CN109459471A - 复合材料杆件湿膨胀系数测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置，所述测量装置包括：恒温恒湿箱、长度测量系统及重量测量装置；所述长度测量系统和所述重量测量装置放置在所述恒温恒湿箱的平台上；所述长度测量系统采用电容式位移传感器对所述复合材料杆件进行长度测量。本发明还提供了一种复合材料杆件湿膨胀系数的测量方法。本发明的测量装置，测量精度高，温度和湿度可调，根据需求进行不同湿度环境下的湿膨胀性能测试。

Description

复合材料杆件湿膨胀系数测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于材料性能测量技术领域，具体涉及一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置。

本发明还涉及一种复合材料杆件湿膨胀系数的测量方法。

背景技术

湿线膨胀系数定义：β＝△L/(L*△M)，其中△M为材料湿度变化量，△L为材料长度变化量，材料湿度M为材料的含水量集度(moisture concentration)，用百分数表示。一般材料的湿度特性为吸水膨胀，失水收缩。β的物理意义是每百分之一湿度变化引起的材料体的线应变。在自由膨胀的情况下，假如在某时刻有湿度增量△M，则线应变增量为β△M。若材料的变形受到约束，不能实现自由的膨胀收缩，就会出现相应的湿应力。

高分子材料的吸湿过程一般遵循Fick定律，即在吸湿的初始阶段，材料吸收的水的质量随着时间的平方根呈线性增加，然后增加逐渐变缓，直到达到饱和状。低湿胀系数碳纤维复合材料在某一湿度环境下达到平衡，质量不再发生变化时，由湿度原因引起的质量变化与初始质量的比值，即平衡吸湿率。材料湿度变化量△M通过公式推导又可以转化成材料质量的变化量，因此，只要知道试件质量的变化量就知道了材料湿度变化量△M。

以航天复合材料产品为例，在制造和装配过程中洁净间控制空气湿度一般为50％RH左右，碳纤维环氧树脂复合材料吸收水分并达到平衡，在吸水过程中发生膨胀引起产品尺寸和性能的变化。但目前国内尚无测定复合材料湿膨胀系数的标准试验方法

现有技术中提出使用三坐标测量仪和电子微量天平进行复合材料杆件湿膨胀系数测试工作，通过三坐标测量仪接触式打点来测量试验杆件长度变形量，通过电子微量天平测量试验杆件质量变化。而长度测量所采用三坐标测量仪的精度为0.9um，精度有限，接触式测量方式在长度测量过程中会受到人为操作的影响；而质量测试时所处的实验环境也没有进行严格的湿度控制，也不能测量不同湿度环境下的数据。

因此，急需一种能够进行不同湿度环境下复合材料杆件湿膨胀系数测量的高精度测量装置。

发明内容

为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置。能够进行大尺寸复合材料杆件湿膨胀系数的精密测量并且测量精度高，同时本发明中恒温恒湿箱的温度和湿度可调，根据需求进行不同湿度环境下的湿膨胀性能测试。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置，所述测量装置包括：恒温恒湿箱、长度测量系统及重量测量装置；所述长度测量系统和所述重量测量装置放置在所述恒温恒湿箱的平台上；所述长度测量系统采用电容式位移传感器对所述复合材料杆件进行长度测量。

优选的，所述长度测量系统包括电容式位移传感器，位移测量套筒、试件安装套筒和支撑架，所述位移测量套筒的内孔端面和所述复合材料杆件的一端的端面接触，所述试件安装套筒的内孔端面和所述复合材料杆件的另一端的端面接触，所述电容式位移传感器间隔预设距离正对所述位移测量套筒，所述支撑架用于支撑所述复合材料杆件。

优选的，所述长度测量系统还包括：基板、试件安装套筒底座、升降台、传感器安装架及传感器安装架底座；所述试件安装套筒底座、升降台及传感器安装架底座固定设置在所述基板上；所述传感器安装架固定设置在所述传感器安装架底座上；所述电容式位移传感器固定设置在所述传感器安装架上，所述试件安装套筒与所述试件安装套筒底座固定连接，所述支撑架设置在所述升降台上。

优选的，所述试件安装套筒具有圆筒端以及和所述圆筒端固定连接的方板端，所述试件安装套筒的圆筒端与复合材料杆的另一端配合，所述试件安装套筒的方板端固定安装到所述试件安装套筒底座上。

