CN105571961B - 电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置及实验方法，将电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接，通过电磁感应原理，既可以产生压缩应力波，又可以产生拉伸应力波，并且应用于霍普金森拉杆和压杆的加载。使霍普金森拉杆和压杆的加载系统能够在同一个装置上同时实现传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。

Description

电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置及实验方法
技术领域
本发明涉及材料的动态力学性能测试的应力波发生装置及方法，具体说是一种基于电磁力的应力波发生装置及方法，所述装置可以作为分离式霍普金森拉杆和压杆的应力波输入装置。
背景技术
目前，在材料科学领域中测量材料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆技术和拉杆技术。这一方法的基本原理是：将短试样置于两根拉杆或压杆之间，通过某种方式对入射杆输入拉伸应力波或者压缩应力波，对试样进行加载。同时利用粘在拉杆或压杆上并距杆端部一定距离的应变片来记录脉冲信号。如果拉杆或压杆保持弹性状态，那么杆中的脉冲将以弹性波速无失真地传播。这样粘贴在拉杆或压杆上的应变片就能够测量到作用于杆端的载荷随时间的变化历程。
对于霍普金森压杆，产生入射波的普遍方式是通过气枪将撞击杆高速发射，与入射杆同轴撞击产生入射脉冲。这种方法的缺点在于：由于每次发射时撞击杆在气枪中的安装位置不尽相同，且撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次，对于应变率跨度过大的实验，由于气枪气压的限制，需要更换撞击杆的长度来得到不同的应变率，应变率越高，所用撞击杆越短，实验中产生的应力波宽度越短，这就限制了实验所得到的应变范围，而且操作繁琐。更重要的是，由于撞击杆的发射速度有一个下限，一些更低的应变率在实际试验中无法用传统霍普金森压杆得到，比如10s-1的应变率。由于不同的实验系统参数也不同，使得分离式霍普金森压杆实验技术的规范化一直是一个国际性的难题。
对于霍普金森拉杆，目前普遍所采用的加载方法是：将拉杆的撞击杆做成空心圆管，通过气枪将撞击管高速发射，当该撞击管运动至入射杆端时，撞击管与入射杆端的凸台碰撞产生一列压缩波向入射杆凸台端传播，并在自由端反射成拉伸波，该拉伸波通过入射杆对试样进行加载。但是这种加载方法有很多的缺点：1，由于撞击杆是从入射杆一端发射到另一端，所以在入射杆上的凸台到气枪的那一段，入射杆处于无支撑的自由状态，这使得入射杆容易弯曲；2，这种设计限制了撞击筒的长度在500mm左右，所以产生的入射波长度为0.2ms左右，但对于延展性材料和低应变率实验，需要更长的入射波；3，撞击筒的更换很不方便；4，由于撞击筒的筒壁厚度限制，需要很高的气压来加速撞击筒。也有很多学者提出了不同的设计思路：1，在撞击筒的一端加一个凸台来提高撞击筒的发射速度，但是这种方式产生的波形受凸台影响而不再正规；2，使用空的入射杆，撞击杆从入射杆里面穿过，这种方式使得波形整形变得困难。
由于撞击杆的形状不同，气枪的位置不同，传统的霍普金森压杆和拉杆的加载系统无法在同一装置上实现。
20世纪60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题，由HuberASchmitt等人率先开始研究电磁铆接技术，并于1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利。1986年ZievePeter研制成功低压电磁铆接，解决了高压铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题，从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用。如今，低压电磁铆接技术已经发展成熟，铆接力的大小和持续时间可以得到比较精确的控制。电磁铆枪的技术原理是：在放电线圈和工件之间增加了一个线圈和应力波放大器。放电开关闭合的瞬间，主线圈中通过快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场。与主线圈耦合的次级线圈在强磁场作用下产生感应电流，进而产生涡流磁场，两磁场相互作用产生涡流斥力，并通过放大器传至铆钉，使铆钉成形。涡流力的频率极高，在放大器和铆钉中以应力波的形式传播，故电磁铆接也称应力波铆接。如果将电磁铆枪的原理应用到分离式霍普金森压杆中代替传统分离式霍普金森压杆中的气枪和撞击杆，通过电磁斥力产生直接产生应力波，将会使分离式霍普金森压杆实验技术的规范化成为可能。另外，由于电磁感应产生的应力波脉冲宽度可以通过电路参数调节，脉冲宽度可达毫秒量级，因此可以实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率加载(例如102/s以下)。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的专利中，提出了将电磁铆接装置直接应用在霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法所获得的波形具有局限性，在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的两个发明创造中，提出两种既可以用于霍普金森拉杆又可用于霍普金森压杆的实验设备和使用方法，但是这两种方案结构较为复杂且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。在申请号为201510051071的发明创造中，提出了一种电磁式应力波发生器的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式应力波发生器所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。
发明内容
为克服现有技术中存在的入射波幅值难以控制，操作繁琐、应变范围有限、无法实现一些低应变率实验的不足，以及拉伸和压缩加载装置无法统一的缺点，本发明提出了一种电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置及实验方法。
