CN110927640A

CN110927640A - 静动态力-磁耦合材料性能测试仪器

Info

Publication number: CN110927640A
Application number: CN201911231443.0A
Authority: CN
Inventors: 刘长宜; 李潼; 仲宏伟; 周立明; 李世超; 赵宏伟
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明涉及一种静动态力‑磁耦合材料性能测试仪器，属于精密科学仪器领域。包括力加载模块、磁场加载模块、霍尔探头、测量线圈、应变片等。力加载模块利用伺服电机和压电叠堆，为试样施加静动态载荷；磁场加载模块利用可变气隙电磁铁和亥姆霍兹线圈，提供平行或垂直于载荷方向的静动态磁场。通过力‑磁耦合测试能够获取材料在不同载荷和偏置磁场下的重要性能参数及曲线，包括弹性系数、压磁系数，磁滞回线、磁致伸缩曲线、应力‑应变曲线等。其优点在于：可以实现力‑磁耦合环境下材料重要物理性能的测试，对磁致伸缩材料的本构关系的研究有重要意义。

Description

静动态力-磁耦合材料性能测试仪器

技术领域

本发明涉及磁致伸缩材料性能测试和精密科学仪器领域，特别涉及一种静动态力-磁耦合材料性能测试仪器。可以施加拉伸、压缩两种静态载荷和动态的高频压缩载荷，并同时提供可调节直流偏置磁场和高频交变磁场，实现磁致伸缩材料在载荷-磁场多物理场耦合环境下的性能测试。

背景技术

磁致伸缩材料存在复杂的非线性本构关系，因此获取磁致伸缩材料在力-磁耦合场下的非线性本构模型是研究磁致伸缩材料的重要工作。大量试验表明磁致伸缩材料的基本力学性能和磁学性能会受到外磁场和外载荷影响，在应用磁致伸缩材料时，需要考虑其性能参数在不同环境下的差异性，所以获取材料在不同偏置磁场和应力下的性能参数非常重要。而现有的测试仪器只能针对材料的某一特定曲线进行测量，无法获取其全面的力学和磁学性能及特征曲线。此外现有的测试仪器也只能提供静态磁场环境，无法构建静动态的外载荷、磁场耦合的测试环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，解决了现有技术只能提供静态磁场环境，无法构建静动态的外载荷、磁场耦合的测试环境，无法获取其全面的力学和磁学性能及特征曲线的问题。实现了力-磁耦合作用下的磁致伸缩材料性能测试。本发明可以检测磁致伸缩材料在不同拉压载荷或偏置磁场下的弹性系数和压磁系数。另外，还可以测量在不同偏置磁场下被测样品的应力-应变曲线和在不同载荷条件下的磁滞回线、磁致伸缩曲线。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，包括力加载模块1、磁场加载模块2，磁场加载模块2与力加载方向同轴或垂直安装；通过伺服电机0103对试样3施加静态拉伸或压缩载荷，构建试样的初始应力状态；通过压电叠堆0123对试样施加动态压缩载荷，用于磁致伸缩材料弹性系数的动态测量；通过可变气隙电磁铁0201对试样3施加测试所需的直流偏置磁场，利用亥姆霍兹线圈0202给试样提供高频交变磁场，用于测量磁致伸缩材料的压磁系数。

所述的磁场加载模块2为磁致伸缩材料测试提供直流偏置磁场和高频交变磁场，通过支架0203连接可变气隙电磁铁0201和亥姆霍兹线圈0202；可变气隙电磁铁0201为试样3提供可调节的直流偏置磁场，亥姆霍兹线圈0202为试样3提供高频交变磁场；磁场加载模块2在力-磁耦合环境下能够测量材料在特定预应力下的磁滞回线、磁致伸缩曲线；同时测量材料在特定偏置磁场下的应力-应变曲线。

