CN109238880A - 一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置和方法 - Google Patents

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邱学明
于召光
姚穆
孙润军
张雪波
张炳杰
张国权
刘欢
张文斌
杜显娟
董庚良
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    • G—PHYSICS
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    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0032—Generation of the force using mechanical means

Abstract

本发明是一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置和方法，包括安装在冲击臂下端居中位置的冲击头，位于冲击头下方并用于安装受检测试样的试样台，还包括互相连接的数据处理系统和运算系统；在冲击头或者冲击臂上安装有与数据处理系统相连接的加速度传感器；冲击臂上安装有与数据处理系统相连接的反射元件，反射元件下方设有与数据处理系统相连接的激光位移传感器；其中激光位移传感器通过安装架连接在外在基础上。以相对简单的结构和操作方法，实现在记录毫秒以内时间受冲击试样微米级别的形变，并进行时域记录，为进一步获得冲击消耗能量波动、形变受阻曲线提供基础数据。

Description

一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种电脑控制的材料检测冲击试验机。主要用于检测并记录材料在受冲击过程中冲击形变随时间变化的数据。本发明还涉及检测材料受冲击过程中形变量的方法。
背景技术
随着工业化进程加快，环境中运动物体所含有的动能越来越大，这个变化的逻辑的结果就是人类或者是相对重要的装置受含有动能的物体冲击造成损害甚至危及生命的可能越来越大。
无论是为保护人类安全的防护装置还是人类本身，评估受到冲击后的效应，如受冲击后的材料或物体发生的形变，是研究、应对这一日益增长损伤可能的有效途径。
现有研究或检测类似过程参数的装置以及方法大多存在下列的不足：
1、详细记录过程的只能在低很速度下进行，例如硬度计；
2、能在高速下进行的要么只能观察现象如高速摄影，要么只能检测结果，要么只能以相对低的精度获得结果，如专利CN101509856B；
3、能在较高的速度下进行检测，但只能通过加速度传感器获得的数据积分获得形变参数，如专利CN102692353B中可以推演的方法，这从计算上带来很大的误差可能；
4、能够在很高的速度和很高的精度下检测，但价格高昂，如激光光栅干涉法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置和方法，以相对简单的结构和操作方法，实现在记录毫秒以内时间受冲击试样微米级别的形变，并进行时域记录，为进一步获得冲击消耗能量波动、形变受阻曲线提供基础数据。
本发明的技术方案如下：
一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置，包括安装在冲击臂下端居中位置的冲击头，位于冲击头下方并用于安装受检测试样的试样台，其特征在于：还包括互相连接的数据处理系统和运算系统；在冲击头或者冲击臂上安装有与数据处理系统相连接的加速度传感器；冲击臂上安装有与数据处理系统相连接的反射元件，反射元件下方设有与数据处理系统相连接的激光位移传感器；其中激光位移传感器通过安装架连接在外在基础上。
外在基础上安装有减震器。
所述试样台表面是平面、柱面或其柱面以外的曲面。
试样台为三维旋转调整试样台。
用于检测材料受冲击过程中形变量的方法，其特征在于：冲击臂以预设的运动轨迹向按预设的方式放置试样的试样台运动，激光位移传感器通过发射光束并在反射元件反射后获得的角度或时差换算成激光位移传感器与反射元件之间的位移信息，当冲击头与试样表面接触后，加速度传感器获得冲击头与试样表面接触的加速度信号，该信号被数据采集处理系统接受，经运算系统计算得到冲击头在接触样品之前那一瞬间的速度，并将该时间点设为零点，自此以后激光位移传感器与反射元件之间的位移被计算入材料受到冲击以后的形变量。
本发明的积极效果在于：
由于材料因受冲击造成的破坏往往发生在毫秒甚至微秒这个时间段，材料形变开始至彻底的破坏过程中，最重要的初始阶段譬如裂纹发生往往在微米级别，速度也大多在10米/秒以上。本发明的装置和方法实现以相对低廉的价格的同时，满足在记录毫秒以内时间受冲击试样微米级别的形变，并进行时域记录，为进一步获得冲击消耗能量波动、形变受阻曲线提供基础数据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施，进一步说明本发明。
首先结合图1说明本发明的结构功能以及材料冲击试验机的基本结构和本发明的关系。在仪器的底部有试样台3；在试样台3的上面安放试样5；冲击头6安装在冲击臂8下面的居中部位；在冲击头6的适当部位安装有加速度传感器10。
在冲击臂8上安装有反射元件7，并且该反射元件7的反射平面与激光位移传感器2发射光束形成或近似形成几何垂平面关系，其几何中心与激光位移传感器2发射光束重合或近似重合。试验时，激光位移传感器2和反射元件7获得实时数据发送给数据采集系统4，经数据采集系统4获得相关数据和运算系统9进行数据交换，运算系统9掌握测试头6与试样5的实时距离；冲击臂8推动冲击头6被释放后沿导向装置11定向直线运行，运行通常是重力加速度的自由坠落过程，也可以变速的或者是变加速的过程。其测试状态时，运行方向指向试样5的测试点，试样5安放于试样台3上，并且试样5测试点的基本平面中心位于冲击头6冲击轴线或者附近，冲击头6的质量中心与冲击臂8的质量中心连线与冲击臂8运行方向平行。
为了避免震动干扰测试数据，将激光位移传感器2以柔性连接的方式安装在外在基础1上，并且外在基础1采取了避震措施，比如在外在基础1上安装减震器。
为了满足试样台3对应冲击臂8运行方向的表面可准确测试，试样5安放在试样台3的平面也可以是柱面或其他曲面。为了满足对试样台3旋转方向的表面可准确测试，试样台3可根据不同的测试需要做三维旋转调整，使试样5被冲击头6中心运行轴线穿过的那个点的切平面与冲击头6中心运行轴线形成所需的角度，以便于测试者考察、评估不同入射角度对材料的破坏过程。试验时，激光位移传感器2和冲击头6上安装的加速度传感器10获得的模拟数据，由数据采集处理系统4同步接收处理。
冲击臂8被释放后，推动冲击头6以预设的运行轨迹、向按预设方式的试样台3放置的试样5运行，激光位移传感器2通过发射光束并在反射元件7反射后获得的角度或时差换算成激光位移传感器2与反射元件7之间的位移信息。当冲击头6与试样5表面接触时，加速度传感器10获得冲击头与试样表面接触的加速度信号，由该信号发生起始时间为界限，数据采集处理系统4即可计算得到冲击头6在接触试样5之前那一瞬间的速度。
针对试样5的冲击试验过程是：冲击头6在冲击臂8带动下被提升到规定高度，试验时，释放冲击臂8，冲击臂8带动冲击头6在导向装置11约束下直线下落，定向冲击试样5。在试样5被冲击头6的冲击过程中，位移传感器2和反射元件7、加速度传感器10检测冲击头6的运行速度的实时数据并将这些数据传输给数据采集处理系统4；当冲击头6接触试样5时，数据采集处理系统4获得信号并送给运算系统9监控并记录作为试样冲击初始点，直至冲击头6对试样5的冲击停止，试样的冲击位移与时间信息通过数据采集处理系统4测得的冲击力传送给运算系统9，经运算系统9的数据处理后，得出质量有关的其他量纲的物理量。
本发明获得的时间/速度数据分为前后二部分：a.自冲击臂8释放开始到冲击头6接触试样5截止的第一段时间数据，经数据采集处理系统4发送给运算系统9，得出第一段时间中不同时间段的速度；b. 冲击头6接触试样时的时间/速度信息设为零点，自此以后激光位移传感器2与反射元件7之间的位移被计算入材料受到冲击以后的形变量，以此为基础，被运算系统9做进一步的换算，获得从冲击头6接触试样5开始到冲击头6被试样5阻滞截止的第二段时间中不同时间段的位移、质量相关的其他量纲的物理量。

