CN106568654B - 一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，属于高温应变测试技术领域。该装置包括高温应变实验炉、温控系统和高温应变测试系统，其中高温应变实验炉由加热与温控系统、支撑系统、加载系统、测量系统封装组成，温控系统单独安置，高温应变测试系统由接触式测量系统与非接触式测量系统组成。该装置可以测量高温工况下应变片的性能参数随温度变化特性；测定不同温度下标定梁材料的弹性模量曲线；产生标准应变来校正接触式与非接触式高温应变测试系统的精度等。该装置加工方便、测试装置许用加载力大、可定应力或应变加载、测试精度高、重复度好、使用温度范围广、实验结果可靠。
Description
技术领域
本发明涉及高温应变测试技术领域，特别是指一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置。
背景技术
工业设备在高温工况下的应变测量是测试系统中的重要一环。接触式高温应变测量受制于应变片材料、粘接剂材料的特性，工作温度一般在1100℃以下，对于更高的温度的探索就无能为力了。随着数字图像相关技术、电子散斑干涉等非电测技术的发展，非接触式的光学应变测量技术越来越多的被应用到高温应变测试中，其工作温度可达1800℃甚至更高。而目前鲜有针对非接触式光学测量系统搭建的高温应变校准装置，那么高温应变测量的精度就无法评判。
目前，粘贴式应变片的设计、使用参数依据国标“GB-T13992-2010”。由于此标准替代了1992年实行的“GB-T 13992-1992”，而其中并无应变片参数标定方式的参考依据，因此常用的粘贴式电阻应变计测量装置和方法并无具体的国家标准。应变标定装置领域也鲜有人涉足。
发明内容
本发明为了解决现有应变片标定装置工作温度低，少量高温应变标定的装置存在具体的使用温度范围不明确的问题，以及大多数标定装置只能实现力加载和位移加载这两种模式中一种的问题，提供一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置。
该装置包括高温应变实验炉、温控系统以及高温应变测试系统，其中高温应变实验炉由加热与温控系统、支撑系统、加载系统、测量系统封装组成，温控系统单独安置，高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统组成；
其中，加热与温控系统位于该装置中心，加热与温控系统由上炉壳、下炉壳、保温材料、硅化钼加热元件组成，其中硅化钼加热元件分列在标定梁两侧，标定梁位于加热与温控系统中心，保温材料位于上炉壳和下炉壳内部；
支撑系统由调整支脚、底座连接杆、底座螺母、外支架、下炉壳组成，调整支脚位于该装置最下部，底座连接杆用底座螺母固定安装在下炉壳上，外支架支撑高温应变实验炉；
加载系统由砝码座、底座连接杆、螺纹连接杆、螺纹手轮、通心螺纹连接杆、力加载连接杆、长连接片、短连接片、支撑圆柱一、载荷连接块、载荷连接杆一、载荷连接杆二、螺纹连接柱、支撑圆柱二、连接销、标定梁和固定块组成；
加载力由砝码座依次传递至螺纹连接杆、力加载连接杆、支撑圆柱二、载荷连接块、载荷连接杆一、螺纹连接柱、载荷连接杆二、短连接片、连接销和标定梁，螺纹连接杆一头连接砝码座，螺纹连接杆另一头连接到力加载连接杆上，力加载连接杆通过支撑圆柱二与载荷连接块连接，力加载连接杆通过载荷连接杆一和载荷连接杆二连接短连接片，将载荷加到标定梁上；
测量系统由石英棒、测量连接长杆、测量连接短杆、小螺钉、连接块、螺纹杆、绝热块、光栅尺固定支架、紧固螺钉、光栅尺组成，光栅尺设引线与测量系统连接，光栅尺固定支架连接测量连接短杆，测量连接短杆连接测量连接长杆，测量连接长杆与加载系统的底座连接杆相连，石英棒通过小螺钉固定在连接块上，连接块与螺纹杆、绝热块相连，连接块最终连接到光栅尺上，光栅尺封装固定在光栅尺固定支架上；
温控系统由温控柜和热电偶组成，热电偶通过上炉壳插入炉腔测温，温控柜实现温度控制；
高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统与非接触式高温应变测试系统组成，其中，接触式高温应变测试系统由高温应变片、高温导线、接触式高温应变测试机柜组成；非接触式高温应变测试系统由扩束镜、反射镜、激光器、分光镜、相机、分光棱镜、光学镜头、非接触式高温应变测试机柜组成。