本发明包括电源、电容充电器和加载枪。电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接。所述加载枪包括加载枪壳体、主线圈、定位筒、次级线圈、绝缘层和放大器。主线圈和次级线圈依次套装在所述定位筒上，并使所述次级线圈一个端面与所述定位筒的定位端面相邻。所述次级线圈的另一个端面与主线圈的一个端面相邻并自由贴合。将套装有主线圈和次级线圈的定位筒装入加载枪壳体内中段，将放大器安装在所述定位筒的一端，并在所述放大器内端面与次级线圈的端面之间套装有绝缘层。所述主线圈、次级线圈、放大器和定位筒均与加载枪壳体同轴。所述定位筒一端与次级线圈通过螺纹连接。进行霍普金森压缩实验时，将压缩头的连接段装入所述放大器的内螺纹孔中，将压缩头与放大器螺纹连接。使压缩头的压缩波输出段的内端面与入射杆接触，从而将应力波传播到入射杆中。进行霍普金森拉伸实验时，将入射杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接。当放大器的应力波输出段传出的压缩应力波进入凸台时，所述压缩应力波在凸台的自由端面反射成拉伸波并进入入射杆形成霍普金森拉杆的入射波。
所述加载枪的主线圈采用宽铜带或铜导线绕制在横截面为工字形的芯体上，铜带匝与匝之间用绝缘材料隔开。主线圈的外径与加载枪壳体的内径相同，当该主线圈装入加载枪壳体内后，两者之间干涉配合。主线圈的芯体中心开有通孔，用于自由穿过定位筒。
所述次级线圈为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有与定位筒配合的螺纹通孔。
所述放大器中心孔的内表面为与压缩头的外螺纹相互配合的螺纹面。该放大器中心孔的内径略大于霍普金森拉杆的入射杆的外径，当所述霍普金森拉杆的入射杆穿入该中心孔后，两者之间间隙配合。该放大器的外圆周表面为阶梯状，包括分别位于该放大器两端的等径段和位于该放大器中间的锥段。所述放大器两端的等径段中，位于放大器一端的等径段的外径最大，为应力波接收段；位于放大器另一端的等径段的外径最小，为应力波的输出段。将两段等径段过渡连接的锥段形组成了放大器的应力波放大反射段。所述放大器的应力波接收段的外径与次级线圈的外径相同。所述放大器应力波接收段的直径：应力波输出段直径的比值＝5:2；所述放大器的大外径段的轴向长度:锥段的轴向长度＝1:1。
所述压缩头的大直径段是压缩波输出段，小直径段是连接段；所述压缩波输出段的外
圆周表面对称的加工有平面；
所述压缩波输出段波阻抗与霍普金森压杆的波阻抗相同，波阻抗R定义为
R＝ρCA
其中，ρ为材料的密度，C为材料的应力波速，A为横截面积。
本发明提出的利用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器实验中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。
Ⅰ所述霍普金森压缩实验的具体过程是：
步骤1.排布器材。
步骤2.粘贴应变片。排布所述应变片引线时，先使所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线呈直线状态接入数据采集器。粘贴应变片时，以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
将排布好的应变片采用常规方法粘贴在入射杆或透射杆的1/2长度处的圆周上。
步骤3.进行加载并处理数据。霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆连接配合，将压缩头与放大器连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆。将压缩头的应力波输出段与霍普金森压杆的入射杆的端面同轴充分贴合。
对电容充电器充电后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，在次级线圈与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器内部表现为压缩应力波并被放大器放大后形成入射波，该入射波通过压缩头传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。
数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
Ⅱ所述霍普金森拉伸实验的具体过程是：
步骤1.排布器材。
步骤2.粘贴应变片。按照霍普金森压缩实验中的方法排布所述应变片引线。具体是：排布所述应变片引线时，先使所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线呈直线状态接入数据采集器。粘贴应变片时，以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
步骤3.进行加载并采集数据。霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆连接配合，在连接所述霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆时，将定位筒穿过主线圈的通孔，放大器与入射杆分别位于主线圈的两端。将入射杆的入射端依次穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔自由配合，入射杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台通过螺纹连接。
将电容充电器充电电压设置为XV并充电，所述的X为具体所需的电压值，并且在电容充电器的额定电压以内，待充电完成后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，次级线圈与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器内被放大，表现为压缩应力波，并在凸台反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来；通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
本发明中，所述电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接。加载枪包括绝缘层、加载枪壳体、主线圈、次级线圈、放大器和定位筒。进行压缩试验时，压缩头一端与放大器的螺纹孔配合，压缩头另一端的端面与压杆的入射端贴合；进行拉伸试验时，拉杆的入射杆加载端穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，并与凸台通过螺纹连接，拉杆尺寸与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔为自由配合。主线圈、绝缘层和次级线圈均套装在定位筒上。绝缘层与所述放大器的内表面贴合，次级线圈位于所述绝缘层内侧，与放大器相互贴合固定，与定位筒通过螺栓连接。在加载枪壳体同一侧的圆周表面有主线圈的两个外接接头的通孔。安装时，主线圈安装在加载枪壳体的中间位置，主线圈的正极接线和负极接线穿过加载枪壳体上的外接接头通孔。定位筒穿过主线圈中间的通孔，次级线圈和放大器位于加载枪壳体的一端。次级线圈，绝缘层及放大器的外圆周表面均与加载枪壳体的内表面间隙配合。
