CN105628275A - 一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法 - Google Patents

一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种抗冲击的敏感元件，包括由金属部件形成的衬底以及与衬底焊接在一起的铁镓合金。本发明实施例还提供了一种抗冲击的敏感元件的制备方法，制备方法包括选取一定面积及厚度的金属部件为衬底，并裁剪出满足预定尺寸的铁镓合金；待铁镓合金放置于衬底上部后，通过超声波增材制造技术将衬底与铁镓合金焊接在一起。本发明实施例又提供了通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法。实施本发明实施例，具备良好的机械性能，抗冲击能力强，摆脱对配套保护结构的依赖，可广泛应用于结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面。

Description

一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法
技术领域
本发明涉及抗冲击合金材料技术领域，尤其涉及一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法。
背景技术
冲击振动是刚体结构在全生命周期中最常见的一种外部载荷，当动能传递到一个系统的时间小于系统的固有振荡周期时，冲击现象便产生了。这些碰撞冲击，对于刚体结构可靠性、稳定性及其寿命有至关重要的影响，寻求对刚体结构碰撞冲击的瞬态响应过程进行监测，进而对其动力学性能、稳定与可靠性进行评估与优化，是现代工业生产和先进制造技术中的重要课题。
冲击是一种瞬态现象，持续时间短，并且强度和强度随时间的变化率都分布在宽广的测量范围内，对它们进行精确测量，需要借助高度专门化的设备。电阻应变片是较早一种用来检测冲击响应的方法，通过应力引起电阻率的变化对外部载荷进行测量，但动态响应较差，后来出现了基于石英晶体、压电聚合物和光纤光栅技术的冲击力检测方法。
然而，上述检测方法均因为材料的脆性或者自身强度的限制，冲击力无法直接作用于材料本身，需要设计专门的保护机构进行配套工作，无法对冲击力进行直接测量；同时由于配套保护机构的存在，也增加了整个测量结构的体积和复杂程度。
因此，亟需一种材料，具备良好的机械性能，抗冲击能力强，摆脱对配套保护结构的依赖，可广泛应用于结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法，具备良好的机械性能，抗冲击能力强，摆脱对配套保护结构的依赖，可广泛应用于结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种抗冲击的敏感元件，其所述敏感元件包括由金属部件形成的衬底以及与所述衬底焊接在一起的铁镓合金。
本发明实施例还提供了一种抗冲击的敏感元件的制备方法，所述制备方法包括：
选取一定面积及厚度的金属部件为衬底，并裁剪出满足预定尺寸的铁镓合金；
待所述铁镓合金放置于所述衬底上部后，通过超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
其中，所述制备方法进一步包括：
选取另一一定面积及厚度的金属部件作为另一衬底，并将两个衬底相对设置于所述铁镓合金的上下部，使得所述铁镓合金位于所述两个衬底之间后，通过超声波增材制造技术将所述两个衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
其中，所述超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起具体为：
通过包括超声波发生器和旋转驱动器的加工设备将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起；其中，所述超声波发生器作用于所述铁镓合金上，通过所述旋转驱动器反复对所述衬底与所述铁镓合金之间的加工面进行超声增材加工，将所述铁镓合金与所述衬底焊接为复合结构。
本发明实施例又提供了一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法，所述测试方法包括：
将敏感元件植入到被测部件内部，并在所述敏感元件的一端设有通过加载恒定电压信号形成磁场的第一磁性部件，在所述敏感元件的另一端上设有用于提取信号的第二磁性部件；
当外力作用于所述被测部件时，获取所述第二磁性部件的电压信号，并将所述获取到的电压信号进行滤波处理后，通过解调所述滤波后的电压信号表征所述被测部件的外部冲击载荷。
其中，所述测试方法进一步包括：
将带有传递轴的测力模块抵靠在所述被测部件的外部端面上，当外力作用于所述测力模块时，获取所述测力模块的电压信号值，并与通过所述第二磁性部件获取后经滤波及解调处理的电压信号值进行比较，根据比较结果对满足一定条件的已表征的外部冲击载荷进行标定。
其中，所述第一磁性部件为线圈或永磁体。
其中，所述第二磁性部件为线圈。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
（1）敏感元件可抗冲击，无需额外的保护装置和封装，利于小型化的需要；
（2）允许直接进行机械加工，摆脱对配套保护结构的依赖，可广泛应用于结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种抗冲击的敏感元件的系统结构图；
图2为本发明实施例提供的一种抗冲击的敏感元件的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法的一应用场景图；
图5为本发明实施例提供的一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法的另一应用场景图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种抗冲击的敏感元件，敏感元件包括由金属部件形成的衬底以及与衬底焊接在一起的铁镓合金。
应当说明的是，铁镓合金（Fe-Ga合金）具有磁致伸缩逆效应，即当材料承受的应力发生变化时，其内部磁化强度会发生改变，因而可以通过测量材料磁化率的变化对外部应力进行检测。该材料具备良好的机械性能，抗冲击能力强，可以进行轧制、冲击、锻压、切割等，其最大拉伸应力超过500MPa，这些属性为Fe-Ga合金在结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面的应用提供了可能。
例如：在汽车碰撞检测中，将敏感元件（Fe-Ga合金片）直接植入车身结构，可直接对冲击在关键部位产生的瞬态响应进行检测，获得更准确和真实的信息。
例如：工业电器触头在吸合时，在吸合处产生剧烈冲击，通过机械加工的方法对铁镓合金进行裁剪，形成满足条件的敏感元件，并利用其Villari效应，可对触头界面处发生的碰撞冲击进行检测。