底座连接杆由两根带有外螺纹的耐热材料梁组成。
高温应变实验炉采用硅化钼加热元件加热，硅化钼加热元件在标定梁两侧布置，高温应变实验炉采用低压变压器供电，内热式高温应变实验炉能够在1800℃稳定工作，高温应变实验炉分成三段进行沿标定梁长度方向的均热带调节，高温应变实验炉轴向均热带长为250mm，在均热带内温差≤2℃。
保温材料由加厚密压真空成型陶瓷纤维板制成。
热电偶为B型热电偶，高温应变实验炉内三支热电偶沿轴向分布，分别测量左、中、右三段温度。
热电偶的测温结果通过智能型数字式彩屏显示，测温精度为±0.3％，智能型数字式彩屏显示灵敏度为0.1℃，温度信号接入测量系统；温控系统带有按程序升温的模块，按用户设定速率升温，并完成多段阶梯状曲线升保温，所述温控系统能够在室温～1800℃范围内任意设置温度曲线。
标定梁为水平放置、中间纯弯曲段的简支梁；标定梁表面产生的机械应变值由光栅尺测量得到的标定梁中点挠度值计算得到。
光栅尺固定在光栅尺固定支架上，石英棒顶在标定梁的下表面测量标定梁中点的挠度值，测量连接长杆和测量连接短杆采用石英材料制作而成；光栅尺量程为20mm、显示灵敏度为1μm、测量精度为±0.2％。
加载系统对标定梁的加载包括按应力与按应变两种加载方式；按应力加载时，将螺纹手轮完全放开，将砝码放在砝码座上，这时砝码重量完全加载到标定梁上，根据砝码重量计算标定梁所受应力；按应变加载时，先旋转螺纹手轮，顶起力加载连接杆，将砝码放在砝码座上，旋转螺纹手轮将载荷施加在标定梁上，同时观察光栅尺示数，当达到指定应变所对应的挠度值时停止加载。
接触式高温应变测试系统在标定梁表面固定应变片，信号通过应变片外接插头引入接触式高温应变测试机柜；非接触式高温应变测试系统在该装置外部搭建光学设备，光路通过光学石英玻璃进入炉腔，图像信号经数据线引入非接触式高温应变测试机柜，经计算处理得到标定梁表面应变；接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统能够同时工作，互作验证。
本装置为非接触式光学测量留出接口，搭建光学测量系统，将非接触式高温应变测量与接触式高温应变测量应用到本装置中；可提供标准应变场，来校准两种测量方式；支持两种测量方式同步进行，为两种测量方式互为验证提供了合适的平台。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，采用矩形截面的四点简支梁作为承载梁，最大载荷量达到2KN，最高耐受温度1800℃，可实现力与位移两种加载模式，完成如灵敏度系数、横向效应系数、零点漂移和蠕变、机械滞后、应变极限、热输出等一系列应变片性能相关基本实验。并且本发明将接触式高温应变测量与非接触式高温应变测量搭建在同一平台上，两种方式同时测量，互为验证，同时该装置可提供标准应变场，验证测量精度。
附图说明
图1为本发明的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置结构主视图；
图2为本发明的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置结构左视图；
图3为本发明的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置总装配示意图；
图4为本发明的高温应变片标定梁装配示意图。
其中：1-调整支脚、2-砝码座、3-螺纹连接杆、4-通心支撑座、5-推力球轴承、6-螺纹手轮、7-通心螺纹连接杆、8-力加载连接杆、9-载荷连接块、10-垫圈、11-螺栓连接杆、12-薄螺母、13-载荷连接杆一、14-螺纹连接柱、15-底座固定杆、16-载荷连接杆二、17-底座连接杆、18-底座螺母、19-底座主块、20-长连接片、21-保温材料、22-光学石英玻璃、23-上炉壳、24-标定梁、25-螺钉一、26-垫块、27-短连接片、28-支撑圆柱一、29-石英棒、30-测量连接长杆、31-测量连接短杆、32-小螺钉、33-连接块、34-螺纹杆、35-绝热块、36-光栅尺、37-光栅尺固定支架、38-紧固螺钉、39-支撑圆柱二、40-螺钉二、41-固定块、42-外支架、43-内六角螺钉、44-下炉壳、45-活页组件、46-连接销、47-热电偶、48-热电偶紧固件、49-应变片外接插头、50-硅化钼加热元件、51-扩束镜、52-反射镜、53-激光器、54-分光镜、55-相机、56-分光棱镜、57-光学镜头、58-温控柜、59-接触式高温应变测试机柜、60-非接触式高温应变测试机柜。