所述的力加载模块1采用对称加载结构，装有行星减速器0105的伺服电机0103通过换向器0107实现两个并列的丝杠螺母副同向等速运动，同时驱动弓形加载臂0119为试样3施加载荷；弓形加载臂0119为磁场加载模块2让出空间，给试样3构建大载荷、强偏置磁场耦合的测试环境。

所述的力加载模块1是：铝型材0101和角码0102装配构成底座部分；伺服电机0103安装有行星减速器0105，通过电机支座0104安装于铝型材0101上；伺服电机0103的输出轴通过联轴器0106与换向器0107的输入轴连接；换向器0107通过联轴器与双向丝杠0109连接，驱动双向丝杠0109转动；双向丝杠0109与螺母0114构成丝杠螺母副，丝杠支撑座A0108和丝杠支撑座B0117为丝杠螺母副提供支撑，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座0111驱动滑座A0110和滑座B0115相对或相向运动；滑座A0110和滑座B0115均通过螺栓安装于滑块0112上，通过滑块0112与直线导轨0116的定位作用，实现直线导向；通过两个由联轴器0106串接的换向器实现两侧滑座的同步直线运动。

所述的滑座A0110和滑座B0115上分别安装支座A0113、支座B0122，并通过连接件0120与两根弓形加载臂0119固连，当滑座A0110和滑座B0115对向运动时，两根弓形加载臂0119相互靠近，通过夹具0124给试样3施加压缩载荷，载荷大小通过连接件0120和支座A0113之间的力传感器0118测量。

本发明的有益效果在于：可提供拉伸、压缩的静态加载和动态的高频压缩载荷加载；构建直流偏置磁场与高频交变磁场叠加的磁场环境，实现静动态力-磁耦合的测试环境。获得磁致伸缩材料的重要性能参数和曲线，包括弹性系数、压磁系数，应力-应变曲线、磁滞回线和磁致伸缩曲线等。实现力-磁耦合环境下材料重要物理性能的测试，对磁致伸缩材料的本构关系的研究有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2、图3为本发明的力加载模块装配图；

图4为本发明的磁场加载模块装配图；

图5为本发明的磁场方向调整功能的示意图；

图6为本发明针对拉伸与压缩测试加载的示意图。

图中：1、力加载模块；2、磁场加载模块；3、试样；4、应变片；5、测量线圈；6、霍尔探头；0101、铝型材；0102、角码；0103、伺服电机；0104、电机支座；0105、行星减速器；0106、联轴器；0107、换向器；0108、丝杠支撑座A；0109、双向丝杠；0110、滑座A；0111、螺母座；0112、滑块；0113、支座A；0114、螺母；0115、滑座B；0116、直线导轨；0117、丝杠支撑座B；0118、力传感器；0119、弓形加载臂；0120、连接件；0121、柔性铰链；0122、支座B；0123、压电叠堆；0124、夹具；0201、可变气隙电磁铁；0202、亥姆霍兹线圈；0203、支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本发明的针对磁致伸缩材料性能进行测试的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，包括力加载模块1、磁场加载模块2、霍尔探头6、测量线圈5、应变片4等。力加载模块1利用伺服电机0103和压电叠堆0123，为试样3施加静动态载荷；磁场加载模块2利用可变气隙电磁铁0201和亥姆霍兹线圈0202，提供平行或垂直于载荷方向的静动态磁场。通过力-磁耦合测试能够获取材料在不同载荷和偏置磁场下的重要性能参数及曲线，包括弹性系数、压磁系数，磁滞回线、磁致伸缩曲线、应力-应变曲线等。可以实现力-磁耦合环境下材料重要物理性能的测试，对磁致伸缩材料的本构关系的研究有重要意义。

参见图1至图3所示，本发明的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，包括力加载模块1、磁场加载模块2，磁场加载模块2根据试验要求与力加载方向同轴或垂直安装；依据试验条件，通过伺服电机0103对试样3施加静态拉伸或压缩载荷，用于构建试样的初始应力状态；通过压电叠堆0123对试样施加动态压缩载荷，用于磁致伸缩材料弹性系数的动态测量；通过可变气隙电磁铁0201对试样3施加测试所需的直流偏置磁场，利用亥姆霍兹线圈0202给试样提供高频交变磁场，用于测量磁致伸缩材料的压磁系数。