优选的，所述基板、所述位移测量套筒、所述试件安装套筒、所述试件安装套筒底座、所述传感器安装架及所述传感器安装架底座中的至少一个采用低膨胀殷钢材料。

优选的，所述位移测量套筒的内孔尺寸和所述试件安装套筒的内孔尺寸略大于复合材料杆的外径尺寸。

优选的，所述位移测量套筒的、与所述电容式位移传感器对应的端面的平面度优于5um。

优选的，所述传感器安装架用于安装所述电容式位移传感器5的端面的平面度优于5um。

优选的，所述重量测量装置为高精度电子天平，分辨率为0.01mg，精度为0.1mg。

本发明还提供了一种测量复合材料杆件湿膨胀系数的测量装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

将待测复合材料杆件的端部切下来一小块，然后将复合材料杆件和端部切下来的小块进行干燥，直至质量稳定，测量杆件原始长度L；

打开恒温恒湿箱，将复合材料杆件安装到长度测量系统上，控制电容式位移传感器与复合材料杆件端部之间距离，将切下来的小块放到重量测量装置上；

关闭恒温恒湿箱，设定恒温恒湿箱的温度和湿度值，接通位移传感器控制器和重量测量装置的电源。

间隔预设时间记录一次电容式位移传感器上的长度变化数据和重量测量装置质量数据，直至质量稳定在±0.1mg，得到长度变化量△L和质量变化量△M，依据公式β＝△L/(L*△M)计算复合材料杆件的湿膨胀系数β。

本发明提供的复合材料杆件湿膨胀系数测量装置具有以下有益效果：

复合材料杆件湿膨胀系数测量装置是电容式位移传感器进行非接触式长度测量，给电容式位移传感器一个持续稳定的交流电，交流电压的振幅变化与电容到被测物体(复合材料杆件)之间距离成正比。这种非接触式测量，无磨损，电容式位移传感器探头对被测物体不施加机械外力，可以避免接触式长度测量过程中人为操作的影响，这种方法的长度测量精度优于0.1um，达到几十纳米量级，测量精度高。

复合材料杆件湿膨胀系数测量装置采用恒温恒湿箱为测试提供所需要的恒温恒湿试验环境，恒温恒湿箱的温度和湿度可调，根据需求进行不同湿度环境下的湿膨胀性能测试。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中复合材料杆件湿膨胀系数测量装置的三维立体视图；

图2是图1中长度测量系统的三维立体视图；

图3是图1中长度测量系统的主视图；

图4是图1中长度测量系统的俯视图。

其中：

1、恒温恒湿箱；

2、长度测量系统；

3、高精度电子天平；

4、基板；

5、电容式位移传感器；

6、位移测量套筒；

7、复合材料杆；

8、试件安装套筒；

9、试件安装套筒底座；

10、升降台；

11、支撑架；

12、传感器安装架；

13、传感器安装架底座

20、测量装置

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

具体请参阅图1至图4示，图1是本发明具体实施方式中复合材料杆件湿膨胀系数测量装置的三维立体视图；图2是图1中长度测量系统的三维立体视图；图3是图1中长度测量系统的主视图；图4是图1中长度测量系统的俯视图。

一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置20包括恒温恒湿箱1、长度测量系统2及高精度电子天平3(重量测量装置)。

长度测量系统2及高精度电子天平3并排放置在恒温恒湿箱1中的平台上，恒温恒湿箱1为测试提供所需要的恒温恒湿试验环境。

在一个具体的实施方式中，恒温恒湿箱1的工作室尺寸1100mm×1000mm×1400mm，材质为304不锈钢，恒温恒湿箱1的温度波动±0.2℃，温度范围0℃～100℃，恒温恒湿箱1的湿度波动±2％RH，湿度范围20％RH～90％RH。

长度测量系统2包括电容式位移传感器5，位移测量套筒6、试件安装套筒8和支撑架11，位移测量套筒6的内孔端面和复合材料杆件7的一端的端面接触，试件安装套筒8的内孔端面和复合材料杆件7的另一端的端面接触，电容式位移传感器5间隔预设距离正对位移测量套筒8设置，支撑架11用于支撑复合材料杆件7。