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，该装置包括高温应变实验炉、温控系统以及高温应变测试系统，其中高温应变实验炉由加热与温控系统、支撑系统、加载系统、测量系统封装组成，温控系统单独安置，高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统组成。
如图1、图2和图3所示，加热与温控系统位于该装置中心，加热与温控系统由上炉壳23、下炉壳44、保温材料21、硅化钼加热元件50组成，其中硅化钼加热元件50分列在标定梁24两侧，标定梁24位于加热与温控系统中心，保温材料21位于上炉壳23和下炉壳44内部，上炉壳23和下炉壳44通过活页组件45连接；
支撑系统由调整支脚1、底座连接杆17、底座螺母18、外支架42、下炉壳44组成，调整支脚1位于该装置最下部，底座连接杆17用底座螺母18固定安装在下炉壳44上，外支架42支撑高温应变实验炉；
加载系统由砝码座2、底座连接杆17、螺纹连接杆3、螺纹手轮6、通心螺纹连接杆7、力加载连接杆8、长连接片20、短连接片27、支撑圆柱一28、载荷连接块9、载荷连接杆一13、载荷连接杆二16、螺纹连接柱14、支撑圆柱二39、连接销46、标定梁24和固定块41组成；
加载力由砝码座2依次传递至螺纹连接杆3、力加载连接杆8、支撑圆柱二39、载荷连接块9、载荷连接杆一13、螺纹连接柱14、载荷连接杆二16、短连接片27、连接销46和标定梁24，螺纹连接杆3一头连接砝码座2，螺纹连接杆3另一头连接到力加载连接杆8上，螺纹连接杆3上部外侧设有通心支撑座4，通心支撑座4通过内六角螺钉43固定，通心支撑座4上部安装推力球轴承5，推力球轴承5上部设置螺纹手轮6，力加载连接杆8通过支撑圆柱二39与载荷连接块9连接，力加载连接杆8通过载荷连接杆一13和载荷连接杆二16连接短连接片27，将载荷加到标定梁24上，载荷连接杆一13通过薄螺母12、螺栓连接杆11和垫圈10连接在载荷连接块9上，长连接片20连接在底座主块19上，底座主块19由下部的底座固定杆15固定，垫块26通过螺钉一25固定在标定梁24上，固定块41通过螺钉二固定；
测量系统由石英棒29、测量连接长杆30、测量连接短杆31、小螺钉32、连接块33、螺纹杆34、绝热块35、光栅尺固定支架37、紧固螺钉38、光栅尺36组成，光栅尺36设引线与测量系统连接，光栅尺固定支架37连接测量连接短杆31，测量连接短杆31连接测量连接长杆30，测量连接长杆30与加载系统的底座连接杆17相连，石英棒29通过小螺钉32固定在连接块33上，连接块33与螺纹杆34、绝热块35相连，连接块33最终连接到光栅尺36上，光栅尺36封装固定在光栅尺固定支架37上；
温控系统由温控柜58和热电偶47组成，热电偶47通过上炉壳23插入炉腔测温，热电偶47与上炉壳23连接处通过热电偶紧固件48固定，温控柜58实现温度控制；
高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统与非接触式高温应变测试系统组成，其中，接触式高温应变测试系统由高温应变片、高温导线、接触式高温应变测试机柜59组成；非接触式高温应变测试系统由扩束镜51、反射镜52、激光器53、分光镜54、相机55、分光棱镜56、光学镜头57、非接触式高温应变测试机柜60组成。
其中，底座连接杆17由两根带有外螺纹的耐热材料梁组成。
高温应变实验炉采用硅化钼加热元件50加热，硅化钼加热元件50在标定梁24两侧布置，高温应变实验炉采用低压变压器供电，内热式高温应变实验炉能够在1800℃稳定工作，高温应变实验炉分成三段进行沿标定梁24长度方向的均热带调节，高温应变实验炉轴向均热带长为250mm，在均热带内温差≤2℃。
保温材料21由加厚密压真空成型陶瓷纤维板制成。
热电偶47为B型热电偶，高温应变实验炉内三支热电偶47沿轴向分布，分别测量左、中、右三段温度。
