CN112082879B - 低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及测量方法，系统主要是以原位拉伸装置作为加载装置，以真空防护箱为固定装置，以液氮罐等制冷装置作为低温加载系统，对真空防护箱内进行降温处理，并搭载DIC系统进行成像并做全场变形测量。方法包括：1、对测量系统进行检查；2、安装原位拉伸装置和试样；3、连接防护箱内管道；4、开启抽真空装置；5、调节DIC系统摄像头；6、开启低温加载系统；7、开启PC拉伸控制器，进行拉伸试验；8、试验结束后关掉PC拉伸控制器、低温加载系统和抽真空装置，打开气孔；9、开箱，并取出试样；10、在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。本发明实现了低温下的拉伸加载试验。

Description

低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于材料力学拉伸测试以及光测实验力学领域，具体涉及一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及测量方法。

背景技术

在材料测试和力学实验领域，拉伸测试试验是研究材料机械性能最基本、应用最广泛的实验，被广泛应用于表征金属以及非金属的力学响应，评估不同试件的功能差异，绘制材料的拉伸曲线，探究材料的本构关系。

目前，由于季节性变化和环境需求等，金属在运输、包装、使用过程中的低温环境越来越普遍。所以要求一些金属材料在建筑、机械等生产和生活中的使用必须能承受低温状态，并保证其力学性能，不存在安全隐患。因此，对低温材料的使用和研究已成为必然趋势。

但是在传统的力学拉伸测试中，由于应变片以及环境的限制，材料往往只能进行最简单的拉伸试验，无法测得低温条件下材料的力学性能，无法得到材料在低温状态下不同的力学响应。而低温对材料的强度、刚度、寿命等性能影响非常大，甚至影响材料的可靠性，因此在不同温度环境下材料力学特性的改变往往也是科研人员最关心的指标之意。所以需要对传统的拉伸测试进行改进，使其具备在低温下进行拉伸测试的功能，以测量低温条件下的性能参数。

低温试验有两个突出问题要解决，第一就是应力应变场的测量问题。传统的拉伸装置一般使用应变片测量数据，获得应变片之间应变的平均值。但是在低温实验下，低温对应变片的影响使得应变片测量存在一定的误差，会影响实验结果的准确性。同时应变片测量只能简单地绘制应力应变曲线，测得一些宏观意义上的力学参数，如屈服极限、强度极限等，无法具体显示整个试件的应变情况。因此需要一种非接触式的全场应变测量系统，用以解决低温对测量结果造成误差的弊端，并实时获得全场应变数据。

低温试验中第二个要解决的的问题就是凝露和结霜。当在管道中通入液氮降温时，试件表面的温度就会急剧降低，但由于热惯性，试验箱内部的温度就会高于试件表面温度，当湿气遇到温度低于露点甚至霜点的试件表面时，水汽就会凝结在表面形成凝露甚至结霜。凝露、结霜作用与产品所用的材料、腔体、升降温速率、相对湿度有关，只要破坏凝露结霜发生条件的任意一个，就可以防止其发生。所以就可以在低温试验时，营造真空环境来降低相对湿度，这样就可以避免凝露结霜影响视野。

因此，需要一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及低温测量方法，来快速、便捷、准确地评估材料的低温力学性能

发明内容

本发明目的旨在突破传统拉伸试验的限制，设计一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统及测量方法，使其能够实现材料在低温环境下拉伸加载，并防止结霜进行全场应变实时测量，用于扩展拉伸试验的应用。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于包括：包括原位拉伸装置、PC拉伸控制器；真空防护箱、低温加载系统、抽真空装置及DIC系统；

所述真空防护箱包括箱体和箱盖两部分，箱体采用半包围式结构，箱盖以可开合的方式与箱体连接；在箱盖处于合上位，真空防护箱为封闭式结构；

在箱体内的底部设置有固定槽；在箱体的侧壁上设有液氮输入接口、液氮输出接口、真空管道接口、拉伸控制系统接口及气孔；在箱盖顶部安装有透明玻璃，形成透明观察区；在箱盖前侧安装有气压计；

