CN110849564A - 一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，包括机械装置、电器设备、数据采集与控制系统。测试过程完全由计算机自动控制完成。利用陶瓷加热片和半导体制冷片的工作特性以及直线滑台模组的上下移动分别控制形状记忆合金弹簧的温度和变形量。利用温度传感器、激光位移传感器和力传感器分别采集形状记忆合金弹簧的温度、变形量和弹力数据。该装置具有操作灵活简单、温度均匀性好、自动化程度高、测量精度高、效率高、通用扩展性好等诸多优点，是集智能测控、高测量精度、高自动化程度等众多优点于一身的机—电—液一体化产品。此外，本装置还可用于普通弹簧的弹力和变形量高精度测试。

Description

一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置

技术领域

本发明涉及形状记忆合金测试装置领域，尤其涉及一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置。

背景技术

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一种新型智能材料，具有形状记忆效应，即初始形状的SMA在低温下产生塑性变形后，加热至某一临界温度仍可主动恢复到初始形状。此外，SMA还具有超弹性，表现为在外力作用下，其变形恢复能力明显高于一般金属，应变会随外力作用的消失而恢复。SMA拥有如此多优异的性能，因此被广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等众多领域。

SMA根据用途可制作成管状、丝状或弹簧形状，其中SMA弹簧是SMA众多形状中用途最广泛、最直接的一种。SMA弹簧根据其记忆效应可分为单程记忆效应SMA弹簧和双程记忆效应SMA弹簧两种。单程记忆效应SMA弹簧在常温状态下组织结构为马氏体，当通过热源加热至某一临界温度后，发生相变，组织结构变为奥氏体。该过程宏观表现为SMA弹簧的长度变化。若上述变化为可逆过程则称这种SMA弹簧为双程记忆效应SMA弹簧。利用SMA弹簧的这种感温和驱动特性，可用于制作新型温控阀、消防报警装置和温度触发器等。

SMA弹簧的感温和驱动特性得到了广泛而深入地应用，因此对于其温度—变形量—弹力三者之间特性关系研究也就显得尤为重要。但是目前并没有成熟的温控驱动特性测试装置能够测试SMA弹簧温度—变形量—弹力三者之间的复杂关系。目前的测试方法是先进行上述变量中两两变量的测量，即温度—变形量或温度—弹力或弹力—变形量，然后再综合分析三者之间的特性关系。现有的SMA弹簧特性测试局限性在于无法同时测得温度—变形量—弹力三者之间连续关系，无法准确直观反应SMA弹簧的温控驱动特性。落后的测试装置及繁琐的测试方法，制约了SMA弹簧的发展。

综上所述，急需一种测试过程操作简单灵活、精度高、自动化程度高、效率高、通用扩展性好的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，可方便快捷、高效率、准确测试SMA弹簧在水浴中升降温过程的温度—变形量—弹力之间关系，且整个测试过程由计算机自动控制完成。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，包括机械装置、电器设备、数据采集与控制系统。

机械装置包括底板、水缸、L型支架、内六角螺栓、直线滑台模组、L型连接架、导向柱、空心圆柱垫块、温度传感器U型连接架、位移传感器U型连接架、螺母，底板为装置的基座，上面有四个螺纹孔和若干胶水粘连的螺母，其中螺纹孔用于连接L型支架，螺母用于减少与水缸的接触面积，水缸设置于底板上的若干胶水粘连的螺母的上方，L型支架底部有四个通孔，与底板连接，侧面有六个通孔，通过螺栓和其他零件连接，直线滑台模组底面与L型支架侧面连接，侧面与底板连接，与底面相对的一侧与L型连接架连接，L型连接架侧面有四个通孔用于与直线滑台模组连接，底面外侧有四个通孔，底面内侧有两个通孔，导向柱设置于空心圆柱垫块中间，空心圆柱垫块中部横向打有两个通孔，温度传感器U型连接架设置于L型支架侧面上方，位移传感器U型连接架设置于L型支架侧面下方。

电器设备包括陶瓷加热片、半导体制冷片、力传感器、激光位移传感器、循环泵、温度传感器，陶瓷加热片与半导体制冷片通过导热膏粘连在水缸四个面上，用于对水缸内的水进行加热和降温，力传感器与L型连接架底面外侧连接，激光位移传感器与位移传感器U型连接架连接，循环泵设置于底板侧面，温度传感器通过温度传感器U型连接架侧部导向环设置于水缸中。

数据采集与控制系统包括计算机、采集卡、继电器、直流稳压电源，采集卡一端与力传感器、激光位移传感器和温度传感器电连接，一端与计算机电连接，继电器与直流稳压电源电连接，直流稳压电源与直线滑台模组电连接。

