其中所述第一夹具与所述拉伸器相连，而所述第二夹具通过弹性构件与所述拉伸器相连；

测量单元，其包括设置在所述拉伸器上的光纤位移传感器和与所述光纤位移传感器相连并穿出所述密封腔的传输光纤；

其中，在所述拉伸器通过所述第一和第二夹具拉伸所述试件后，所述弹性构件在所述拉伸器和第二夹具的作用下产生弹性变形，使得所述光纤位移传感器能够检测所述弹性构件的弹性变形量。

2.根据权利要求1所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述拉伸器还包括：基座，所述第一夹具固定设在所述基座上；可平直滑动地设在所述基座上的滑块；以及能够拉动或推动所述滑块远离所述第一夹具的促动机构，其中所述第二夹具通过所述弹性构件与所述滑块相连。

3.根据权利要求2所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述测量单元还包括设在所述弹性构件或试件上的反射面，所述光纤位移传感器为固定设在所述滑块上的反射式光纤位移传感器，以便向所述反射面投射入射光并接受反射光。

4.根据权利要求3所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述反射面位于所述弹性构件上的靠近所述第二夹具的端部上。

5.根据权利要求2到4中任一项所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述促动机构包括固定设置在所述基座上的具有内螺纹的套筒，以及与所述内螺纹配合的且用于促动所述滑块的螺纹杆。

6.根据权利要求2到4中任一项所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述测量单元还包括设置在所述基座上的用于测量所述滑块相对于所述基座的移动位移的测量刻度。

7.根据权利要求2到4中任一项所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述弹性构件为与所述试件相垂直的弹性片，所述弹性片的一个宽侧面朝向所述第一夹具，所述试件为由高分子聚合物制成的条状体或圆柱体，所述拉伸松弛实验装置还包括从所述密封腔外连接所述传输光纤中的光线输入光纤的光源，以及从所述密封腔外连接所述传输光纤中的信号输出光纤的且能获取所述弹性变形量的处理器。

8.根据权利要求7所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述弹性片的刚度为所述试件的刚度的50-200倍。

9.根据权利要求1到4中任一项所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，所述基座由弹性模量大于等于200Gpa的金属材料制成。

10.根据权利要求1到4中任一项所述的拉伸松弛实验装置，其特征在于，还包括用于提高所述密封腔内的温度的加热器。