所述原位拉伸装置固定安装于真空防护箱内的固定槽位置，在原位拉伸装置的两半拉伸台上均设置有液氮输入口、液氮输出口及连通液氮输入口和液氮输出口的内部通道；

所述低温加载系统包括设置于真空防护箱外的液氮泵、输出液氮罐和回流液氮罐；输出液氮罐的出液口与液氮泵的进液口通过管道连接，液氮泵的出液口与箱体上的液氮输入接口的外端通过箱外液氮输入管道连接，液氮输入接口的内端通过箱内液氮输入管道与一半拉伸台上的液氮输入口连接，该半拉伸台上的液氮输出口连接第一段液氮循环管道，另一半拉伸台上的液氮输入口连接第二段液氮循环管道，两段液氮循环管道通过可伸缩的软管连接，另一半拉伸台上的液氮输出口与箱体上的液氮输出接口的内端之间通过箱内液氮输出管道连接，箱体上的液氮输出接口的外端通过箱外液氮输出管道与回流液氮罐的进油口连接；

所述抽真空装置设置于真空防护箱外，通过抽真空管道与箱体上的真空管道接口连接；

所述DIC系统设置于真空防护箱外部上方位置，且DIC系统的摄像头与箱盖部分上的透明观察区对正；

所述PC拉伸控制器设置于真空防护箱外部，通过拉伸控制系统接口与原位拉伸装置控制连接。

进一步的：在箱外液氮输出管道上安装有单向阀，单向阀的导通方向为箱体上的液氮输出接口指向回流液氮罐方向。

进一步的：原位拉伸装置的底座形状与箱体内固定槽的形状匹配，在原位拉伸装置的底座下端设置有带缺边的圆柱凸起，在圆柱凸起的中心设置有定位插孔；在固定槽内设置有带缺边的圆柱插孔，在圆柱插孔的中心设置有定位凸起；所述圆周凸起与圆柱插孔形成插装配合，所述定位插孔与定位凸起形成插装配合。

进一步的：所述抽真空装置采用真空泵机。

进一步的：在箱盖前侧固定安装有拉手。

一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量方法，其特征在于：采用上述的测量系统，包括如下步骤：

步骤1、对整个测量系统进行检查，包括：

(1)检查真空防护箱外部的低温加载系统部分是否连接完好，保证输出液氮罐与液氮泵之间的管道、液氮泵与真空防护箱的液氮输入接口外端之间的连接管道、回流液氮罐与真空防护箱的液氮输出接口外端之间的连接管道均连接完好，在设置有单向阀的情况下，还有保证单向阀准确完好的安装在对应的管道上；

(2)检查PC拉伸控制器是否与真空防护箱上的拉伸控制系统接口连接完好；

(3)检查抽真空装置是否与真空防护箱上的真空管道接口连接完好；

(4)开启并检查DIC系统是否良好，真空防护箱是否在DIC的成像范围内；

步骤2；打开箱盖，将原位拉伸装置安装在真空防护箱的固定槽内，并将加工好的试样装夹在原位拉伸装置上。

步骤3：根据实验要求，将真空防护箱上的液氮输入接口内端、液氮输出接口内端、拉伸装置控制接口内端与对应的原位拉伸装置上的箱内液氮输入管道、箱内液氮输出管道、拉伸装置控制接口连接完好，同时将原位拉伸装置上的两段液氮循环管道通过软管相连接；关上箱盖，一切就绪；

步骤4、开启抽真空装置，观测箱盖上的气压计，将箱内抽取至真空状态后正式进入测量环节，并一直保持开启状态；

步骤5、调节DIC系统摄像头，使其处于合适的角度和位置，让试件表面能够填满DIC系统成像视野；

步骤6、开启低温加载系统，依次开启输出液氮罐、回流液氮罐、液氮泵，进行温度预加载，让试件有充分的时间达到预定温度；

步骤7、待试件达到预定低温后，开启PC拉伸控制器，调节好拉伸速率进行拉伸试验，同时用DIC系统每间隔预定好的一段时间后进行成像扫描，直至试验结束；

步骤8、试验结束后按先后顺序关掉PC拉伸控制器、低温加载系统，然后关闭抽真空装置，打开真空防护箱上的气孔，静置，让真空防护箱内部气压和大气压保持一致；

步骤9、打开箱盖，静置一段时间，待箱内温度达到室温，拆下真空防护箱内部连接好的管道和控制线路，然后取下试件，结束测量；

步骤10、最后在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。

本发明具有的优点和积极效果：

本发明测量系统实现了集试样动态加载、环境温度控制以及图像采集、应变分析为一体的多种功能测量，其改变以往的拉伸试验模式，提供低温环境，使实验更加有效、丰富；同时搭载真空装置，有效地避免了低温状态下拉伸试件表面出现凝露或结霜。