具体的，长度测量系统2还包括：基板4、试件安装套筒底座9、升降台10、传感器安装架12及传感器安装架底座13；试件安装套筒底座9、升降台10及传感器安装架底座13固定设置在基板4上；传感器安装架12固定设置在传感器安装架底座13上；电容式位移传感器5固定设置在传感器安装架12上，试件安装套筒8与试件安装套筒底座9固定连接，支撑架11设置在升降台10上。

在一个具体的实施方式中，试件安装套筒底座9、升降台10及传感器安装架底座13通过螺钉安装在基板4上；传感器安装架12的底部通过螺钉安装到传感器安装架底座13上，传感器安装架12的上部通过8个M2的螺钉紧固4个电容式位移传感器5，也就是说每个电容式位移传感器5通过2个M2螺钉安装到传感器安装架12上部；支撑架11的底部通过螺钉安装到升降台10上，支撑架11的V型口处用于支撑复合材料杆7；位移测量套筒6安装到复合材料杆7的一端，位移测量套筒6的内孔端面与复合材料杆7的端面接触，然后通过3个螺钉夹紧；试件安装套筒8的圆筒端与复合材料杆7的另一端配合，试件安装套筒8的方板端通过4个螺钉安装到试件安装套筒底座9上，试件安装套筒8的圆筒端的内孔端面与复合材料杆7的端面接触，然后通过3个螺钉夹紧。

优选的，基板4、位移测量套筒6、试件安装套筒8、试件安装套筒底座9、传感器安装架12及传感器安装架底座13中的至少一个采用低膨胀殷钢材料；更加优选的，基板4、位移测量套筒6、试件安装套筒8、试件安装套筒底座9、传感器安装架12及传感器安装架底座13均采用低膨胀殷钢材料。

优选的，位移测量套筒6和试件安装套筒8的内孔尺寸略大于复合材料杆7的外径尺寸，位移测量套筒6与电容式位移传感器5对应的端面的平面度优于5um，传感器安装架12用于安装电容式位移传感器5的端面的平面度优于5um。

示例但不限定的，电容式位移传感器5选用德国MICRO-EPSILON(米铱公司)产品，探头类型为CSH02FL-CRm1.4，产品编号为6610075，与探头相对应的控制器型号选用DL6530，分辨率为4nm，绝对误差优于0.1um，达到几十纳米量级。探头尺寸10.5mm×8mm×4mm，被测物体最小直径Φ7mm，重量28g。

示例但不限定的，高精度电子天平3为OHAUS产品，型号为EX225/AD，量程为220g，分辨率为0.01mg，精度为0.1mg，每隔3小时天平自动启动校准，避免了未进行定时校准或手动校准砝码不准确等造成天平称量不准确的潜在因素，称重稳定时间优于8秒，整体尺寸230mm×393mm×350mm，质量7.5kg，秤盘尺寸Φ80mm，数据可自动保存至U盘。

本发明还提供了一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：

将待测复合材料杆件的端部切下来一小块，然后将复合材料杆件和端部切下来的小块进行干燥，直至质量稳定，测量杆件原始长度L；

打开恒温恒湿箱，将复合材料杆件安装到长度测量系统上，控制电容式位移传感器与复合材料杆件端部之间距离，将切下来的小块放到重量测量装置上；

关闭恒温恒湿箱，设定恒温恒湿箱的温度和湿度值，接通位移传感器控制器和重量测量装置的电源。

间隔预设时间记录一次电容式位移传感器上的长度变化数据和重量测量装置质量数据，直至质量稳定在±0.1mg，得到长度变化量△L和质量变化量△M，依据公式β＝△L/(L*△M)计算复合材料杆件的湿膨胀系数β。

在一个具体的实施方式中，复合材料杆件湿膨胀系数测量装置的测量方法包括：

1)将待测杆件端部切下来一小块，然后将杆件和端部切下来的小块放到干燥箱中充分干燥，直至12小时质量稳定在±0.1mg，测量杆件原始长度L。

2)打开恒温恒湿箱，将杆件安装到长度测量系统上，调整位置合适，使用米斯米垫片(0.01±0.003mm)严格控制电容式位移传感器与位移测量套筒端面之间距离，将切下来的小块放到高精度电子天平的秤盘上。

