CN110044744B - 一种测试新型卷烟发热片疲劳性能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试新型卷烟发热片疲劳性能的装置及方法，属于测试领域。本发明主要由运动组件、测试组件、控制组件组成。基于电磁力原理实现发热片的运动及光电检测相结合的方法，根据毕奥——萨伐尔定律和洛伦兹定律，通过带电导体在磁场中的运动原理来使发热片不断地接触测试装置，通过光敏二极管的光照效应实现对发热片断裂的测量。本发明填补了发热片疲劳性能测试领域的空白，为发热片目前面临的易断裂、抗疲劳性能低等问题提供了有效的分析解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型卷烟发热片疲劳性能测试装置及方法，属于测试领域。
背景技术
当下，随着人们生活水平的提高，以及对健康生活的追求。传统卷烟由于在使用过程中会产生大量有害气体，其市场占有率逐年下降。据中国产业信息网2017年的数据显示，2015-2017年传统卷烟的销量每年下降约4%，与此同时一种新型卷烟的市场占有率在逐年提升。新型卷烟通过电池给发热片通电烘烤与之接触的烟管里的烟草产生烟雾供人们抽吸，由于烘烤过程只加热不燃烧，所以产生的有害物质与传统卷烟相比降低近90%。
然而在实际使用中，新型卷烟存在以下问题。一是新型卷烟在使用过程中，发热片会出现断裂现象。二是经过一段时间的使用后，新型卷烟产生的烟雾质量明显下降。经过查阅相关资料，发现主要问题与发热片材料的疲劳性能有关。已知零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力一寿命曲线（σ-N曲线）和应变一寿命曲线（δ－Ν曲线）表示。应力一寿命曲线和应变一寿命曲线，统称为S-N曲线。根据试验可得其数学表达式：σ*m*N=C， N应力循环数；m、C为材料常数。
在疲劳试验中，实际零件尺寸和表面状态与试样有差异，常存在由圆角、键槽等引起的应力集中，所以，在使用时必须引入应力集中系数K、尺寸系数ε和表面系数β。在航空发动机、工业轴承等领域有大量关于材料疲劳性能的研究，但少有对新型卷烟发热片材料的疲劳性能的研究。发热片疲劳性能可被视为发热片在有限次抽插中而不会断裂的最大应力，也可称为发热片疲劳极限。目前发热片受生产批次、材料、形状、制作工艺等影响，没有一种统一的测试疲劳性能的方法及疲劳性能标准。
于是设计一种测试新型卷烟发热片疲劳性能测试装置及方法，对不同材料、不同制作工艺的发热片进行疲劳性能测试，绘制发热片的S-N曲线，得出其疲劳性能，并对不同批次发热片进行对比，可为发热片零件寿命研究提供数据。并且所得测试数据可以经过分析统计，进而有利于统一发热片疲劳性能标准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简便、能较准确测试新型卷烟发热片疲劳度的装置及方法。
本发明通过以下技术措施实现，一种测试新型卷烟发热片疲劳度的装置，包括控制组件、运动组件和测试组件；
所述控制组件为单片机2，单片机2上安装有检测LED8；
所述运动组件包括底座3、开关二极管13、导轨4、直导体5、直流电源1和绝缘滑块7，两根导轨4平行固定在底座3上，直导体5固定在两根导轨4之间且可沿导轨4前后滑动，直导体5上固定有绝缘滑块7，发热片6固定在绝缘滑块7上，直流电源1的正负极分别通过导线与两根导轨4的一端相连，一侧导线上连有开关二极管13，另一侧导线上连有电流表12，开关二极管13与单片机2相连；
所述测试组件包括测试盒9、光敏二极管15、发光LED14、检测LED8、弹簧17、压变电阻18、电流表12、空心圆柱体11和烟管16，所述测试盒9固定在底座3上且位于两根导轨4之间，测试盒9与发热片6正对位置上开设有小孔10，发热片6可通过小孔10，测试盒9与小孔10相对的侧面内壁上固定有压变电阻18，压变电阻18通过弹簧17与烟管16一端相连，烟管16另一端面开设有与发热片6尺寸相配合的插孔，且插孔正对小孔10，烟管16内部放置烟草，压变电阻18的两端分别与两根导轨4的另一端相连，压变电阻18还和单片机2相连；