本发明在进行霍普金森压缩实验时，将压缩头与放大器通过已有螺纹连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆。将压缩头的应力波输出段与霍普金森压杆的入射杆的端面同轴充分贴合；对电容充电器充电后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，在次级线圈与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在次级线圈内部表现为压缩应力波并被放大器放大后形成入射波，该入射波通过压缩头传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
当进行霍普金森拉伸实验时，将定位筒穿过主线圈的通孔，放大器与入射杆分别位于主线圈的两端。将拉杆入射杆的入射端穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔自由配合，将拉杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台螺纹连接。电容充电器充电后，该电容充电器对加载枪的主线圈放电，次级线圈与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力表现为压缩应力波，所述压缩应力波在放大器内被放大，传入凸台中，并在凸台的自由端面反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来。利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
在本发明中，应力波发生装置由加载枪和供电系统组成。供电系统用来给加载枪的主线圈提供瞬时的强电流，从而使主线圈和次线圈之间产生强电磁斥力。加载枪由加载枪壳体、主线圈、次级线圈、定位筒和放大器组成，用来产生电磁斥力，并将电磁斥力转换成应力波，经过锥形放大器放大后输出给霍普金森杆。
本发明通过电磁斥力直接产生应力波，在加载枪内有一个主线圈和一个次线圈，主线圈与枪体固定，位于枪体的中间段，主线圈中心有通孔，安装定位筒，用作压缩头或者拉伸头定位；次级线圈为铜质圆盘，固连一个锥形放大器，用来产生压缩波或拉伸波，与主线圈靠近。主线圈和放大器同轴，其同轴度通过定位筒来确定。进行压缩实验时，压杆系统与放大器位于主线圈的同一侧，压缩头通过螺纹配合旋进放大器的螺纹孔，未旋进放大器的端面与压杆的入射端贴合；进行拉伸实验时，拉杆系统与放大器位于主线圈的两侧，霍普金森拉杆入射杆螺纹端通过定位筒，并与拉伸头凸台通过螺纹连接。实验时，将强变化电流通过主线圈，主线圈会产生变化的强磁场，变化的强磁场会在次级线圈内产生感应电流，感应电流产生的感应磁场方向与主线圈的磁场方向相反，于是主线圈和次线级圈之间产生电磁斥力，这种电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波，该压缩应力波通过锥形放大器进行放大，若将压缩头与霍普金森压杆的入射杆端面互相贴合，则压缩头内的压缩应力波直接传入霍普金森压杆的入射杆，就可以对材料进行压缩试验；若拉杆的入射端穿过主线圈和另一侧的放大器，并将凸台与入射杆通过螺纹连接，则放大器内部的压缩波在凸台内反射后变为等幅的拉伸波，并改变传播方向，传入霍普金森拉杆的入射杆，就可以对材料进行动态拉伸加载。因此本装置既可以对材料进行压缩实验，又可以进行拉伸实验。
通过电容器的放电为主线圈提供电源，由于电容器放电时间比较短，放电电流强，可以使主线圈和次线圈之间产生瞬间的强斥力，从而产生强的应力脉冲。至于电容器的充电和放电控制系统，目前在电磁铆接设备中该技术已经非常成熟，可以直接应用。
凸台与霍普金森拉杆的入射杆通过螺纹连接，压缩头与霍普金森杆入射杆端面紧贴，使输出的应力波能够稳定地传入实验系统。本发明的实验装置中，通过加载枪中的主线圈和次线圈之间的电磁斥力直接产生应力脉冲，输入到入射杆，使得所产生的脉冲信号可以根据实验者的需要而比较准确地进行控制。
本发明中实际产生的应力波幅值可以通过电磁铆接装置的充电电压进行控制，实际产生的应力波宽度可以通过调整电磁铆接装置的电容值进行控制。
本发明通过电磁感应原理，既可以产生压缩应力波，又可以产生拉伸应力波，并且应用于霍普金森拉杆和压杆的加载。使霍普金森拉杆和压杆的加载系统能够在同一个装置上同时实现，克服了之前所提出的只能进行单独拉伸或压缩的基于电磁铆接装置的霍普金森杆加载装置。同专利号为201410173843.1和201410171963.8的专利中所提出的方案相比，本发明中所提出的应力波发生器结构更简单，并且拉伸情况下依然能够采用传统霍普金森拉杆的波形整形技术。
本发明在原理上将电磁感应斥力与电容器放电相结合，以代替传统分离式霍普金森杆系统中的气枪和子弹而直接产生应力脉冲。采用传统的霍普金森杆试样，即可对材料进行预期脉冲幅值和脉冲宽度下的加载。设备整个系统操作简单，可控性强。由于是通过电磁方式对应力波进行控制的，当电容充电器中的电容值不变时，同一个电压对应的输出应力波幅值也不变，当充电电压不变时，同一个电容值对应的应力波宽度也不变，所以能够实现对应力波的精确控制，实验的重复性好；其次，由于是通过电磁加载产生的应力波，应力脉冲的宽度不像传统撞击方式那样受撞击杆长度的限制，所以对于低应变率实验，本发明所能达到的应变比传统霍普金森杆更大，例如，本发明可以产生脉冲宽度为0.5ms的应力波，如果以此应力波对试样进行100s-1应变率下的压缩试验，则试样可以达到的最大应变为0.05，而对于传统霍普金森杆，很难达到这么低的应变率，即使可以达到这个应变率，所用子弹为0.8m，则产生的应力脉冲宽度为0.32ms，则试样达到的最大应变为0.032，明显低于电磁加载的霍普金森杆。由于以上优点，本发明装置和方法实现了传统分离式霍普金森杆实验无法达到的应变率和应变范围，使霍普金森杆实验技术的规范化，并且使拉杆和压杆的实验装置实现一体化，节省了设备的复杂性和占地空间。
附图说明
图1是基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的原理图；
图2是基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的结构示意图；
