CN109374451A - 基于光纤传感技术的疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤传感技术的疲劳试验装置。本发明的疲劳试验装置包括加载机构，固定机构和光纤传感器。加载机构包括两个正对设置且能够沿拉压方向反向运动的第一加载件和第二加载件。固定机构设于第一加载件和第二加载件之间，且包括正对设置的第一固定组件和第二固定组件，第一固定组件与第一加载件连接，且能与试验件的第一端连接，第二固定组件与第二加载件连接，且能与试验件的第二端连接。光纤传感器可拆卸地安装于试验件，用于检测试验件在拉压方向上的形变。该疲劳试验装置能够对棒状试验件进行拉压试验，能够节约试验件原材料，同时采用光纤传感器可精确测量试验件的形变量，提高疲劳寿命的计算精度。

Description

基于光纤传感技术的疲劳试验装置

技术领域

本发明属于材料性能测试技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感技术的疲劳试验装置。

背景技术

机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

现有的测量金属疲劳寿命的试验系统存在两方面问题。第一，目前所采用的试验件尺寸较大，较耗费原材料，而做试验的单晶试验件价格不低，做一次试验花费较高；第二，在测量金属疲劳寿命时需要对试验件的拉压位移进行实时测量，而现有的位移测量系统，采用拉压计进行测量，拉压计无法直接准确地测量试验件的实时位移，而是通过测量拉压杆的实时位移来近似代替试验件的位移，误差较大，其测量的数据不能真实反映试验结果。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够精确测量试验件的形变量，以准确计算金属疲劳寿命的基于光纤传感技术的疲劳试验装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，用于对一棒状试验件进行拉压疲劳试验，所述疲劳试验装置包括：

加载机构，包括两个正对设置且能够沿拉压方向反向运动的第一加载件和第二加载件；

固定机构，设于所述第一加载件和所述第二加载件之间，且包括正对设置的第一固定组件和第二固定组件，所述第一固定组件与所述第一加载件连接，且能与所述试验件的第一端连接，所述第二固定组件与所述第二加载件连接，且能与所述试验件的第二端连接；

光纤传感器，可拆卸地安装于所述试验件，用于检测所述试验件在拉压方向上的形变。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一固定组件包括：

第一连接件，设有第一连接孔，所述第一连接孔能够与所述试验件的第一端螺纹连接；

第一固定套，套设于所述第一连接件外，且与所述第一连接件可拆卸地固定连接，所述第一加载件与所述第一固定套连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一固定套设有贯通的第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔的直径大于所述第二安装孔的直径，所述第一连接件的一端位于所述第一安装孔内，另一端穿出所述第二安装孔，且所述第一连接件位于所述第一安装孔内的表面设有第一凸缘，所述第一凸缘的直径大于所述第二安装孔的直径，所述第一连接件穿出所述第二安装孔的一端与所述试验件的第一端螺纹连接；

所述疲劳试验装置还包括第一连杆，所述第一连杆的一端与所述第一加载件连接，另一端穿入所述第一安装孔并螺纹连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一连接件设有沿所述拉压方向延伸的第一通孔，所述试验件的第一端穿入所述第一通孔靠近所述试验件的一端并螺纹连接；

所述第一固定组件还包括第一限位杆，所述第一限位杆的一端伸入所述第一通孔，另一端抵顶于所述第一连杆。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二固定组件包括：

第二连接件，设有第二连接孔，所述第二连接孔能够与所述试验件的第二端螺纹连接；

第二固定套，套设于所述第二连接件外，且与所述第二连接件可拆卸地固定连接，所述第二加载件与所述第二固定套连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二固定套设有贯通的第三安装孔和第四安装孔，所述第三安装孔的直径大于所述第四安装孔的直径，所述第二连接件的一端位于所述第三安装孔内，另一端穿出所述第四安装孔，且所述第二连接件位于所述第三安装孔内的表面设有第二凸缘，所述第二凸缘的直径大于所述第四安装孔的直径，所述第二连接件穿出所述第四安装孔的一端与所述试验件的第二端螺纹连接；

所述疲劳试验装置还包括第二连杆，所述第二连杆的一端与所述第二加载件连接，另一端穿入所述第三安装孔并螺纹连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二连接件设有沿所述拉压方向延伸的第二通孔，所述试验件的第二端穿入所述第二通孔靠近所述试验件的一端并螺纹连接；

所述第二固定组件还包括第二限位杆，所述第二限位杆的一端伸入所述第二通孔，另一端抵顶于所述第二连杆。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光纤传感器包括：