参见图4所示，所述的力加载模块1采用对称加载结构，装有行星减速器0105的伺服电机0103通过换向器0107实现两个并列的丝杠螺母副同向等速运动，同时驱动弓形加载臂0119为被测的试样3施加载荷；弓形加载臂0119能够为磁场加载模块2让出空间，给试样3构建大载荷、强偏置磁场耦合的测试环境。

所述的力加载模块1包括：铝型材0101、角码0102、伺服电机0103、电机支座0104、行星减速器0105、联轴器0106、换向器0107、丝杠支撑座A0108、双向丝杠0109、滑座A0110、螺母座0111、滑块0112、支座A0113、螺母0114、滑座B0115、直线导轨0116、丝杠支撑座B0117、力传感器0118、弓形加载臂0119、连接件0120、柔性铰链0121、支座B0122、压电叠堆0123、夹具0124，铝型材0101和角码0102装配构成底座部分；伺服电机0103安装有行星减速器0105，通过电机支座0104安装于铝型材0101上；伺服电机0103的输出轴通过联轴器0106与换向器0107的输入轴连接；换向器0107通过联轴器与双向丝杠0109连接，驱动双向丝杠0109转动；双向丝杠0109与螺母0114构成丝杠螺母副，丝杠支撑座A0108和丝杠支撑座B0117为丝杠螺母副提供支撑，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座0111驱动滑座A0110和滑座B0115相对或相向运动；滑座A0110和滑座B0115均通过螺栓安装于滑块0112上，通过滑块0112与直线导轨0116的定位作用，实现直线导向；通过两个由联轴器0106串接的换向器实现两侧滑座的同步直线运动。

所述的滑座A0110和滑座B0115上分别安装支座A0113、支座B0122，并通过连接件0120与两根弓形加载臂0119固连，当滑座A0110和滑座B0115对向运动时，两根弓形加载臂0119相互靠近，通过夹具0124给试样3施加压缩载荷，载荷大小通过连接件0120和支座A0113之间的力传感器0118测量。弓形加载臂0119为磁场加载模块2让出空间，避免干涉。试样3上粘贴有应变片4，用于测量被测试样3的应变。内部安装有压电叠堆0123的柔性铰链0121，其内框固定在支座B0122上，外框通过连接件0120与弓形加载臂0119连接；工作时压电叠堆0123输出的高频压缩载荷，通过弓形加载臂0119施加在试样3上，对被测材料进行动态性能测试。

参见图5所示，所述的磁场加载模块2为磁致伸缩材料测试提供直流偏置磁场和高频交变磁场，通过支架0203连接可变气隙电磁铁0201和亥姆霍兹线圈0202；可变气隙电磁铁0201为试样3提供可调节的直流偏置磁场，亥姆霍兹线圈0202为试样3提供高频交变磁场。磁场加载模块2在力-磁耦合环境下能够测量材料在特定预应力下的磁滞回线、磁致伸缩曲线；同时测量材料在特定偏置磁场下的应力-应变曲线。

参见图6所示，本发明能够实现对被测的试样3施加压缩或拉伸载荷。其中压缩试验采用立方体试样，拉伸试验采用带孔的薄板形试样。其中试样3表面粘贴有应变片4，用来测量试样的变形；同时试样3表面绕有测量线圈5用于测量试样在磁场中的磁通量。霍尔探头6放置于磁场中用于测量磁场强度。