附图说明

图1是本发明的测量系统的整体连接示意图；

图2是本发明真空防护箱的外观示意图；2a、立体图；2b、俯视图；

图3是本发明图2中去掉箱盖的立体图；3a、整体图；3b、局部示意图；

图4是本发明原位拉伸装置的立体图；4a、第一角度立体图；4b、第二角度立体图；4c、局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，主要是以原位拉伸装置11作为加载装置，以真空防护箱为固定装置，以液氮罐等制冷装置作为低温加载系统，对真空防护箱内进行降温处理，最后搭载DIC(数字图像相关技术)系统3进行成像并做全场变形测量。其中，原位拉伸装置及对其进行控制的PC拉伸控制器1可采用现有结构，参见图4，在此不再赘述。

该系统的关键装置之一在于真空防护箱2，该防护箱为拉伸装置提供一个封闭式环境，并可以用抽真空装置抽取到真空环境。该防护箱由三部分组成，箱体2.3、箱盖2.4以及多个接口。其中箱体部分为主体部分，采用半包围式的结构，能够很好地为拉伸台提供安全防护作用，底部专为原位拉伸装置设计的固定槽2.11，完美契合原位拉伸装置的底座，保障原位拉伸装置底座的固定，防止出现刚体位移。在本发明中，为保证原位拉伸装置安装的稳固性，优选的方案为：原位拉伸装置的底座形状与箱体内固定槽的形状匹配，在原位拉伸装置的底座11.4下端设置有带缺边11.6的圆柱凸起11.5，在圆柱凸起的中心设置有定位插孔11.7。在固定槽内设置有带缺边2.14的圆柱插孔2.12，在圆柱插孔的中心设置有定位凸起2.13。所述圆周凸起与圆柱插孔形成插装配合，所述定位插孔与定位凸起形成插装配合。同时箱壁上设有液氮输入接口2.2、液氮输出接口2.9、真空管道接口2.8以及拉伸控制系统接口2.1，并设置有气孔2.10。气孔处安装有阀门、堵塞等可开启的封堵件。箱盖同时封闭上端面和前侧面两个平面，方便以原位拉伸装置的装夹和取用，顶部安装透明玻璃，形成透明观察区2.7，便于DIC系统的扫描成像，前侧装有气压计2.5，用于抽真空过程中观测气压。为方便箱盖的开启和关闭，可在箱盖前侧设置拉手2.6。该真空防护箱不仅具有固定承载功能，同时全包围的结构提供加载过程中的安全保护功能，同时还兼具低温加载过程中一定程度上的隔温功能，在真空状态下由于破坏了相对湿度较高的条件，还可以有效地防止在低温环境中的凝露结霜影响视野的缺点。

该系统的关键装置之二在于低温加载系统，低温加载系统直接将低温加载于原位拉伸装置中的两个半拉伸台上，而不是加载于整个防护箱的内部，为此，在原位拉伸装置的两半拉伸台上均设置有液氮输入口、液氮输出口及连通液氮输入口和液氮输出口的内部通道。低温加载系统主要包括液氮泵9、输出液氮罐8和回流液氮罐7。输出液氮罐的出液口与液氮泵的进液口通过管道连接，液氮泵的出液口与箱体上的液氮输入接口的外端通过箱外液氮输入管道10连接，液氮输入接口的内端通过箱内液氮输入管道15与一半拉伸台11.2上的液氮输入口连接，该半拉伸台上的液氮输出口连接第一段液氮循环管道14，另一半拉伸台11.1上的液氮输入口连接第二段液氮循环管道12，两段液氮循环管道通过可伸缩的软管连接(软管在附图中未示意图出)，另一半拉伸台上的液氮输出口与箱体上的液氮输出接口的内端之间通过箱内液氮输出管道13连接，箱体上的液氮输出接口的外端通过箱外液氮输出管道5与回流液氮罐的进油口连接。在箱外液氮输出管道进一步设置有单向阀6，单向阀的导通方向为箱体上的液氮输出接口指向回流液氮罐方向。该低温加载系统为试件提供了一个低温环境。对于低温温度的控制细节，在拉伸台上设有温度检测装置，设置温度后，液氮开始循环冷却加载台，当温度检测装置测得温度达到预设值时，反馈给低温加载系统，液氮泵停止，当温度发生升高时，温度检测装置检测与预设值产生差别，反馈给低温加载系统，液氮泵开启，进行低温加载，直至温度达到预设值。