3)关闭恒温恒湿箱，设定恒温恒湿箱的温度和湿度值，本实施例中设定温度为25℃，湿度50％RH，接通位移传感器控制器和高精度电子天平的电源。

4)每隔3小时记录一次位移传感器上的长度变化数据和高精度电子天平质量数据，直至12小时质量稳定在±0.1mg。整理试验数据，得到长度变化量△L和质量变化量△M，依据公式β＝△L/(L*△M)计算复合材料杆件的湿膨胀系数。

5)关闭位移传感器控制器和高精度电子天平的电源，打开恒温恒湿箱，取出杆件，粘贴标签留存。

本发明提供的复合材料杆件湿膨胀系数测量装置是电容式位移传感器进行非接触式长度测量，给电容式位移传感器一个持续稳定的交流电，交流电压的振幅变化与电容到被测物体(复合材料杆件)之间距离成正比。这种非接触式测量，无磨损，电容式位移传感器探头对被测物体不施加机械外力，可以避免接触式长度测量过程中人为操作的影响，长度测量精度优于0.1um，达到几十纳米量级，测量精度高。

复合材料杆件湿膨胀系数测量装置采用恒温恒湿箱为测试提供所需要的恒温恒湿试验环境，恒温恒湿箱的温度和湿度可调，根据需求进行不同湿度环境下的湿膨胀性能测试。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料杆件湿膨胀系数测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：恒温恒湿箱、长度测量系统及重量测量装置；

所述长度测量系统和所述重量测量装置放置在所述恒温恒湿箱的平台上；

所述长度测量系统采用电容式位移传感器对所述复合材料杆件进行长度测量。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述长度测量系统包括电容式位移传感器，位移测量套筒、试件安装套筒和支撑架，所述位移测量套筒的内孔端面和所述复合材料杆件的一端的端面接触，所述试件安装套筒的内孔端面和所述复合材料杆件的另一端的端面接触，所述电容式位移传感器间隔预设距离正对所述位移测量套筒，所述支撑架用于支撑所述复合材料杆件。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述长度测量系统还包括：基板、试件安装套筒底座、升降台、传感器安装架及传感器安装架底座；

所述试件安装套筒底座、升降台及传感器安装架底座固定设置在所述基板上；所述传感器安装架固定设置在所述传感器安装架底座上；

所述电容式位移传感器固定设置在所述传感器安装架上，所述试件安装套筒与所述试件安装套筒底座固定连接，所述支撑架设置在所述升降台上。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述试件安装套筒具有圆筒端以及和所述圆筒端固定连接的方板端，所述试件安装套筒的圆筒端与复合材料杆的另一端配合，所述试件安装套筒的方板端固定安装到所述试件安装套筒底座上。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述基板、所述位移测量套筒、所述试件安装套筒、所述试件安装套筒底座、所述传感器安装架及所述传感器安装架底座中的至少一个采用低膨胀殷钢材料。

6.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述位移测量套筒的内孔尺寸和所述试件安装套筒的内孔尺寸略大于复合材料杆的外径尺寸。

7.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述位移测量套筒的、与所述电容式位移传感器对应的端面的平面度优于5um。

8.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述传感器安装架用于安装所述电容式位移传感器5的端面的平面度优于5um。

9.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述重量测量装置为高精度电子天平，分辨率为0.01mg，精度为0.1mg。

10.一种如权利要求1所述的测量装置测量复合材料杆件湿膨胀系数的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

将待测复合材料杆件的端部切下来一小块，然后将复合材料杆件和端部切下来的小块进行干燥，直至质量稳定，测量杆件原始长度L；

打开恒温恒湿箱，将复合材料杆件安装到长度测量系统上，控制电容式位移传感器与复合材料杆件端部之间距离，将切下来的小块放到重量测量装置上；

关闭恒温恒湿箱，设定恒温恒湿箱的温度和湿度值，接通位移传感器控制器和重量测量装置的电源；

间隔预设时间记录一次电容式位移传感器上的长度变化数据和重量测量装置质量数据，直至质量稳定在±0.1mg，得到长度变化量△L和质量变化量△M，依据公式β＝△L/(L*△M)计算复合材料杆件的湿膨胀系数β。