其中空心圆柱体11位于测试盒9正上方并且与其连通，空心圆柱体11内部固定有光敏二极管15，其受光部件方向朝下，光敏二极管15正对测试盒9底部的发光LED14，光敏二极管15和发光LED18分别与单片机2相连。
优选的，所述空心圆柱体11的底面积不大于发热片6的上表面积。
利用上述装置对发热片的疲劳性能进行测试是通过测试压变电阻18受力时阻值变化计算得出发热片6与烟管16之间的接触力，通过光敏二极管15、发光LED14、检测LED8和单片机2所组成的测量回路来测量发热片6的断裂次数，统计发热片6在已知接触力下的断裂次数，绘制发热片6的S-N曲线，进而得出其疲劳性能；
具体过程为：当发热片6未进入测试盒9时，光敏二极管15受到底部发光LED14发出的光而产生反向电流从而导通测量回路，使检测LED8发亮，此时压变电阻18未受压力其阻值不变，单片机2控制开关二极管13打开，直导体5受电磁力向测试盒9的方向做加速运动，带动绝缘滑块7上的发热片6通过小孔10插入烟管16，发热片6压迫与烟管16背部连接的弹簧20收缩，将压力传递至压变电阻18，压变电阻18阻值变化，电流表12显示值变化，单片机2控制开关二极管13断开，同时发热片6进入测试盒9时，阻挡发光LED14发出的光，光敏二极管15无法接收光而断开测量回路，检测LED8熄灭，此时由单片机2记录电流表12的变化值和检测LED8的亮灭状态，即第一次测试完成；
当完成一次测试时，弹簧20将发热片6弹出测试盒（9），此时压变电阻阻值开始复原，当压变电阻18所受压力消失（也即压变电阻（18）阻值完全复原时），通过单片机2控制开关二极管13重新接通，来实现往返运动，当检测LED8在某次测试中不出现熄灭现象时，由单片机2控制开关二极管13断开，完成测试。
本发明的有益效果：
本发明填补了新型卷烟发热片疲劳性能测试领域的空白，对发热片的疲劳性能进行了直观准确的测试，为发热片疲劳性能建立统一标准提供参考。
附图说明
图1为本发明装置整体结构图；
图2为测试盒的结构示意图；
图中各标号：1-直流电流源，2-单片机，3-底座，4-导轨，5-直导体，6-发热片，7-绝缘滑块，8-检测LED，9-测试盒，10-小孔，11-空心圆柱体，12-电流表，13-开关二极管，14-发光LED，15-光敏二极管，16-烟管，17-弹簧，18-压变电阻。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释和说明本发明，并不限制本发明。
实施例1：如图1-2所示，一种测试新型卷烟发热片疲劳度的装置，包括控制组件、运动组件和测试组件；
所述控制组件为单片机2，单片机2上安装有检测LED8；
所述运动组件包括底座3、开关二极管13、导轨4、直导体5、直流电源1和绝缘滑块7，两根导轨4平行固定在底座3上，直导体5固定在两根导轨4之间且可沿导轨4前后滑动，直导体5上固定有绝缘滑块7，发热片6固定在绝缘滑块7上，直流电源1的正负极分别通过导线与两根导轨4的一端相连，一侧导线上连有开关二极管13，另一侧导线上连有电流表12，开关二极管13与单片机2相连；
所述测试组件包括测试盒9、光敏二极管15、发光LED14、检测LED8、弹簧17、压变电阻18、电流表12、空心圆柱体11和烟管16，所述测试盒9固定在底座3上且位于两根导轨4之间，测试盒9与发热片6正对位置上开设有小孔10，发热片6可通过小孔10，测试盒9与小孔10相对的侧面内壁上固定有压变电阻18，压变电阻18通过弹簧17与烟管16一端相连，烟管16另一端面开设有与发热片6尺寸相配合的插孔，且插孔正对小孔10，烟管16内部放置烟草，压变电阻18的两端分别与两根导轨4的另一端相连，压变电阻18还和单片机2相连；