该系统的关键装置之三在于DIC系统，DIC系统作为成像分析装置，可以透过真空防护装置上方的透明玻璃对拉伸试件进行实时成像以及全场应变分析，并在一定程度上避免了由于人员操作不当引起的刚体位移，使得分析结果更加可靠准确。

该系统的关键装置之四在于抽真空装置，抽真空装置可采用真空泵机4，保证了整个试验过程中，防护箱内的真空状态。

一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量方法，其特征在于：采用上述的测量系统，包括如下步骤：

步骤1、对整个测量系统进行检查，包括：

(1)检查真空防护箱外部的低温加载系统部分是否连接完好，保证输出液氮罐与液氮泵之间的管道、液氮泵与真空防护箱的液氮输入接口外端之间的连接管道、回流液氮罐与真空防护箱的液氮输出接口外端之间的连接管道均连接完好，在设置有单向阀的情况下，还有保证单向阀准确完好的安装在对应的管道上；

(2)检查PC拉伸控制器是否与真空防护箱上的拉伸控制系统接口连接完好；

(3)检查抽真空装置是否与真空防护箱上的真空管道接口连接完好；

(4)开启并检查DIC系统是否良好，真空防护箱是否在DIC的成像范围内；

步骤2；打开箱盖，将原位拉伸装置安装在真空防护箱的固定槽内，并将加工好的试样装夹在原位拉伸装置上。

步骤3：根据实验要求，将真空防护箱上的液氮输入接口内端、液氮输出接口内端、拉伸装置控制接口内端与对应的原位拉伸装置上的箱内液氮输入管道、箱内液氮输出管道、拉伸装置控制接口11.3连接完好，同时将原位拉伸装置上的两段液氮循环管道通过软管相连接；关上箱盖，一切就绪；

步骤4、开启抽真空装置，观测箱盖上的气压计，将箱内抽取至真空状态后正式进入测量环节，并一直保持开启状态；

步骤5、调节DIC系统摄像头，使其处于合适的角度和位置，让试件表面能够填满DIC系统成像视野；

步骤6、开启低温加载系统，依次开启输出液氮罐、回流液氮罐、液氮泵，进行温度预加载，让试件有充分的时间达到预定温度；

步骤7、待试件达到预定低温后，开启PC拉伸控制器，调节好拉伸速率进行拉伸试验，同时用DIC系统每间隔预定好的一段时间后进行成像扫描，直至试验结束；

步骤8、试验结束后按先后顺序关掉PC拉伸控制器、低温加载系统，然后关闭抽真空装置，打开真空防护箱上的气孔，静置，让真空防护箱内部气压和大气压保持一致；

步骤9、打开箱盖，静置一段时间，待箱内温度达到室温，拆下真空防护箱内部连接好的管道和控制线路，然后取下试件，结束测量；

步骤10、最后在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于：包括原位拉伸装置、PC拉伸控制器；真空防护箱、低温加载系统、抽真空装置及DIC系统；

所述真空防护箱包括箱体和箱盖两部分，箱体采用半包围式结构，箱盖以可开合的方式与箱体连接；在箱盖处于合上位，真空防护箱为封闭式结构；

在箱体内的底部设置有固定槽；在箱体的侧壁上设有液氮输入接口、液氮输出接口、真空管道接口、拉伸控制系统接口及气孔；在箱盖顶部安装有透明玻璃，形成透明观察区；在箱盖前侧安装有气压计；

