CN105334268A - 超声疲劳试验振动位移监测装置 - Google Patents

超声疲劳试验振动位移监测装置 Download PDF

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彭文杰
陈一鸣
严龙
薛欢
彭润平
邝兰翔
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Wuhan Iron and Steel Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明公开了超声疲劳试验振动位移监测装置，其特征在于包括标定台、激光位移传感器、控制器和电脑；激光位移传感器与控制器和电脑相连，所述标定台由基座、背板和支臂组成；基座和背板垂直连接，支臂和背板垂直连接，且支臂平行于基座，支臂可沿背板上下移动调节高度；激光位移传感器固定在支臂上。本发明采用非接触方式，不影响超声疲劳试验系统的共振参数，不干扰试验结果，操作快捷简便。

Description

超声疲劳试验振动位移监测装置
技术领域
本发明公开了一种监测装置，具体涉及一种超声疲劳试验振动位移测量与监控装置，具体应用于金属材料超声疲劳性能测试领域。
背景技术
超声疲劳试验技术是一种加速共振式的疲劳试验方法，它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(一般小于200Hz)。超声疲劳试验研究表明某些钢种直到1010次应力循环后仍会发生疲劳断裂，并不存在常规疲劳试验曲线所示的“疲劳极限”，因此用107周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不安全。液压伺服的常规疲劳试验机频率都低于200Hz，难以提供超过107以上的循环周次，而超声疲劳试验机的频率范围是15～30kHz，典型的频率是20kHz，用这样高的频率不仅可以节省疲劳试验的时间，而且可以测得常规疲劳试验几乎不能得到的超过107周次的超高周疲劳性能。
超声疲劳试验过程中，换能器、位移放大器和试样组成一个力学振动系统，试样的一端固定在放大器末端，另一端自由换能器将超声发生器产生的高频电信号转化成机械振动，再由位移放大器进行放大，使试样获得所需的振动位移。
超声疲劳试验机通过控制试样端部位移幅值，来实现控制试样应力幅值。而换能器电压与输出端的振动位移幅为线性关系，在给定试样端部位移幅值后，超声疲劳试验机通过改变换能器的电压来调整位移幅值。
因此，超声疲劳试验系统位移的测量和标定极为关键，位移的精度直接影响到试验结果的可信度，另外，在进行超声疲劳试验时，当载荷水平较低时，试验系统可能不稳定，需要对试样的振动位移进行实时监控。
由于超声疲劳振动频率一般高达20kHz，一般采用电涡流传感器来测量振动位移。采用电涡流传感器实际测量超声疲劳试验振动位移时发现，涡流传感器容易受到其他电信号的干扰，导致示波器的波形不稳定，且噪点较多，导致最终测得的位移值不稳定，可重复性差。因此，采用电涡流传感器测量位移时，需要多次测量取平均值。另外，电涡流传感器要求被测体不导磁，对于导磁性好的金属，例如镍基合金，无法测量其振动位移。
综合看来，采用电涡流传感器实际测量超声疲劳试验振动位移时发现，电涡流传感器容易受到其他电信号的干扰，导致示波器的波形不稳定，且波形噪点较多，导致最终测得的位移值不稳定，可重复性差。另外，电涡流传感器不适用于导磁性好的金属，例如不适用于镍基合金超声疲劳振动位移测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光位移传感器的非接触式位移测量装置，适用于超声疲劳试验振动位移测量与监控。
实现上述目的的技术方案如下：
超声疲劳试验振动位移监测装置，包括标定台、激光位移传感器6、控制器和电脑；激光位移传感器与控制器和电脑相连，所述标定台由基座1、背板2和支臂3组成。基座1和背板2垂直连接，支臂3和背板2垂直连接，且支臂3平行于基座1，支臂3可沿背板2上下移动调节高度。激光位移传感器6固定在支臂3上。
位移放大器位于支臂3上方，在位移放大器下端安装有试样5。激光位移传感器位于试样5正下方。
控制器为激光位移传感器6提供电源，激光位移传感器6测量的模拟信号转换为数字信号传送给电脑。电脑上安装有处理软件可以计算出激光位移传感器6测量的位移值。
激光位移传感器中的激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测超声疲劳试样自由振动表面，经试样反射的激光通过激光位移传感器中的接收器镜头，被激光位移传感器内部的相机接收，根据不同的距离，线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，激光位移传感器中的数字信号处理器就能计算出传感器和被测超声疲劳试样之间的距离。