第一光纤，设于所述试验件；

第二光纤，设于所述试验件，且所述第二光纤和所述第一光纤沿拉压方向排布，所述第二光纤的端部与所述第一光纤的端部正对设置。

在本发明的一种示例性实施例中，所述疲劳试验装置还包括：

第一支架，粘至所述试验件，所述第一光纤粘至所述第一支架；

第二支架，粘至所述试验件，所述第二光纤粘至所述第二支架。

在本发明的一种示例性实施例中，所述疲劳试验装置还包括：

加热炉，所述固定机构设于所述加热炉内，所述加热炉用于对试验件加热。

本发明提供的疲劳试验装置通过采用固定机构将棒状试验件固定，并通过光纤传感器对棒状试验件的形变量进行测量。一方面，该固定装置能够固定加工成棒状的试验件，可以节省原材料，降低试验成本。另一方面，采用光纤传感器可精确测量试验件的形变量，从而提高疲劳寿命的计算精度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施方式疲劳试验装置的结构示意图。

图2为本实施方式试验件的结构示意图。

图3为本实施方式第一连接件的结构示意图。

图4为本实施方式第一固定套的结构示意图。

图5为本实施方式第一连杆的结构示意图。

图6为本实施方式各部件的分解示意图。

图7为本实施方式各部件的组合示意图。

图8为本实施方式光纤传感器的结构示意图。

图9为本实施方式高温炉的剖面图。

其中：1、加载机构；11、第一加载件；12、第二加载件；2、固定机构；21、第一固定组件；211、第一连接件；2111、第一凸缘；212、第一固定套；213、第一限位杆；22、第二固定组件；221、第二连接件；222、第二固定套；23、第一连杆；24、第二连杆；3、光纤传感器；31、第一光纤；32、第二光纤；33、套管；34、第一支架；35、第二支架；4、加热炉；200、试验件。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之间”、“一端”、“底部”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

参见图1至图9，图1为本实施方式基于光纤传感技术的疲劳试验装置的结构示意图；图2为本实施方式试验件的结构示意图；图3至图9为本实施方式疲劳试验装置各部件的示意图。该疲劳试验装置主要包括轴向加载机构1，固定机构2和光纤传感器3。以下结合上述附图，对本发明提出的疲劳试验装置的各主要组成部分的结构、连接方式或功能关系进行详细说明。

如图1所示，在本实施方式中，加载机构1可以包括两个正对设置且能够沿拉压方向反向运动的第一加载件11和第二加载件12。固定机构2可设于第一加载件11和第二加载件12之间，且可以包括正对设置的第一固定组件21和第二固定组件22，第一固定组件21可与第一加载件11连接，且能与试验件200的第一端连接，第二固定组件22与第二加载件12连接，且能与试验件200的第二端连接。光纤传感器3可拆卸地安装于试验件200，用于检测试验件200在拉压方向上的形变。

本发明提供的疲劳试验装置通过采用固定机构2将棒状试验件200固定，并通过光纤传感器3对棒状试验件200的形变量进行测量。一方面，该固定装置能够固定加工成棒状的试验件200，可以节省原材料，降低试验成本。另一方面，采用光纤传感器3可精确测量试验件200的形变量，从而提高疲劳寿命的计算精度。

如图2所示，在本实施方式中，试验件200可以为将原来大的平板试验件加工成棒状试验件，也可直接通过模具进行生产加工。可以在该试验件200可为圆棒型，也可为工字型。可在试验件200的两端设置外螺纹，试验件200的中部为平滑部。本实施方式的试验件200不用考虑板状试验件中销孔的面积，节省了为打上下两个销孔而预留的一部分材料，而且试验件整体尺寸较小，一定程度上减少了材料的用量，降低了试验成本。

如图3至图7所示，在本实施方式中，第一固定组件21可以包括第一连接件211和第一固定套212。第一连接件211设有第一连接孔，第一连接孔能够与试验件200的第一端螺纹连接。第一固定套212套设于第一连接件211外，且与第一连接件211可拆卸地固定连接，第一加载件11与第一固定套212连接。

进一地，在本实施方式中，第一固定套212设有贯通的第一安装孔和第二安装孔，第一安装孔的直径大于第二安装孔的直径，第一连接件211的一端位于第一安装孔内，另一端穿出第二安装孔，且第一连接件211位于第一安装孔内的表面设有第一凸缘2111，第一凸缘2111的直径大于第二安装孔的直径，第一连接件211穿出第二安装孔的一端与试验件200的第一端螺纹连接。疲劳试验装置还可包括第一连杆23，第一连杆23的一端与第一加载件11连接，另一端穿入第一安装孔并可与第一固定套212螺纹连接。第一固定套212可以为螺母，螺母的底部的第二安装孔无螺纹，底部的第二安装孔孔径小于上面带内螺纹的第一孔径。