所述原位拉伸装置固定安装于真空防护箱内的固定槽位置，在原位拉伸装置的两半拉伸台上均设置有液氮输入口、液氮输出口及连通液氮输入口和液氮输出口的内部通道；

所述低温加载系统包括设置于真空防护箱外的液氮泵、输出液氮罐和回流液氮罐；输出液氮罐的出液口与液氮泵的进液口通过管道连接，液氮泵的出液口与箱体上的液氮输入接口的外端通过箱外液氮输入管道连接，液氮输入接口的内端通过箱内液氮输入管道与一半拉伸台上的液氮输入口连接，该半拉伸台上的液氮输出口连接第一段液氮循环管道，另一半拉伸台上的液氮输入口连接第二段液氮循环管道，两段液氮循环管道通过可伸缩的软管连接，另一半拉伸台上的液氮输出口与箱体上的液氮输出接口的内端之间通过箱内液氮输出管道连接，箱体上的液氮输出接口的外端通过箱外液氮输出管道与回流液氮罐的进油口连接；

所述抽真空装置设置于真空防护箱外，通过抽真空管道与箱体上的真空管道接口连接；

所述DIC系统设置于真空防护箱外部上方位置，且DIC系统的摄像头与箱盖部分上的透明观察区对正；

所述PC拉伸控制器设置于真空防护箱外部，通过拉伸控制系统接口与原位拉伸装置控制连接。

2.根据权利要求1所述的低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于：在箱外液氮输出管道上安装有单向阀，单向阀的导通方向为箱体上的液氮输出接口指向回流液氮罐方向。

3.根据权利要求1所述的低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于：原位拉伸装置的底座形状与箱体内固定槽的形状匹配，在原位拉伸装置的底座下端设置有带缺边的圆柱凸起，在圆柱凸起的中心设置有定位插孔；在固定槽内设置有带缺边的圆柱插孔，在圆柱插孔的中心设置有定位凸起；所述圆柱凸起与圆柱插孔形成插装配合，所述定位插孔与定位凸起形成插装配合。

4.根据权利要求1所述的低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于：所述抽真空装置采用真空泵机。

5.根据权利要求1所述的低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，其特征在于：在箱盖前侧固定安装有拉手。

6.一种低温下防试样结霜的非接触式全场测量方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一所述的低温下防试样结霜的非接触式全场测量系统，包括如下步骤：

步骤1、对整个测量系统进行检查，包括：

(1)检查真空防护箱外部的低温加载系统部分是否连接完好，保证输出液氮罐与液氮泵之间的管路、液氮泵与真空防护箱的液氮输入接口外端之间的连接管路、回流液氮罐与真空防护箱的液氮输出接口外端之间的连接管路均连接完好，在设置有单向阀的情况下，还有保证单向阀准确完好的安装在对应的管路上；

(2)检查PC拉伸控制器是否与真空防护箱上的拉伸控制系统接口连接完好；

(3)检查抽真空装置是否与真空防护箱上的真空管道接口连接完好；

(4)开启并检查DIC系统是否良好，真空防护箱是否在DIC的成像范围内；

步骤2；打开箱盖，将原位拉伸装置安装在真空防护箱的固定槽内，并将加工好的试样装夹在原位拉伸装置上；

步骤3：根据实验要求，将真空防护箱上的液氮输入接口内端、液氮输出接口内端、拉伸装置控制接口内端与对应的原位拉伸装置上的箱内液氮输入管道、箱内液氮输出管道、拉伸装置控制接口连接完好，同时将原位拉伸装置上的两段液氮循环管道通过软管相连接；关上箱盖，一切就绪；

步骤4、开启抽真空装置，观测箱盖上的气压计，将箱内抽取至真空状态后正式进入测量环节，并一直保持开启状态；

步骤5、调节DIC系统摄像头，使其处于合适的角度和位置，让试件表面能够填满DIC系统成像视野；

步骤6、开启低温加载系统，依次开启输出液氮罐、回流液氮罐、液氮泵，进行温度预加载，让试件有充分的时间达到预定温度；

步骤7、待试件达到预定低温后，开启PC拉伸控制器，调节好拉伸速率进行拉伸试验，同时用DIC系统每间隔预定好的一段时间后进行成像扫描，直至试验结束；

步骤8、试验结束后按先后顺序关掉PC拉伸控制器、低温加载系统，然后关闭抽真空装置，打开真空防护箱上的气孔，静置，让真空防护箱内部气压和大气压保持一致；

步骤9、打开箱盖，静置一段时间，待箱内温度达到室温，拆下真空防护箱内部连接好的管道和控制线路，然后取下试件，结束测量；

步骤10、最后在DIC系统中进行全场应变分析，得出实验结果。