本技术方案原理是首先利用激光位移传感器测得的超声疲劳试样与探头之间的实时距离即为超声疲劳试样自由端的振动位移曲线。将振动位移曲线中的波峰值减去波谷值除以2即为超声疲劳试样的振动位移幅值。
本发明和现有技术相比所具有的优点：
1)本发明采用非接触方式，不影响超声疲劳试验系统的共振参数，不干扰试验结果，操作快捷简便。
2)本发明采用激光位移传感器，不受其他电信号的干扰，适用于包括导磁性好的金属材料。可以直接由波形得到振动位移值，避开了其他方法所需的繁杂的计算过程。
3)本发明测量得到的结果稳定且精度高，可重复性强。
4)利用本发明可以对超声疲劳试验的振动位移进行实时监控，尤其适用于小载荷水平下的超声疲劳试验振动位移监控。
本发明用于超声疲劳试验振动位移的测量与监控，可以实现超声疲劳试验的精确控制及超声疲劳试验位移标定，从而有效的保证超声疲劳试验结果的可靠性和准确性。
附图说明
图1是本发明原理示意图；
图2是本发明前视图；
图3是本发明数据传输部分示意图；
图4是实施例中的试样；
图5是实施例中采用本发明测得的试样自由端部振动位移。
图中：1—基座，2—背板，3—支臂，4—位移放大器，5—试样，6—激光位移传感器。
具体实施方式
以下结合附图和实施实例对本发明做具体阐释：
如图2、3所示是本发明的优先实施实例，包括标定台、激光位移传感器、控制器和电脑。
标定台由基座1、背板2和支臂3组成。
如图2所示基座1和背板2垂直连接，支臂3和背板2垂直连接，平行于基座1，支臂3可沿背板2上下移动调节高度。
如图2所示激光传感器6固定在支臂3上位于试样5正下方。
如图3所示激光位移传感器6与控制器，控制器与电脑均通过电缆连接。控制器为激光位移传感器提供电源，激光位移传感器6测量的模拟信号转换为数字信号传送给电脑。电脑上安装有处理软件可以计算出激光位移传感器6测量的位移值。
激光位移传感器中的激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测超声疲劳试样自由振动表面，经试样反射的激光通过激光位移传感器中的接收器镜头，被激光位移传感器内部的相机接收，根据不同的距离，线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，激光位移传感器中的数字信号处理器就能计算出传感器和被测超声疲劳试样之间的距离，测量原理示意图如图1所示。
本发明的优先实施例工作过程如下：
将试样5安装在位移放大器4下端，将激光位移传感器6固定于支臂3上，调整基座1使其水平。调整支臂3的位置使其位于试样5下端面正下方，并与试样5下端面保持适当距离；
实施例中的试样如图4所示，材料参数E＝206GPa、ρ＝7850kg/m3，尺寸参数为 拟定加载的应力值为403MPa，通过计算可以得到最大应力403MPa对应的试样理论振动幅值为19.8μm。启动超声疲劳试验机，设定振动时间和间歇时间各为100ms和应力幅值403MPa，试样开始振动。此时超声疲劳控制软件会输出试样的理论振动幅值U＝19.8μm。同时记录此时电脑中输出的测量位移值A，A值为试样实际的振动位移值。
图5为采用本发明测得的超声疲劳试样在振动时间和间歇时间各为100ms时的自由端部振动位移值，可以看出，测得的试样自由端部振动位移幅值在19.7μm～19.9μm范围内波动，与试样振动位移幅值的理论值19.8μm非常接近，相差不超过0.5％。这表明超声疲劳试验机的振动位移值准确度高，试验结果可靠，可以开始材料的超声疲劳试验。如果试样振动位移幅值的测试值与试样振动位移幅值的理论值即超声疲劳试验机的显示值相差较大，则需要对超声疲劳试验机的位移进行校正后再进行试验。
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揭露的技术范围内，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。

Claims (2)

1.超声疲劳试验振动位移监测装置，其特征在于包括标定台、激光位移传感器、控制器和电脑；激光位移传感器与控制器和电脑相连，所述标定台由基座(1)、背板(2)和支臂(3)组成；基座(1)和背板(2)垂直连接，支臂(3)和背板(2)垂直连接，且支臂(3)平行于基座(1)，支臂(3)可沿背板(2)上下移动调节高度；激光位移传感器(6)固定在支臂(3)上。
2.根据权利要求1所述超声疲劳试验振动位移监测装置，其特征在于：所述超声疲劳试验振动位移监测装置还包括一个位移放大器，位移放大器位于支臂(3)上方，在位移放大器下端安装有试样(5)，激光位移传感器位于试样(5)正下方。
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