热电偶47的测温结果通过智能型数字式彩屏显示，测温精度为±0.3％，智能型数字式彩屏显示灵敏度为0.1℃，温度信号接入测量系统；温控系统带有按程序升温的模块，按用户设定速率升温，并完成多段阶梯状曲线升保温，所述温控系统能够在室温～1800℃范围内任意设置温度曲线。温控系统带AT功能，自动调节PID参数，执行单元为可控硅，用移相触发。
高温应变实验炉炉管采用优质三氧化二铝制造，下半炉管内有高温钢防护板及承载弯矩部分，确保电炉绝缘安全；围板设计有通风孔，以便下部箱体散热。
如图4所示，标定梁24为水平放置、中间纯弯曲段的简支梁，在初次安装调试时需要用水平仪调整保证标定梁24水平装配；标定梁24表面产生的机械应变值由光栅尺36测量得到的标定梁24中点挠度值计算得到。该装置采用矩形截面的四点接触的标定梁24作为承载变形体，标定梁24表面产生的机械应变值由光栅尺36测量得到的标定梁24中点挠度值计算得到，而与材料属性、温度无关。
光栅尺36固定在光栅尺固定支架37上，石英棒29顶在标定梁24的下表面测量标定梁24中点的挠度值，测量连接长杆30和测量连接短杆31采用石英材料制作而成；光栅尺36量程为20mm、显示灵敏度为1μm、测量精度为±0.2％。
加载系统对标定梁24的加载包括按应力与按应变两种加载方式；按应力加载时，将螺纹手轮6完全放开，将砝码放在砝码座2上，这时砝码重量完全加载到标定梁24上，根据砝码重量计算标定梁24所受应力；按应变加载时，先旋转螺纹手轮6，顶起力加载连接杆8，将砝码放在砝码座2上，旋转螺纹手轮6将载荷施加在标定梁24上，同时观察光栅尺36示数，当达到指定应变所对应的挠度值时停止加载。
接触式高温应变测试系统在标定梁24表面固定应变片，信号通过应变片外接插头49引入接触式高温应变测试机柜59；非接触式高温应变测试系统在该装置外部搭建光学设备，光路通过光学石英玻璃22进入炉腔，图像信号经数据线引入非接触式高温应变测试机柜60，经计算处理得到标定梁24表面应变；接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统能够同时工作，互作验证。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：该装置包括高温应变实验炉、温控系统以及高温应变测试系统，其中高温应变实验炉由加热与温控系统、支撑系统、加载系统、测量系统封装组成，温控系统单独安置，高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统组成；
其中，加热与温控系统位于该装置中心，加热与温控系统由上炉壳(23)、下炉壳(44)、保温材料(21)、硅化钼加热元件(50)组成，其中硅化钼加热元件(50)分列在标定梁(24)两侧，标定梁(24)位于加热与温控系统中心，保温材料(21)位于上炉壳(23)和下炉壳(44)内部；
支撑系统由调整支脚(1)、底座连接杆(17)、底座螺母(18)、外支架(42)、下炉壳(44)组成，调整支脚(1)位于该装置最下部，底座连接杆(17)用底座螺母(18)固定安装在下炉壳(44)上，外支架(42)支撑高温应变实验炉；
加载系统由砝码座(2)、底座连接杆(17)、螺纹连接杆(3)、螺纹手轮(6)、通心螺纹连接杆(7)、力加载连接杆(8)、长连接片(20)、短连接片(27)、支撑圆柱一(28)、载荷连接块(9)、载荷连接杆一(13)、载荷连接杆二(16)、螺纹连接柱(14)、支撑圆柱二(39)、连接销(46)、标定梁(24)和固定块(41)组成；
加载力由砝码座(2)依次传递至螺纹连接杆(3)、力加载连接杆(8)、支撑圆柱二(39)、载荷连接块(9)、载荷连接杆一(13)、螺纹连接柱(14)、载荷连接杆二(16)、短连接片(27)、连接销(46)和标定梁(24)，螺纹连接杆(3)一头连接砝码座(2)，螺纹连接杆(3)另一头连接到力加载连接杆(8)上，力加载连接杆(8)通过支撑圆柱二(39)与载荷连接块(9)连接，载荷连接块(9)通过载荷连接杆一(13)和载荷连接杆二(16)连接短连接片(27)，将载荷加到标定梁(24)上；
测量系统由石英棒(29)、测量连接长杆(30)、测量连接短杆(31)、小螺钉(32)、连接块(33)、螺纹杆(34)、绝热块(35)、光栅尺固定支架(37)、紧固螺钉(38)、光栅尺(36)组成，光栅尺固定支架(37)连接测量连接短杆(31)，测量连接短杆(31)连接测量连接长杆(30)，测量连接长杆(30)与加载系统的底座连接杆(17)相连，石英棒(29)通过小螺钉(32)固定在连接块(33)上，连接块(33)与螺纹杆(34)、绝热块(35)依次相连，绝热块(35)连接到光栅尺(36)上，光栅尺(36)封装固定在光栅尺固定支架(37)上；