其中空心圆柱体11位于测试盒9正上方并且与其连通，空心圆柱体11内部固定有光敏二极管15，其受光部件方向朝下，光敏二极管15正对测试盒9底部的发光LED14，光敏二极管15和发光LED18分别与单片机2相连。且空心圆柱体11的底面积不大于发热片6的上表面积，烟管16参照新型卷烟中烟管形式设置，以更好的模拟实际使用过程中发热片6在烟管中的抽插运动。
所述单片机2用于控制整个装置运作，通过程序设定，当压变电阻18阻值不变的时候，也即弹簧17未受压力时，由单片机2控制开关二极管13打开，此时主回路接通，滑动直导体5受电磁力而向测试盒9的方向做加速运动。运动原理：通电直导体5会在其周围产生磁场，而磁场又会对运动的电荷产生洛伦兹力从而带动通电直导线运动。洛伦兹力的大小为F=
，方向可用左手定则来判断。其中B=
，其中u为常数，r为与导线的垂直距离，I为电流大小。Q为单位时间内通过的电荷量，由物理知识可知Q=I。V为电荷的运动速度，其大小根据公式
计算可得，其中n为单位体积内电子数量，q为单位电子所带电荷量，s为截面积，
。由此可以计算出V的大小。
测量原理：测量分为两部分，分别为接触力的测量和断裂次数的测量。
其中发热片6材料为陶瓷，且可见光不能穿透陶瓷，光敏二极管15受光时会导通。因此利用光的穿透性和光敏二极管的光照效应来测试发热片是否断裂。通过压变电阻18受力阻值会发生变化的原理，将发热片6与烟管16的接触力转换为压迫弹簧17的压力，通过弹簧17将接触力传递给压变电阻18，进而引起压变电阻18阻值变化，同时电流表12的显示值发生变化。由于发热片6进入测试盒9时存在初速，故而发热片6与烟管16接触的同时会给其弹簧17施加压力，进而引起弹簧17背部的压变电阻18阻值发生变化。此时通过单片机2程序控制开关二极管13断开，发热片6所受加速度消失。此时的发热片压迫弹簧17的压力力也即接触力。由于主回路电压恒定，忽略导线存在的电阻，则回路电流应恒定，当压变电阻18阻值发生变化的时候，与直流电源1串联的电流表12的数值发生变化。通过记录电流的变化值，以及之前所述的计算公式，可以计算出接触力的大小。因此只需记录电流表12的显示值，再通过相应公式计算，即可得出接触力的大小。
接触力计算方法：在电工学中，压变电阻18的阻值R的计算公式为R=
，p为电阻丝电阻系数，L为电阻丝长度，A为电阻丝横截面积。当电阻丝受外力作用产生弹性形变时，由公式可得
，其中T代表电阻丝的灵敏系数，主要由电阻丝的几何尺寸决定，通过回路电流
的变化可以得出
，从而得出
，又由弹簧弹力的计算公式F=
，其中K为弹簧的弹性系数，得出F，也即接触力大小。
断裂次数测量方法：用光敏二极管15、发光LED14、检测LED8、单片机2组成一个测量回路，当发热片6未进入测试盒9时，光敏二极管15受到底部发光LED14发出的光而产生反向电流从而导通测量回路，使检测LED8发亮。当发热片6通过测试盒9正面的小10进入测试盒9时，因发热片为陶瓷，且可见光无法穿透陶瓷，从而底部发光LED14发出的光被发热片6阻挡，此时光敏二极管15无法接收到从底部发光LED14发出的光，从而断开测量回路，检测LED8熄灭。当发热片6的疲劳度达到极限时，会产生裂纹，甚至断裂。此时发热片6便无法完全阻挡测试盒底部发光LED14发出的光，于是测量回路将一直导通，同时单片机内部的检测LED8也会一直发亮。此时通过统计检测LED8的闪烁次数，可以绘制发热片6的S-N曲线，得出其疲劳性能数据。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种测试新型卷烟发热片疲劳性能的装置，其特征在于：包括控制组件、运动组件和测试组件；
所述控制组件为单片机(2)，单片机(2)上安装有检测LED(8)；