图3是加载枪的内部结构示意图，其中壳体沿对称平面剖开；
图4是放大器的结构示意图，其中图4a是主视图，图4b是图4a中的A-A向视图；
图5是定位筒的结构示意图，其中图5a是主视图，图5b是图5a的侧视图；
图6是放大器装配示意图；
图7是压缩头的结构尺寸示意，其中图7a是主视图，图7b是图7a中的A-A向视图图；
图8是压缩试验放大器装配示意图；
图9是拉伸试验放大器装配示意图；
图10是压缩试验示意图；
图11是拉伸试验示意图；
图12是应变片引线的分布方法；
图13是一般应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是s，纵坐标表示应力，单位是Mpa；
图14是采用本发明中的应变片引线排布方式测到的应力信号，其中横坐标表示时间，单位是s，纵坐标表示应力，单位是Mpa。图中：
1.电阻；2.变压器；3.整流器；4.电容；5.电子开关；6.加载枪；7.壳体；8.主线圈；9.定位筒；10.次级线圈；11.绝缘层；12.放大器；13.压缩头；14.应变片；15.入射杆；16.试样；17.透射杆；18.缓冲器；19.数据采集器；20.电源；21.电容充电器；22.凸台；23.引线。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，包括电源20、电容充电器21和加载枪6。电容充电器21采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器21的输出的正极输出线与加载枪6的正极线相接，负极输出线与加载枪6的负极线相接。电源20采用220V的三相交流电。
本实施例中，电容充电器21采用公布在专利号为200520079179的专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将10个额定电压为1000伏额定电容为2000微法的电解电容并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
如图3所示。加载枪包括加载枪壳体7、主线圈8、定位筒9、次级线圈10、绝缘层11和放大器12。所述加载枪壳体7为载体。主线圈8和次级线圈10依次套装在所述定位筒上，并使所述次级线圈10的一个端面与所述定位筒的定位端面相邻。所述次级线圈10的另一个端面与主线圈8的一个端面相邻并自由贴合。
将套装有主线圈8和次级线圈10的定位筒装入加载枪壳体内中段，将放大器12安装在所述定位筒的一端，并在所述放大器内端面与次级线圈的端面之间套装有绝缘层11。
所述主线圈8、次级线圈10、放大器12和定位筒9均与加载枪壳体同轴。
所述定位筒9通过位于该定位筒一端的外螺纹与次级线圈10的内螺纹的相互配合，将所述定位筒与次级线圈固连，既用于拉伸应力波的传输，又用于主线圈8、次级线圈10和放大器12的定位。
本实施例中，加载枪壳体7采用绝缘性能良好的尼龙制造。该加载枪的主线圈8采用宽25mm、厚1mm的铜带绕制在横截面为工字形的芯体上，铜带匝与匝之间用绝缘材料隔开。主线圈8的外径与加载枪壳体7的内径相同，当该主线圈8装入加载枪壳体7内后，两者之间干涉配合。
次级线圈10为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有与定位筒9配合的螺纹通孔。
放大器12为中空回转体。所述放大器中心孔的内表面为与压缩头13的外螺纹相互配合的螺纹面。该放大器中心孔的内径略大于霍普金森拉杆的入射杆15的外径，当所述霍普金森拉杆的入射杆15穿入该中心孔后，两者之间间隙配合。
该放大器12的外圆周表面为阶梯状，包括分别位于该放大器两端的等径段和位于该放大器中间的锥段。所述放大器12两端的等径段中，位于放大器一端的等径段的外径最大，为应力波接收段；位于放大器另一端的等径段的外径最小，为应力波的输出段。将两段等径段过渡连接的锥段形组成了放大器的应力波放大反射段。所述放大器的应力波接收段的外径与次级线圈的外径相同。所述放大器应力波接收段的直径：应力波输出段直径的比值＝5:2；所述放大器的大外径段的轴向长度:锥段的轴向长度＝1:1。
凸台22为中空回转体。该凸台的内表面为与霍普金森拉杆螺纹端配合的螺纹面。使用时，所述凸台22套装在入射杆15上，并位于所述放大器12的应力波放大反射段一端的端面处。凸台作用是将放大器传来的压缩波反射成拉伸波并导入拉杆。拉伸试验时，霍普金森拉杆的入射杆15依次穿过定位筒9的通孔和放大器12的螺纹孔与凸台22螺纹连接，尺寸与放大器12的螺纹孔和定位筒9的通孔为自由配合。本实施例中，凸台的轴向长度为5mm，外径为20mm。
所述压缩头13为回转体。该压缩头的外圆周表面为两级的阶梯状，其中两级阶梯中的大直径段是压缩波输出段，小直径段是连接段。所述压缩波输出段的外圆周表面对称的加工有平面。本实施例中，压缩波输出段的轴向长度为5mm，直径为16mm，外圆周表面对称的平面是将该压缩波输出段的两侧圆表面分别切去1/4圆弧得到的。试验时，将压缩头13的连接段装入所述放大器12的内螺纹孔中，将压缩头与放大器1螺纹连接。使压缩头的压缩波输出段的内端面与入射杆接触，从而将应力波传播到入射杆中。本实施例中，压缩头的连接段为M15的外螺纹，轴向长度为5mm。
所述压缩波输出段波阻抗与霍普金森压杆的波阻抗相同，波阻抗R定义为
R＝ρCA
其中，ρ为材料的密度，C为材料的应力波速，A为横截面积。
进行压缩试验时，压缩头13位于加载枪壳体内一端，并通过该压缩头一端的连接段与放大器12中心的内螺纹孔连接。进行拉伸试验时，霍普金森拉杆入射杆15的螺纹端依次穿过定位筒9和放大器12的通孔，并在放大器12的应力波输出段一侧与凸台22螺纹连接。尼龙制成的绝缘层11套装在所述定位筒上，并与所述拉伸头22或压缩头13的内表面贴合，通过所述绝缘层11阻止次级线圈10中产生的感应涡流传入放大器12中。次级线圈10螺纹套装在所述定位筒上，并位于所述绝缘层内侧。在加载枪壳体7同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈8的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体7的外表面；所述主线圈8的两个外接接头中的正极接头与电容充电器21的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器21的负极输出线连接。
本实施例中的电源20、入射杆15、透射杆17、试样16、应变片14、数据采集器19和缓冲器18均采用现有技术。
本实施例还提出了一种所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。