进一步地，导向柱轴线与空心圆柱垫块轴线、力传感器轴线三线共线。

进一步地，导向柱外径小于空心圆柱垫块中心圆孔直径，两者间隙配合。

进一步地，半导体制冷片包括半导体制冷片本体、散热器，散热器通过导热膏粘连在半导体制冷片本体上。

进一步地，循环泵包括循环泵本体、出水管和进水管，出水管和进水管穿过L型连接架底面内侧两个通孔并置于水缸内部。

本发明的优点与效果是：

本发明可实现SMA弹簧的温度、变形量和弹力的全面高精度自动测量与分析。该装置除测试准备和结束阶段需手动安装和拆卸被测弹簧外，测量及分析过程完全实现自动化，是具有智能测控功能的机—电—液一体化产品。该装置具有操作灵活简单、温度均匀性好、自动化程度高、测量精度高、数据覆盖全面、效率高、通用扩展性好等诸多优点。此外，本装置还可用于普通弹簧的弹力和变形量测试。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为底板示意图

图3为导向柱、SMA弹簧、空心圆柱垫块的装配关系示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

下文中的术语“第一”、“第二”等仅作为区分描述。

如图1所示，本发明的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置包括以下零部件：底板(1)、L型支架(2)、内六角螺栓(3)、直线滑台模组(4)、温度传感器U型连接架(5)、位移传感器U型连接架(6)、激光位移传感器(7)、L型连接架(8)、进水管(9)、出水管(10)、循环泵本体(11)、温度传感器(12)、力传感器(13)、导向柱(14)、SMA弹簧(15)、空心圆柱垫块(16)、水缸(17)、陶瓷加热片(18)、半导体制冷片(19)、螺母(20)。L型支架(2)下面有四个通孔，用于通过内六角螺栓(3)固定在底板(1)上，侧部有六个通孔，用于通过螺栓固定直线滑台模组(4)。温度传感器U型连接架(5)通过螺栓与L型支架(2)相连。温度传感器(12)通过温度传感器U型连接架(5)侧部的导向环插入到装满水的水缸(17)中。位移传感器U型连接架(6)通过螺栓与L型支架(2)相连。激光位移传感器(7)通过螺栓螺母固定在位移传感器U型连接架(6)的侧部。L型连接架(8)的侧部有四个通孔用于通过螺栓与直线滑台模组(4)相连，可随直线滑台模组(4)的可移动部分上下移动。力传感器(13)通过螺栓固定在L型连接架(8)下方。力传感器(13)轴线与导向柱(14)轴线共线。水缸(17)四个侧面分别通过导热膏粘贴两片陶瓷加热片(18)和两片半导体制冷片(19)，对缸内水进行加热和制冷，从而使SMA弹簧(15)伸长和缩短。另外，加热或制冷作业时，循环泵本体(11)通过进水管(9)和出水管(10)将水缸(17)内的水进行循环流动，从而可使水缸(17)内各处水温趋于一致，保证测试精度。其他诸如计算机、采集卡、直流稳压电源、继电器、导线等部件并未在图中表示。

如图2所示，底板(1)为装置的底座，用胶水粘有四行四列的螺母(20)，用于放置水缸(17)，减少水缸(17)和底板(1)的接触面积，避免水缸内部热量的大量流失，提高加热效率。底板(1)上还有四个螺纹孔，用于通过内六角螺栓(3)固定L型支架(2)。

如图3所示，导向柱(14)穿过SMA弹簧(15)插入到空心圆柱垫块(16)内，从而使SMA弹簧(15)能竖直上下移动而不偏向。

以下结合图1、图3描述本实施例中装置的具体工作过程：

首先将待测的SMA弹簧(15)与导向柱(14)、空心圆柱垫块(16)按如图3所示的装配关系进行装配，并放入到水缸(17)内，为了消除偏载，应保证导向柱(14)轴线与力传感器(13)轴线共线。然后往水缸内加常温水，水位应足以覆盖长度最长时的SMA弹簧(15)。此时SMA弹簧(15)处于原始长度，直流稳压电源、继电器等电器处于通电状态，试验准备就绪。

首先计算机发出指令，驱动直线滑台模组(4)带动L型连接架(8)上的力传感器(13)向下移动，此时力传感器(13)处于空载状态，当力传感器(13)的压力测头刚刚接触导向柱(14)时，直线滑台模组(4)停止移动，设定力传感器(13)所处位置为初始位置。陶瓷加热片(18)开始进行工作，温度传感器(12)将所测水温变化信号传递给计算机。当水缸(17)内部水温达到第一温度时，直线滑台模组(4)带动力传感器(13)缓慢恒速向上移动，当力传感器(13)到达设定的上限位置时(此上限位置应略高于导向柱(14)能够到达的最高位置)，直线滑台模组(4)带动力传感器(13)开始缓慢恒速向下移动，当到达初始位置时，再次缓慢恒速向上移动，如此上下反复移动可以约束SMA弹簧(15)的变形量，与此同时激光位移传感器(7)一直在测量L型连接架(8)相对位移变化，间接获得力传感器(13)上下反复移动的位置变化。力传感器(13)上下反复移动时，陶瓷加热片(18)一直处于工作状态，水缸(17)内部水温缓慢上升。激光位移传感器(7)、温度传感器(12)和力传感器(13)三者配合工作即可测得SMA弹簧(15)的温度—变形量—弹力之间特性关系。水温达到第二温度时，升温测量过程结束，此时计算机已经得到一系列数据点，以水温为横坐标，SMA弹簧(15)的变形量为纵坐标建立坐标轴，将弹力值数据标在图中，然后将等弹力值的一系列点连成曲线，这样坐标轴内可得到数条等弹力值曲线。在此温度—变形量—弹力关系图中，控制任一变量即可看出另外两变量间的关系。至此升温测量过程结束，降温测量过程以升温测量过程的终点作为起点，陶瓷加热片(18)停止工作，半导体制冷片(19)开始工作，降温测量步骤与升温测量步骤相同，当温度达到第一温度时，可用同样方法得到降温过程温度—变形量—弹力的关系图。