进一步地，在本实施方式中，第一连接件211设有沿所述拉压方向延伸的第一通孔，试验件200的第一端穿入第一通孔靠近试验件200的一端并可与第一连接件211螺纹连接。第一固定组件21还可包括第一限位杆23，第一限位杆23的一端伸入第一通孔，另一端抵顶于第一连杆213。第一连接件211的底部设有内螺纹孔，带外螺纹的时间200可以与第一连接件211螺纹连接。第一限位杆213的使用可以弥补在试验过程中试验件200与第一连接件211螺纹连接可能发生松动的情形发生，能够更好地抵顶试验件200，使试验件200在试验过程中不发生移动。

进一步地，在本实施方式中，第一连杆213的底部可设有凹槽，第一连接件211的上端部和第一限位件213均可抵顶于所述凹槽，凹槽能够更好地固定第一限位件213和第一连接件211。

在本实施方式中，第二固定组件22可以包括第二连接件221和第二固定套222。第二连接件221设有第二连接孔，第二连接孔能够与试验件200的第二端螺纹连接。第二固定套222套设于第二连接件221外，且与第二连接件221可拆卸地固定连接，第二加载件12与第二固定套222连接。其中，第二固定组件22的结构和连接方式可以同上述第一固定组件21，在此不再详述，第二固定组件22的结构和连接方式也可以为其他结构和连接方式，不以此为限。

在本实施方式中，加载机构1能够通过正对设置的第一连杆23和第二连杆24分别与第一加载件11和第二加载件12连接，第一加载件11和/或第二加载件12用于对试验件200施加载荷。举例而言，该加载机构1还可以包括横梁和疲劳机，该横梁平行于疲劳机的台面，第一连杆23和第二连杆24位于横梁和疲劳机之间。其中，第一连杆23与横梁连接，第二连杆24与疲劳机连接。在疲劳机朝远离或靠近横梁方向运动时，第一连杆23和第二连杆24对试验件200施加拉压载荷。疲劳机中可设有气缸或电机，以驱动疲劳机或第二连杆24运动，疲劳机还可以包括减速机等。加载机构1的结构不以本实施方式为限。

如图8所示，在本实施方式中，光纤传感器3可以包括第一光纤31和第二光纤32。第一光纤31和第二光纤32设于试验件200上，且第二光纤32和第一光纤31沿拉压方向排布，第二光纤32的端部与第一光纤31的端部正对设置。

进一步地，光纤传感器3还可包括一套管33。套管33可套设于第一光纤31和第二光纤32两个正对的端部外，用于使两个端部对中。套管33可为玻璃管。

进一步地，光纤传感器3还可包括信号解调器和处理器。信号解调器可与第二光纤32连接，用于将光信号解调为电信号。处理器与信号解调器电连接，处理器可为计算机，用于计算和显示试验件200的形变量及相关数据。光纤传感器3可通过光纤Fabry-Perot测量技术进行测量，其测量原理为：解调器先在第二光纤32内打出一束光，光经过第二光纤32传输，直到第二光纤32在玻璃管内的端面，由于端面的存在，光穿越端面的时候发生反射和折射，折射光在玻璃管内继续传播，经过第一光纤31的端面，再次发生反射和折射，此时的反射光反向传输，再次穿越第二光纤32的端面，进入第二光纤32内部，与第一次的反射光发生干涉效应，干涉光在第二光纤32内作为反馈信号传输，直达信号解调器，信号解调器根据干涉光的具体信息即可得到第一光纤31和第二光纤32之间的距离。试验开始后加载机构1引起的试验件200变形会导致第一光纤31和第二光纤32之间的距离变长或变短，距离的改变可导致两束反射光距离的变化，也就导致了干涉光的变化，信号解调器对实时的干涉光信号进行解调并传输到计算机，计算机软件可以将信号解调器的解调信号直接绘制成相应的波形，并且显示实时的变形信息。光纤Fabry-Perot测量技术从精度和信号获取速度上要比一般变形测量技术表现出更大的优势。

进一步地，该疲劳试验装置还可以包括第一支架34和第二支架35。第一支架34可粘至试验件200，第一光纤31可粘至第一支架34。第二支架35可粘至试验件200，第二光纤32可粘至第二支架35。第一支架34和第二支架35可为陶瓷材料，通过耐高温胶粘至试验件200上。在其他实施方式中，第一光纤31和第二光纤32可拆卸地设于试验件上，如通过套环的方式设于试验件200上，不以此为限。