Ⅰ采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森压缩实验的具体过程是:
步骤1.排布器材。
将加载枪6、入射杆15和透射杆17按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆15和透射杆17在轴线方向能够自由移动。将一个试样16安装在入射杆15和透射杆17之间，并且使试样16与入射杆15及透射杆17同轴。
步骤2.粘贴应变片。
应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆15或透射杆17的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线23，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
所述应变片引线23的排布有特殊要求，否则会使数据采集器19受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线23在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线23所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器19产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是：如图8所示，先使所述各应变片引线23与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线23呈直线状态接入数据采集器19，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。如图9和图10所示，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
步骤3.进行加载并处理数据。
如图6所示，当进行霍普金森压缩实验时，将压缩头13与放大器12通过已有螺纹连接，定位筒9穿过主线圈的通孔，加载枪6的压缩头13所在的一端靠近入射杆。将压缩头13的应力波输出段与霍普金森压杆的入射杆15的端面同轴充分贴合。对电容充电器21充电后，使电容充电器对加载枪6的主线圈8放电，在次级线圈10与主线圈8之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器12内部表现为压缩应力波并被放大器12放大后形成入射波，该入射波通过压缩头13传入霍普金森压杆的入射杆15，当该入射波传至入射杆15与试样16接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆15中形成反射波，另一部分则通过试样16透射入透射杆17中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样16材料性质决定的。
数据采集器19通过粘贴在入射杆15上的应变片14将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆17上的应变片14将透射波的信号记录下来。利用数据采集器19记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
Ⅱ采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森拉伸实验的具体过程是:
步骤1.排布器材。将加载枪6、入射杆15和透射杆17按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆15和透射杆17仅在轴线方向能够自由移动。加载枪6的压缩头13所在的一端靠近入射杆15。将一个试样16安装在入射杆15和透射杆17之间，并且使试样16与入射杆15及透射杆17同轴。
步骤2.粘贴应变片。应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆15或透射杆17的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线23，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
所述应变片引线23的排布有特殊要求，否则会使数据采集器19受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线23在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线23所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器19产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是：如图8所示，先使所述各应变片引线23与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线23呈直线状态接入数据采集器19，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图9和图10可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
步骤3.进行加载并采集数据。如图7所示，将定位筒9穿过主线圈8的通孔，放大器12与入射杆15分别位于主线圈8的两端。将入射杆15的入射端穿过定位筒9的通孔和放大器12的螺纹孔，与放大器12的螺纹孔和定位筒9的通孔自由配合，入射杆15有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台21通过螺纹连接。将电容充电器21充电电压设置为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈8放电，次级线圈10与主线圈8之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器12内被放大，表现为压缩应力波，并在凸台22反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆15，当该入射波传至入射杆15与试样16接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆15中形成反射波，另一部分则通过试样16透射入透射杆17中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