如图2所示，为本发明实施例中，提供的一种抗冲击的敏感元件的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S10、选取一定面积及厚度的金属部件为衬底，并裁剪出满足预定尺寸的铁镓合金；
步骤S20、待所述铁镓合金放置于所述衬底上部后，通过超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
应当说明的是，铁镓合金通过机械加工进行裁剪，裁剪后的面积应该小于金属部件的面积。
在本发明实施例中，通过超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起具体的实现方式如下：
通过包括超声波发生器和旋转驱动器的加工设备将衬底与铁镓合金焊接在一起；其中，超声波发生器作用于铁镓合金上，通过旋转驱动器反复对衬底与铁镓合金之间的加工面进行超声增材加工，将铁镓合金与衬底焊接为复合结构，实现铁镓合金植入金属部件的目的，使得该复合结构具有高机械强度、检测以及抗冲击等功能。
相对于步骤S20将一衬底与铁镓合金焊接后形成复合结构，还可以在焊接后的复合结构上加设另一衬底，形成新的复合结构，因此所述制备方法进一步包括：
选取另一一定面积及厚度的金属部件作为另一衬底，并将两个衬底相对设置于所述铁镓合金的上下部，使得所述铁镓合金位于所述两个衬底之间后，通过超声波增材制造技术将所述两个衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
应当说明的是，通过超声波增材制造技术将两个衬底与铁镓合金焊接在一起形成新复合结构的工艺与通过超声波增材制造技术将一个衬底与铁镓合金焊接在一起形成复合结构的工艺相同，因此在此不再赘述。
如图3所示，为本发明实施例中，提供的一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法，所述测试方法包括：
步骤S30、将敏感元件植入到被测部件内部，并在所述敏感元件的一端设有通过加载恒定电压信号形成磁场的第一磁性部件，在所述敏感元件的另一端上设有用于提取信号的第二磁性部件；
步骤S40、当外力作用于所述被测部件时，获取所述第二磁性部件的电压信号，并将所述获取到的电压信号进行滤波处理后，通过解调所述滤波后的电压信号表征所述被测部件的外部冲击载荷。
在本发明实施例中，如图4所示，通过恒定电压Um(t)为第一磁性部件C1提供偏置磁场（根据不同的应用场合和设计需要，第一磁性部件C1可以是线圈，也可以是永磁体）。
当有外力作用于被测部件（即金属试件）时，被测部件上具有冲击载荷，敏感元件（即Fe-Ga合金片）受到应力驱动，磁化强度发生改变，通过第二磁性部件C2（如线圈）对电压信号进行提取，其计算表达式为：
（1）
式（1）中，为C2的匝数密度，为截面积。由于，因而方程(1)可以进一步改写为：
（2）
式（2）中，为磁感应强度，为磁化强度，为磁场强度矢量，为真空磁导率；
从公式（2）中，可以看到第二磁性部件C2输出的电压信号Uo(t)是磁场强度和磁化强度的叠加，采用滤波技术滤除磁场产生的电信号，从而获得磁化强度变化产生的电信号，并进一步解调后对被测部件的外部冲击载荷进行表征。
如图5所示，在获取电压信号的基础上，需要对被测部件进行标定和测试研究，进一步调整和优化被测部件，因此测试方法进一步包括：
将带有传递轴的测力模块抵靠在被测部件的外部端面上，当外力作用于测力模块时，获取测力模块的电压信号值，并与通过第二磁性部件获取后经滤波及解调处理的电压信号值进行比较，根据比较结果对满足一定条件的已表征的外部冲击载荷进行标定。
作为一个例子，当比较结果为测力模块的电压信号值大于第二磁性部件获取的电压信号值时，则确定被测部件的抗冲击力需要进一步提升。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
（1）敏感元件可抗冲击，无需额外的保护装置和封装，利于小型化的需要；
（2）允许直接进行机械加工，摆脱对配套保护结构的依赖，可广泛应用于结构复合、冲击检测和体积裁剪等方面。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种抗冲击的敏感元件，其特征在于，所述敏感元件包括由金属部件形成的衬底以及与所述衬底焊接在一起的铁镓合金。
2.一种抗冲击的敏感元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
选取一定面积及厚度的金属部件为衬底，并裁剪出满足预定尺寸的铁镓合金；
待所述铁镓合金放置于所述衬底上部后，通过超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法进一步包括：
选取另一一定面积及厚度的金属部件作为另一衬底，并将两个衬底相对设置于所述铁镓合金的上下部，使得所述铁镓合金位于所述两个衬底之间后，通过超声波增材制造技术将所述两个衬底与所述铁镓合金焊接在一起。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述超声波增材制造技术将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起具体为：
通过包括超声波发生器和旋转驱动器的加工设备将所述衬底与所述铁镓合金焊接在一起；其中，所述超声波发生器作用于所述铁镓合金上，通过所述旋转驱动器反复对所述衬底与所述铁镓合金之间的加工面进行超声增材加工，将所述铁镓合金与所述衬底焊接为复合结构。
5.一种通过抗冲击的敏感元件测试冲击应力的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
将敏感元件植入到被测部件内部，并在所述敏感元件的一端设有通过加载恒定电压信号形成磁场的第一磁性部件，在所述敏感元件的另一端上设有用于提取信号的第二磁性部件；
当外力作用于所述被测部件时，获取所述第二磁性部件的电压信号，并将所述获取到的电压信号进行滤波处理后，通过解调所述滤波后的电压信号表征所述被测部件的外部冲击载荷。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法进一步包括：
将带有传递轴的测力模块抵靠在所述被测部件的外部端面上，当外力作用于所述测力模块时，获取所述测力模块的电压信号值，并与通过所述第二磁性部件获取后经滤波及解调处理的电压信号值进行比较，根据比较结果对满足一定条件的已表征的外部冲击载荷进行标定。
7.如权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于，所述第一磁性部件为线圈或永磁体。
8.如权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于，所述第二磁性部件为线圈。
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