温控系统由温控柜(58)和热电偶(47)组成，热电偶(47)通过上炉壳(23)插入炉腔测温，温控柜(58)实现温度控制；
高温应变测试系统由接触式高温应变测试系统与非接触式高温应变测试系统组成，同时接触式高温应变测试系统和非接触式高温应变测试系统能够同时工作，互作验证；其中，接触式高温应变测试系统由高温应变片、高温导线、接触式高温应变测试机柜(59)组成；非接触式高温应变测试系统由扩束镜(51)、反射镜(52)、激光器(53)、分光镜(54)、相机(55)、分光棱镜(56)、光学镜头(57)、非接触式高温应变测试机柜(60)组成。
2.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述底座连接杆(17)由两根带有外螺纹的耐热材料梁组成。
3.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述高温应变实验炉采用硅化钼加热元件(50)加热，硅化钼加热元件(50)在标定梁(24)两侧布置，高温应变实验炉采用低压变压器供电，内热式高温应变实验炉能够在1800℃稳定工作，高温应变实验炉分成三段进行沿标定梁(24)长度方向的均热带调节，高温应变实验炉轴向均热带长为250mm，在均热带内温差≤2℃。
4.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述保温材料(21)由加厚密压真空成型陶瓷纤维板制成。
5.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述热电偶(47)为B型热电偶，高温应变实验炉内三支热电偶(47)沿轴向分布，分别测量左、中、右三段温度。
6.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述热电偶(47)的测温结果通过智能型数字式彩屏显示，测温精度为±0.3％，智能型数字式彩屏显示灵敏度为0.1℃，温度信号接入测量系统；温控系统带有按程序升温的模块，按用户设定速率升温，并完成多段阶梯状曲线升保温，所述温控系统能够在室温～1800℃范围内任意设置温度曲线。
7.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述标定梁(24)为水平放置、中间是纯弯曲段的简支梁；标定梁(24)表面产生的机械应变值由光栅尺(36)测量得到的标定梁(24)中点挠度值计算得到。
8.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述光栅尺(36)固定在光栅尺固定支架(37)上，石英棒(29)顶在标定梁(24)的下表面测量标定梁(24)中点的挠度值，测量连接长杆(30)和测量连接短杆(31)采用石英材料制作而成；光栅尺(36)量程为20mm、显示灵敏度为1μm、测量精度为±0.2％。
9.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：加载系统对标定梁(24)的加载包括按应力与按应变两种加载方式；按应力加载时，将螺纹手轮(6)完全放开，将砝码放在砝码座(2)上，这时砝码重量完全加载到标定梁(24)上，根据砝码重量计算标定梁(24)所受应力；按应变加载时，先旋转螺纹手轮(6)，顶起力加载连接杆(8)，将砝码放在砝码座(2)上，旋转螺纹手轮(6)将载荷施加在标定梁(24)上，同时观察光栅尺(36)示数，当达到指定应变所对应的挠度值时停止加载。
10.根据权利要求1所述的用于室温至1800℃高温应变校准标定装置，其特征在于：所述接触式高温应变测试系统在标定梁(24)表面固定应变片，信号通过应变片外接插头(49)引入接触式高温应变测试机柜(59)；非接触式高温应变测试系统搭建在该装置外部，光路通过光学石英玻璃(22)进入炉腔，图像信号经数据线引入非接触式高温应变测试机柜(60)，经计算处理得到标定梁(24)表面应变。
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