数据采集器19通过粘贴在入射杆15上的应变片14将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆17上的应变片14将透射波的信号记录下来。利用数据采集器19记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
实施例二
本实施例是一种基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器，包括电源20、电容充电器21和加载枪6。电容充电器21采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器21的输出的正极输出线与加载枪6的正极线相接，负极输出线与加载枪6的负极线相接。电源20采用220V的三相交流电。
本实施例中，电容充电器21采用公布在专利号为200520079179的专利中的电磁铆接设备的供电部分，在本实施例中，将10个额定电压为1000伏额定电容为2000微法的电解电容并联组成电容器组，将所述电容器组与电子开关安装在电容器箱中，通过电子开关控制电容器组的放电。控制箱主要包含PLC及其控制系统。控制系统主要由模拟控制部分、数字控制部分以及数字显示部分组成。其中模拟控制部分采用SIEMENS公司的TCA785芯片。数字控制部分由西门子的S7-200系列CPU224及西门子模拟输入输出扩展模块EM235组成。充电电压控制主要是通过电压环和电流环的PID控制方式实现。数字显示部分主要是通过S7-200系列文本显示器TD200组成。
如图3所示。加载枪包括加载枪壳体7、主线圈8、定位筒9、次级线圈10、绝缘层11和放大器12。所述加载枪壳体7为载体。主线圈8和次级线圈10依次套装在所述定位筒上，并使所述次级线圈10的一个端面与所述定位筒的定位端面相邻。所述次级线圈10的另一个端面与主线圈8的一个端面相邻并自由贴合。
将套装有主线圈8和次级线圈10的定位筒装入加载枪壳体内中段，将放大器12安装在所述定位筒的一端，并在所述放大器内端面与次级线圈的端面之间套装有绝缘层11。
所述主线圈8、次级线圈10、放大器12和定位筒9均与加载枪壳体同轴。
所述定位筒9通过位于该定位筒一端的外螺纹与次级线圈10的内螺纹的相互配合，将所述定位筒与次级线圈固连，既用于拉伸应力波的传输，又用于主线圈8、次级线圈10和放大器12的定位。
本实施例中，加载枪壳体7采用绝缘性能良好的尼龙制造。该加载枪的主线圈8采用直径10mm的铜导线绕制在横截面为工字形的芯体上，铜导线匝与匝之间用绝缘材料隔开。主线圈8的外径与加载枪壳体7的内径相同，当该主线圈8装入加载枪壳体7内后，两者之间干涉配合。
次级线圈10为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有与定位筒9配合的通孔。
放大器12为中空回转体。所述放大器中心孔的内表面为与压缩头13的外螺纹相互配合的螺纹面。该放大器中心孔的内径略大于霍普金森拉杆的入射杆15的外径，当所述霍普金森拉杆的入射杆15穿入该中心孔后，两者之间间隙配合。
该放大器12的外圆周表面为阶梯状，包括分别位于该放大器两端的等径段和位于该放大器中间的锥段。所述放大器12两端的等径段中，位于放大器一端的等径段的外径最大，为应力波接收段；位于放大器另一端的等径段的外径最小，为应力波的输出段。将两段等径段过渡连接的锥段形组成了放大器的应力波放大反射段。所述放大器的应力波接收段的外径与次级线圈的外径相同。所述放大器应力波接收段的直径：应力波输出段直径的比值＝5:2；所述放大器的大外径段的轴向长度:锥段的轴向长度＝1:1。
凸台22为中空回转体。该凸台的内表面为与霍普金森拉杆螺纹端配合的螺纹面。使用时，所述凸台22套装在入射杆15上，并位于所述放大器12的应力波放大反射段一端的端面处。凸台作用是将放大器传来的压缩波反射成拉伸波并导入拉杆。拉伸试验时，霍普金森拉杆的入射杆15依次穿过定位筒9的通孔和放大器12的螺纹孔与凸台22螺纹连接，尺寸与放大器12的螺纹孔和定位筒9的通孔为自由配合。本实施例中，凸台的轴向长度为5mm，外径为20mm。
所述压缩头13为回转体。该压缩头的外圆周表面为两级的阶梯状，其中两级阶梯中的大直径段是压缩波输出段，小直径段是连接段。所述压缩波输出段的外圆周表面对称的加工有平面。本实施例中，压缩波输出段的轴向长度为5mm，直径为16mm，外圆周表面对称的平面是将该压缩波输出段的两侧圆表面分别切去1/4圆弧得到的。试验时，将压缩头13的连接段装入所述放大器12的内螺纹孔中，将压缩头与放大器1螺纹连接。使压缩头的压缩波输出段的内端面与入射杆接触，从而将应力波传播到入射杆中。本实施例中，压缩头的连接段为M15的外螺纹，轴向长度为5mm。
所述压缩波输出段波阻抗与霍普金森压杆的波阻抗相同，波阻抗R定义为
R＝ρCA
其中，ρ为材料的密度，C为材料的应力波速，A为横截面积。
进行压缩试验时，压缩头13位于加载枪壳体内一端，并通过该压缩头一端的连接段与放大器12中心的内螺纹孔连接。进行拉伸试验时，霍普金森拉杆入射杆15的螺纹端依次穿过定位筒9和放大器12的通孔，并在放大器12的应力波输出段一侧与凸台22通过螺纹连接。尼龙制成的绝缘层11套装在所述定位筒上，并与所述拉伸头22或压缩头13的内表面贴合，通过所述绝缘层11阻止次级线圈10中产生的感应涡流传入放大器12中。次级线圈10螺纹套装在所述定位筒上，并位于所述绝缘层内侧。在加载枪壳体7同一侧的圆周表面有两个通孔，主线圈8的两个外接接头分别穿过其中一个通孔并固定在加载枪壳体7的外表面；所述主线圈8的两个外接接头中的正极接头与电容充电器21的正极输出线连接，两个外接接头中的负极接头与电容充电器21的负极输出线连接。
本实施例中的电源20、入射杆15、透射杆17、试样16、应变片14、数据采集器19和缓冲器18均采用现有技术。
本实施例还提出了一种所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法。所述基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验。
Ⅰ采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森压缩实验的具体过程是:
步骤1.排布器材。
将加载枪6、入射杆15和透射杆17按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆15和透射杆17在轴线方向能够自由移动。将一个试样16安装在入射杆15和透射杆17之间，并且使试样16与入射杆15及透射杆17同轴。
步骤2.粘贴应变片。