所述运动组件包括底座(3)、开关二极管(13)、导轨(4)、直导体(5)、直流电源(1)和绝缘滑块(7)，两根导轨(4)平行固定在底座(3)上，直导体(5)固定在两根导轨(4)之间且可沿导轨(4)前后滑动，直导体(5)上固定有绝缘滑块(7)，发热片(6)固定在绝缘滑块(7)上，直流电源(1)的正负极分别通过导线与两根导轨(4)的一端相连，一侧导线上连有开关二极管(13)，另一侧导线上连有电流表(12)，开关二极管(13)与单片机(2)相连；
所述测试组件包括测试盒(9)、光敏二极管(15)、发光LED(14)、检测LED(8)、弹簧(17)、压变电阻(18)、电流表(12)、空心圆柱体(11)和烟管(16)，所述测试盒(9)固定在底座(3)上且位于两根导轨(4)之间，测试盒(9)与发热片(6)正对位置上开设有小孔(10)，发热片(6)可通过小孔(10)，测试盒(9)与小孔(10)相对的侧面内壁上固定有压变电阻(18)，压变电阻(18)通过弹簧(17)与烟管(16)一端相连，烟管(16)另一端面开设有与发热片(6)尺寸相配合的插孔，且插孔正对小孔(10)，烟管(16)内部放置烟草，压变电阻(18)的两端分别与两根导轨(4)的另一端相连，压变电阻(18)还和单片机(2)相连；
其中空心圆柱体(11)位于测试盒(9)正上方并且与其连通，空心圆柱体(11)内部固定有光敏二极管(15)，其受光部件方向朝下，光敏二极管(15)正对测试盒(9)底部的发光LED(14)，光敏二极管(15)和发光LED(14)分别与单片机(2)相连。
2.根据权利要求1所述的测试新型卷烟发热片疲劳性能的装置，其特征在于：所述空心圆柱体(11)的底面积不大于发热片(6)的上表面积。
3.利用如权利要求1所述 的装置测试新型卷烟发热片疲劳性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
通过测试压变电阻(18)受力时阻值变化计算得出发热片(6)与烟管(16)之间的接触力，通过光敏二极管(15)、发光LED(14)、检测LED(8)和单片机(2)所组成的测量回路来测量发热片(6)的断裂次数，统计发热片(6)在已知接触力下的断裂次数，绘制发热片(6)的S-N曲线，进而得出其疲劳性能；
具体过程为：当发热片(6)未进入测试盒(9)时，光敏二极管(15)受到底部发光LED(14)发出的光而产生反向电流从而导通测量回路，使检测LED(8)发亮，此时压变电阻(18)未受压力其阻值不变，单片机(2)控制开关二极管(13)打开，直导体(5)受电磁力向测试盒(9)的方向做加速运动，带动绝缘滑块(7)上的发热片(6)通过小孔(10)插入烟管(16)，发热片(6)压迫与烟管(16)背部连接的弹簧(17)收缩，将压力传递至压变电阻(18)，压变电阻(18)阻值变化，电流表(12)显示值变化，单片机(2)控制开关二极管(13)断开，同时发热片(6)进入测试盒(9)时，阻挡发光LED(14)发出的光，光敏二极管(15)无法接收光而断开测量回路，检测LED(8)熄灭，此时由单片机(2)记录电流表(12)的变化值和检测LED(8)的亮灭状态，即第一次测试完成；
当完成一次测试时，弹簧(20)将发热片(6)弹出测试盒(9)，同时压变电阻(18)阻值开始复原，当压变电阻(18)所受压力消失时，也即阻值完全复原时，通过单片机(2)控制开关二极管(13)重新接通，来实现往返运动，当检测LED(8)在某次测试中不出现熄灭现象时，由单片机(2)控制开关二极管(13)断开，完成测试。
4.根据权利要求3所述的测试新型卷烟发热片疲劳性能的方法，其特征在于，所述发热片(6)与烟管(16)之间的接触力为F，F＝-KΔL，其中K为弹簧的弹性系数，ΔL由公式
计算得出，L为压变电阻(18)的电阻丝长度，T代表电阻丝的灵敏系数，ΔR通过电流表(12)显示值的变化ΔI得出，R为压片电阻(18)的原始电阻，
p为电阻丝电阻系数，A为电阻丝横截面积。
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