Claims (5)

1.一种用于检测材料受冲击过程中形变量的装置，包括安装在冲击臂（8）下端居中位置的冲击头（6），位于冲击头（6）下方并用于安装受检测试样（5）的试样台（3），其特征在于：还包括互相连接的数据处理系统（4）和运算系统（9）；在冲击头（6）或者冲击臂（8）上安装有与数据处理系统（4）相连接的加速度传感器（10）；冲击臂（8）上安装有与数据处理系统（4）相连接的反射元件（7），反射元件（7）下方设有与数据处理系统（4）相连接的激光位移传感器（2）；其中激光位移传感器（2）通过安装架连接在外在基础（1）上。
2.如权利要求1所述的用于检测材料受冲击过程中形变量的装置，其特征在于：外在基础（1）上安装有减震器。
3.如权利要求1或2所述的用于检测材料受冲击过程中形变量的装置，其特征在于：所述试样台（3）表面是平面、柱面或其柱面以外的曲面。
4.如权利要求1或2所述的用于检测材料受冲击过程中形变量的装置，其特征在于：试样台（3）为三维旋转调整试样台。
5.用于检测材料受冲击过程中形变量的方法，其特征在于：冲击臂（8）以预设的运动轨迹向按预设的方式放置试样（5）的试样台（3）运动，激光位移传感器（2）通过发射光束并在反射元件（7）反射后获得的角度或时差换算成激光位移传感器（2）与反射元件（7）之间的位移信息，当冲击头（6）与试样（5）表面接触后，加速度传感器（10）获得冲击头（6）与试样（5）表面接触的加速度信号，该信号被数据采集处理系统（4）接受，经运算系统（9）计算得到冲击头（6）在接触样品（5）之前那一瞬间的速度，并将该时间点设为零点，自此以后激光位移传感器（2）与反射元件（7）之间的位移被计算入材料受到冲击以后的形变量。
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