应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆15或透射杆17的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线23，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
所述应变片引线23的排布有特殊要求，否则会使数据采集器19受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线23在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线23所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器19产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是：如图8所示，先使所述各应变片引线23与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线23呈直线状态接入数据采集器19，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。如图9和图10所示，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
步骤3.进行加载并处理数据。
如图6所示，当进行霍普金森压缩实验时，将压缩头13与放大器12通过已有螺纹连接，定位筒9穿过主线圈的通孔，加载枪6的压缩头13所在的一端靠近入射杆。将压缩头13的应力波输出段与霍普金森压杆的入射杆15的端面同轴充分贴合。对电容充电器21充电后，使电容充电器对加载枪6的主线圈8放电，在次级线圈10与主线圈8之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器12内部表现为压缩应力波并被放大器12放大后形成入射波，该入射波通过压缩头13传入霍普金森压杆的入射杆15，当该入射波传至入射杆15与试样16接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆15中形成反射波，另一部分则通过试样16透射入透射杆17中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样16材料性质决定的。
数据采集器19通过粘贴在入射杆15上的应变片14将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆17上的应变片14将透射波的信号记录下来。利用数据采集器19记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线。
Ⅱ采用基于电磁力的霍普金森拉压杆应力波发生器进行霍普金森拉伸实验的具体过程是:
步骤1.排布器材。将加载枪6、入射杆15和透射杆17按常规方法同轴顺序安装在实验台上，并使所述入射杆15和透射杆17仅在轴线方向能够自由移动。加载枪6的压缩头13所在的一端靠近入射杆15。将一个试样16安装在入射杆15和透射杆17之间，并且使试样16与入射杆15及透射杆17同轴。
步骤2.粘贴应变片。应变片的粘贴方法采用现有技术，即在入射杆15或透射杆17的一半长度处的圆周上以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆或透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线23，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
所述应变片引线23的排布有特殊要求，否则会使数据采集器19受到电磁干扰而无法正常采集实验数据。若应变片引线23在垂直于入射杆或透射杆轴线的平面上的投影形成闭合回路，则加载枪6放电产生强磁场时，变化的磁场线会穿过应变片引线23所形成的回路，使回路中产生变化的磁通量，从而形成感应电流，对数据采集器19产生干扰，使所采集的数据无法使用。解决这一问题的方法是：如图8所示，先使所述各应变片引线23与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线23呈直线状态接入数据采集器19，这样引线中就不会因为磁通量变化而产生感应电流。从图9和图10可以看出，一般的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰非常大，而采用本发明所提出的应变片引线排布方式所测量的应力波信号干扰完全消除。
步骤3.进行加载并采集数据。如图7所示，将定位筒9穿过主线圈8的通孔，放大器12与入射杆15分别位于主线圈8的两端。将入射杆15的入射端穿过定位筒9的通孔和放大器12的螺纹孔，与放大器12的螺纹孔和定位筒9的通孔自由配合，入射杆15有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台21通过螺纹连接。将电容充电器21充电电压设置为200V并充电，待充电完成后，通过电子开关使电容充电器对加载枪的主线圈8放电，次级线圈10与主线圈8之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器12内被放大，表现为压缩应力波，并在凸台22反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆15，当该入射波传至入射杆15与试样16接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆15中形成反射波，另一部分则通过试样16透射入透射杆17中，形成透射波。所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的。
数据采集器19通过粘贴在入射杆15上的应变片14将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆17上的应变片14将透射波的信号记录下来。利用数据采集器19记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。

Claims (6)