本装置的测量精度是可控的，为了提高测量精度，可降低直线滑台模组(4)的移动速度或减小陶瓷加热片(18)功率和半导体制冷片(19)功率，这样均可增加测量数据点，从而提高测量精度。

本装置还可进行定点温度下变形量—弹力的精确测量：

测试准备工作与上述测试准备工作相同。当水温加热达到设定温度时，停止加热。直线滑台模组(4)开始向上移动，测量过程也和上述测量过程相同。但当温度值超出设定温度误差范围时，直线滑台模组(4)停止移动，陶瓷加热片(18)或半导体制冷片(19)开始工作，当水温再次达到设定温度误差范围时停止工作，直线滑台模组(4)继续移动。重复上述步骤，直到直线滑台模组(4)走完上下一个来回的行程后便结束测量，即可得到该定点温度下SMA弹簧(15)的变形量和弹力一系列精确数据点，进而绘制SMA弹簧(15)在该定点温度下的变形量—弹力关系特性图。

本装置还可进行普通弹簧的变形量—弹力的精确测量：

测量普通弹簧时，只需控制直线滑台模组(4)走完上下一个来回的行程，激光位移传感器(7)和力传感器(13)便可测得普通弹簧的变形量和弹力数据，进而得到该普通弹簧的变形量—弹力关系特性图。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，其特征在于，包括机械装置、电器设备、数据采集与控制系统：

所述机械装置包括底板、水缸、L型支架、内六角螺栓、直线滑台模组、L型连接架、导向柱、空心圆柱垫块、温度传感器U型连接架、位移传感器U型连接架、螺母，所述底板为装置的基座，上面有四个螺纹孔和若干胶水粘连的所述螺母，其中螺纹孔用于连接所述L型支架，所述螺母用于减少与所述水缸的接触面积，所述水缸设置于所述底板上的若干胶水粘连的所述螺母的上方，所述L型支架底部与所述底板连接，侧面有六个通孔，通过螺栓和其他零件连接，所述直线滑台模组底面与所述L型支架侧面连接，侧面与所述底板连接，与底面相对的一侧与所述L型连接架连接，所述L型连接架侧面有四个通孔用于与所述直线滑台模组连接，底面外侧有四个通孔，底面内侧有两个通孔，所述导向柱设置于所述空心圆柱垫块中间，所述空心圆柱垫块中部横向打有两个通孔，所述温度传感器U型连接架设置于L型支架侧面上方，所述位移传感器U型连接架设置于所述L型支架侧面下方；

所述电器设备包括陶瓷加热片、半导体制冷片、力传感器、激光位移传感器、循环泵、温度传感器，所述陶瓷加热片与所述半导体制冷片通过导热膏粘连在所述水缸四个面上，用于对所述水缸内的水进行加热和降温，所述力传感器与所述L型连接架底面外侧连接，所述激光位移传感器与所述位移传感器U型连接架连接，所述循环泵设置于所述底板侧面，所述温度传感器通过所述温度传感器U型连接架侧部导向环设置于所述水缸中；

所述数据采集与控制系统包括计算机、采集卡、继电器、直流稳压电源，所述采集卡一端与所述力传感器、所述激光位移传感器和所述温度传感器电连接，一端与所述计算机电连接，所述继电器与所述直流稳压电源电连接，所述直流稳压电源与所述直线滑台模组电连接。

2.如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，其特征在于，所述导向柱轴线与所述空心圆柱垫块轴线、所述力传感器轴线三线共线。

3.如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，其特征在于，所述导向柱外径小于所述空心圆柱垫块中心圆孔直径，两者间隙配合。

4.如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，其特征在于，所述半导体制冷片包括半导体制冷片本体、散热器，所述散热器通过导热膏粘连在所述半导体制冷片本体上。

5.如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧温控驱动特性测试装置，其特征在于，所述循环泵包括循环泵本体、出水管和进水管，所述出水管和所述进水管穿过所述L型连接架底面内侧两个通孔并置于所述水缸内部。

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