如图9所示，在本实施方式中，疲劳试验装置还可包括加热炉4，加热炉4位于第一连杆23和第二连杆24之间，为疲劳试验提供高温环境。包括加热炉4的疲劳试验装置可做高温疲劳试验，从而测得试验件200的高温疲劳寿命。具体而言，可在加热炉4的上部和下部设置伸入孔，第一连杆23和第二连杆24可通过伸入孔置于加热炉4内。加热炉4可为两个半圆柱体，两个半圆柱体可开合。试验时将试验件200通过固定机构2固定，然后将第一连杆23和第二连杆24与固定机构2螺纹连接，合上加热炉4以进行高温疲劳试验。进行高温疲劳试验时由于第一连杆23、第二连杆24和固定机构2都需进入高温环境，则第一连杆23、第二连杆24和固定机构2均可选用耐高温材质。该疲劳试验装置通过采用加热炉4可以将整个试验件200放置在炉腔内，保证高温疲劳试验所需要的均匀、稳定的高温环境。避免试验件200受热不均匀，从而保证高温疲劳试验的精度。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感技术的疲劳试验装置，用于对一棒状试验件进行拉压疲劳试验，其特征在于，所述疲劳试验装置包括：

加载机构，包括两个正对设置且能够沿拉压方向反向运动的第一加载件和第二加载件；

固定机构，设于所述第一加载件和所述第二加载件之间，且包括正对设置的第一固定组件和第二固定组件，所述第一固定组件与所述第一加载件连接，且能与所述试验件的第一端连接，所述第二固定组件与所述第二加载件连接，且能与所述试验件的第二端连接；

光纤传感器，可拆卸地安装于所述试验件，用于检测所述试验件在拉压方向上的形变。

2.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第一固定组件包括：

第一连接件，设有第一连接孔，所述第一连接孔能够与所述试验件的第一端螺纹连接；

第一固定套，套设于所述第一连接件外，且与所述第一连接件可拆卸地固定连接，所述第一加载件与所述第一固定套连接。

3.根据权利要求2所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第一固定套设有贯通的第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔的直径大于所述第二安装孔的直径，所述第一连接件的一端位于所述第一安装孔内，另一端穿出所述第二安装孔，且所述第一连接件位于所述第一安装孔内的表面设有第一凸缘，所述第一凸缘的直径大于所述第二安装孔的直径，所述第一连接件穿出所述第二安装孔的一端与所述试验件的第一端螺纹连接；

所述疲劳试验装置还包括第一连杆，所述第一连杆的一端与所述第一加载件连接，另一端穿入所述第一安装孔并螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第一连接件设有沿所述拉压方向延伸的第一通孔，所述试验件的第一端穿入所述第一通孔靠近所述试验件的一端并螺纹连接；

所述第一固定组件还包括第一限位杆，所述第一限位杆的一端伸入所述第一通孔，另一端抵顶于所述第一连杆。

5.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第二固定组件包括：

第二连接件，设有第二连接孔，所述第二连接孔能够与所述试验件的第二端螺纹连接；

第二固定套，套设于所述第二连接件外，且与所述第二连接件可拆卸地固定连接，所述第二加载件与所述第二固定套连接。

6.根据权利要求5所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第二固定套设有贯通的第三安装孔和第四安装孔，所述第三安装孔的直径大于所述第四安装孔的直径，所述第二连接件的一端位于所述第三安装孔内，另一端穿出所述第四安装孔，且所述第二连接件位于所述第三安装孔内的表面设有第二凸缘，所述第二凸缘的直径大于所述第四安装孔的直径，所述第二连接件穿出所述第四安装孔的一端与所述试验件的第二端螺纹连接；

所述疲劳试验装置还包括第二连杆，所述第二连杆的一端与所述第二加载件连接，另一端穿入所述第三安装孔并螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述第二连接件设有沿所述拉压方向延伸的第二通孔，所述试验件的第二端穿入所述第二通孔靠近所述试验件的一端并螺纹连接；

所述第二固定组件还包括第二限位杆，所述第二限位杆的一端伸入所述第二通孔，另一端抵顶于所述第二连杆。

8.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述光纤传感器包括：

第一光纤，设于所述试验件；

第二光纤，设于所述试验件，且所述第二光纤和所述第一光纤沿拉压方向排布，所述第二光纤的端部与所述第一光纤的端部正对设置。

9.根据权利要求8所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述疲劳试验装置还包括：

第一支架，粘至所述试验件，所述第一光纤粘至所述第一支架；

第二支架，粘至所述试验件，所述第二光纤粘至所述第二支架。

10.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述疲劳试验装置还包括：

加热炉，所述固定机构设于所述加热炉内，所述加热炉用于对试验件加热。