1.一种电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置，包括包括电源、电容充电器和加载枪；电容充电器采用现有电磁铆接设备的供电部分，并将所述电容充电器的输出的正极输出线与加载枪的正极线相接，负极输出线与加载枪的负极线相接；所述加载枪包括加载枪壳体、主线圈、定位筒、次级线圈、绝缘层和放大器；主线圈和次级线圈依次套装在所述定位筒上，并使所述次级线圈一个端面与所述定位筒的定位端面相邻；所述次级线圈的另一个端面与主线圈的一个端面相邻并自由贴合；将套装有主线圈和次级线圈的定位筒装入加载枪壳体内中段，将放大器安装在所述定位筒的一端，并在所述放大器内端面与次级线圈的端面之间套装有绝缘层；所述主线圈、次级线圈、放大器和定位筒均与加载枪壳体同轴；所述定位筒一端与次级线圈通过螺纹连接；进行霍普金森压缩实验时，将压缩头的连接段装入所述放大器的内螺纹孔中，将压缩头与放大器螺纹连接；使压缩头的压缩波输出段的内端面与入射杆接触，从而将应力波传播到入射杆中；进行霍普金森拉伸实验时，将入射杆带有外螺纹的一端依次穿过定位筒和放大器的通孔，并在放大器的应力波输出段一侧与凸台进行螺纹连接；当放大器的应力波输出段传出的压缩应力波进入凸台时，所述压缩应力波在凸台的自由端面反射成拉伸波并进入入射杆形成霍普金森拉杆的入射波；
所述放大器中心孔的内表面为与压缩头的外螺纹相互配合的螺纹面；该放大器中心孔的内径略大于霍普金森拉杆的入射杆的外径，当所述霍普金森拉杆的入射杆穿入该中心孔后，两者之间间隙配合；该放大器的外圆周表面为阶梯状，包括分别位于该放大器两端的等径段和位于该放大器中间的锥段；所述放大器两端的等径段中，位于放大器一端的等径段的外径最大，为应力波接收段；位于放大器另一端的等径段的外径最小，为应力波的输出段；将两段等径段过渡连接的锥段形组成了放大器的应力波放大反射段；所述放大器的应力波接收段的外径与次级线圈的外径相同；所述放大器应力波接收段的直径：应力波输出段直径的比值＝5:2；所述放大器的大外径段的轴向长度:锥段的轴向长度＝1:1；
所述压缩头的大直径段是压缩波输出段，小直径段是连接段；所述压缩波输出段的外圆周表面对称的加工有平面；
所述压缩波输出段波阻抗与霍普金森压杆的波阻抗相同，波阻抗R定义为R＝ρCA
其中，ρ为材料的密度，C为材料的应力波速，A为横截面积。
2.如权利要求1所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置，其特征在于，所述加载枪的主线圈采用宽铜带或铜导线绕制在横截面为工字形的芯体上，铜带匝与匝之间用绝缘材料隔开；主线圈的外径与加载枪壳体的内径相同，当该主线圈装入加载枪壳体内后，两者之间干涉配合；主线圈的芯体中心开有通孔，用于自由穿过定位筒；所述次级线圈为铜质圆盘，并在该次级线圈的中心开有与定位筒配合的螺纹通孔。
3.一种如权利要求1所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的实验方法，其特征在于，所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的实验方法中包括霍普金森压缩实验和霍普金森拉伸实验；
Ⅰ所述霍普金森压缩实验的具体过程是：
步骤1.排布器材；
步骤2.粘贴应变片：排布所述应变片引线时，先使所述各应变片引线与入射杆或透射杆的轴线平行分布，再垂直于轴线方向成直角弯折引出，使引线呈直线状态接入数据采集器；将排布好的应变片采用常规方法粘贴在入射杆或透射杆的1/2长度处的圆周上；
步骤3.进行加载并处理数据：霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆连接配合；
对电容充电器充电后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，在次级线圈与主线圈之间产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器内部表现为压缩应力波并被放大器放大后形成入射波，该入射波通过压缩头传入霍普金森压杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；
数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来，通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到试件的动态压缩应力应变曲线；
Ⅱ所述霍普金森拉伸实验的具体过程是：
步骤1.排布器材，
步骤2.粘贴应变片：按照霍普金森压缩实验中的方法排布所述应变片引线；
步骤3.进行加载并采集数据：
霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆连接配合；
将电容充电器充电电压设置为200V并充电，待充电完成后，使电容充电器对加载枪的主线圈放电，次级线圈与主线圈之间就会产生电磁斥力，所述电磁斥力在放大器内被放大，表现为压缩应力波，并在凸台反射成拉伸波并形成霍普金森拉杆的入射波，该入射波传入霍普金森拉杆的入射杆，当该入射波传至入射杆与试样接触面时，由于波阻抗不匹配，该入射波的一部分被反射，在入射杆中形成反射波，另一部分则通过试样透射入透射杆中，形成透射波；所述反射波和透射波的形状和幅值是由试样材料性质决定的；
数据采集器通过粘贴在入射杆上的应变片将入射波和反射波信号记录下来；通过粘贴在透射杆上的应变片将透射波的信号记录下来；利用数据采集器记录的反射波和透射波信号，通过一波法得到材料的动态拉伸应力应变曲线。
4.如权利要求3所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的实验方法，其特征在于，粘贴应变片时，以所述入射杆或透射杆轴线为对称轴，将两片参数完全相同的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面，在应变片的引脚上焊接应变片引线，并将所述应变片引线接入数据采集系统中的惠斯通电桥中。
5.如权利要求3所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的实验方法，其特征在于，霍普金森压缩实验中，在连接所述霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆时，将压缩头与放大器连接，定位筒穿过主线圈的通孔，加载枪的压缩头所在的一端靠近入射杆；将压缩头的应力波输出段与霍普金森压杆的入射杆的端面同轴充分贴合。
6.如权利要求3所述电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的实验方法，其特征在于，霍普金森拉伸实验中，在连接所述霍普金森拉压杆应力波发生器与入射杆时，将定位筒穿过主线圈的通孔，放大器与入射杆分别位于主线圈的两端；将入射杆的入射端穿过定位筒的通孔和放大器的螺纹孔，与放大器的螺纹孔和定位筒的通孔自由配合，入射杆有外螺纹的一端穿出放大器，与凸台通过螺纹连接。
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