本发明可以对被测样品施加静态拉伸、压缩载荷和动态的高频压缩载荷，其中静态机械载荷由伺服电机0103驱动丝杠螺母副实现加载，动态载荷由压电叠堆0123实现加载，用于测量磁致伸缩材料的弹性系数；同时为试验提供直流偏置磁场和交变磁场环境，其中可变气隙电磁铁0201提供可控的直流偏置磁场，亥姆霍兹线圈0202提供交变磁场，用于测量磁致伸缩材料的压磁系数。通过力传感器0118测得试样3所受载荷，计算材料的应力σ。由应变片4测量材料的应变ε；用与高斯计相连接的霍尔探头6测量试样附件的磁场强度H；用绕制于试样表面的测量线圈5与磁通计连接，测量穿过试样截面的磁通量Φ。通过上述测量参数获取材料的应力-应变曲线（σ-ε），磁致伸缩曲线（H-λ）和磁滞回线（B-H）。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，其特征在于：包括力加载模块（1）、磁场加载模块（2），磁场加载模块（2）与力加载方向同轴或垂直安装；通过伺服电机（0103）对试样（3）施加静态拉伸或压缩载荷，构建试样的初始应力状态；通过压电叠堆（0123）对试样施加动态压缩载荷，用于磁致伸缩材料弹性系数的动态测量；通过可变气隙电磁铁（0201）对试样（3）施加测试所需的直流偏置磁场，利用亥姆霍兹线圈（0202）给试样提供高频交变磁场，用于测量磁致伸缩材料的压磁系数。

2.根据权利要求1所述的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，其特征在于：所述的磁场加载模块（2）为磁致伸缩材料测试提供直流偏置磁场和高频交变磁场，通过支架（0203）连接可变气隙电磁铁（0201）和亥姆霍兹线圈（0202）；可变气隙电磁铁（0201）为试样（3）提供可调节的直流偏置磁场，亥姆霍兹线圈（0202）为试样（3）提供高频交变磁场；磁场加载模块（2）在力-磁耦合环境下能够测量材料在特定预应力下的磁滞回线、磁致伸缩曲线；同时测量材料在特定偏置磁场下的应力-应变曲线。

3.根据权利要求1所述的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，其特征在于：所述的力加载模块（1）采用对称加载结构，装有行星减速器（0105）的伺服电机（0103）通过换向器（0107）实现两个并列的丝杠螺母副同向等速运动，同时驱动弓形加载臂（0119）为试样（3）施加载荷；弓形加载臂（0119）为磁场加载模块（2）让出空间，给试样（3）构建大载荷、强偏置磁场耦合的测试环境。

4.根据权利要求1或3所述的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，其特征在于：所述的力加载模块（1）是：铝型材（0101）和角码（0102）装配构成底座部分；伺服电机（0103）安装有行星减速器（0105），通过电机支座（0104）安装于铝型材（0101）上；伺服电机（0103）的输出轴通过联轴器（0106）与换向器（0107）的输入轴连接；换向器（0107）通过联轴器与双向丝杠（0109）连接，驱动双向丝杠（0109）转动；双向丝杠（0109）与螺母（0114）构成丝杠螺母副，丝杠支撑座A（0108）和丝杠支撑座B（0117）为丝杠螺母副提供支撑，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座（0111）驱动滑座A（0110）和滑座B（0115）相对或相向运动；滑座A（0110）和滑座B（0115）均通过螺栓安装于滑块（0112）上，通过滑块（0112）与直线导轨（0116）的定位作用，实现直线导向；通过两个由联轴器（0106）串接的换向器实现两侧滑座的同步直线运动。

5.根据权利要求4所述的静动态力-磁耦合材料性能测试仪器，其特征在于：所述的滑座A（0110）和滑座B（0115）上分别安装支座A（0113）、支座B（0122），并通过连接件（0120）与两根弓形加载臂（0119）固连，当滑座A（0110）和滑座B（0115）对向运动时，两根弓形加载臂（0119）相互靠近，通过夹具（0124）给试样（3）施加压缩载荷，载荷大小通过连接件（0120）和支座A（0113）之间的力传感器（0118）测量。