CN112986022A - 弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法，该弹性模量测试装置包括底座、施力组件、振动传感组件和控制组件，控制组件根据该激励信号和振动信号，以及内部存储的待测样块的结构参数即可确定得到该待测试样块的弹性模量。在本申请实施例中，该施力组件产生的激励信号是可控的，同时，该激励信号的强度不需要过大，待测试样块的表面便可产生对应的振动信号，不会造成待测试样块的断裂，该待测试样块可以重复性使用，从而避免了传统技术中存在的测量重复性差的技术问题，达到了提高弹性模量测试稳定性的技术效果。

Description

弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法

技术领域

本申请涉及电力设备测试技术领域，特别是涉及一种弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法。

背景技术

干式空心电抗器通常布置于户外，运行环境较为恶劣，在交变电磁力等的作用下长期处于振动状态，尤其是当干式空心电抗器的固有频率与交变电磁力的振动频率相等而发生共振，更是加剧了干式空心电抗器的振动。因此，可以通过调节干式空心电抗器的固有频率来降低干式空心电抗器的振动。

包封作为干式空心电抗器的主体，其材料的弹性模量是决定干式空心电抗器固有频率的重要因素。目前针干式空心电抗器包封弹性模量的确定主要是通过对样块进行样机试验进行测量。但是，在样机试验中，需要对样块进行大幅度的拉伸，在拉伸过程中，由于样块中的环氧和铝材料性质不同，在相同的拉伸力下也容易发生断裂而导致试验失败，测量重复性差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法。

第一方面，一种弹性模量测试装置，包括：

底座，用于固定待测试样块；

施力组件，用于向待测试样块施加一激励信号；

多个振动传感组件，用于采集待测试样块在激励信号的激励下产生的振动信号；

控制组件，分别与施力组件和多个振动传感组件信号连接，控制组件用于根据激励信号、振动信号和待测试样块的结构参数确定待测试样块的弹性模量。

在本申请的一个可选实施例中，底座开设有一插口，插口用于固定待测试样块。

在本申请的一个可选实施例中，弹性模量测试装置还包括：

紧固件，设置于插口，紧固件用于固定待测试样块。

在本申请的一个可选实施例中，多个振动传感组件间隔设置于待测试样块表面，且多个振动传感组件的设置位置与待测试样块的振型节点相间隔。

在本申请的一个可选实施例中，振动传感组件的质量小于待测试样块质量的1％。

在本申请的一个可选实施例中，施力组件为冲击力锤或激振器。

第二方面，提供了一种弹性模量测试系统，包括：

待测试样块和如上弹性模量测试装置。

第三方面，提供了一种弹性模量的测试方法，应用于如上的弹性模量测试装置，该方法包括：

获取施力组件向待测试样块施加的激励信号；

获取多个振动传感组件采集到的待测试样块在激励信号的激励下产生的振动信号；

获取待测试样块的结构参数，其中，结构参数至少包括：密度、长度和厚度；

根据激励信号、振动信号和结构参数确定待测试样块的弹性模量。

在本申请的一个可选实施例中，根据激励信号、振动信号和结构参数确定待测试样块的弹性模量，包括：

根据激励信号和振动信号确定待测试样块的固有频率；

根据固有频率和结构参数确定待测试样块的弹性模量。

在本申请的一个可选实施例中，若待测试样块包括多个固有频率，根据固有频率和结构参数确定待测试样块的弹性模量，包括：

根据每个固有频率和对应的阶数确定每个固有频率的特征系数；

根据结构参数、每个固有频率、与固有频率对应的特征系数确定待测试样块每阶的弹性模量。

本申请实施例提供了一种弹性模量测试装置包括底座、施力组件、振动传感组件和控制组件，控制组件根据该激励信号和振动信号，以及内部存储的待测样块的结构参数即可确定得到该待测试样块的弹性模量。在本申请实施例中，该施力组件产生的激励信号是可控的，同时，该激励信号的强度不需要过大，待测试样块的表面便可产生对应的振动信号，不会造成待测试样块的断裂，该待测试样块可以重复性使用，从而避免了传统技术中存在的测量重复性差的技术问题，达到了提高弹性模量测试稳定性的技术效果。

附图说明

图1为一个实施例中提供的弹性模量测试装置结构示意图；

图2为一个实施例中提供的弹性模量测试装置及其应用环境的结构示意图；

图3为一个实施例中提供的弹性模量测试装置的局部结构示意图；

图4为一个实施例中提供的弹性模量测试装置及其应用环境的结构示意图；

图5为一个实施例中提供的弹性模量测试系统结构示意图；

图6为一个实施例中弹性模量的测试方法的流程示意图；

图7为一个实施例中弹性模量的测试方法的流程示意图；

图8为一个实施例中弹性模量的测试方法的流程示意图。

附图标记说明：

10、弹性模量测试装置；100、底座；110、插口；200、施力组件；300、振动传感组件；400、控制组件；500、采集卡；20、弹性模量测试系统；21、待测试样块。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

干式空心电抗器通常布置于户外，运行环境较为恶劣，在交变电磁力等的作用下长期处于振动状态，尤其是当干式空心电抗器的固有频率与交变电磁力的振动频率相等而发生共振，更是加剧了干式空心电抗器的振动。因此，可以通过调节干式空心电抗器的固有频率来降低干式空心电抗器的振动。包封作为干式空心电抗器的主体，其材料的弹性模量是决定干式空心电抗器固有频率的重要因素。目前针干式空心电抗器包封弹性模量的确定主要是通过对样块进行样机试验进行测量。但是，在样机试验中，需要对样块进行大幅度的拉伸，在拉伸过程中，由于样块中的环氧和铝材料性质不同，在相同的拉伸力下也容易发生断裂而导致试验失败，测量重复性差。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种弹性模量测试装置，包括底座、施力组件、振动传感组件和控制组件，控制组件根据该激励信号和振动信号，以及内部存储的待测样块的结构参数即可确定得到该待测试样块的弹性模量。在本申请实施例中，该施力组件产生的激励信号是可控的，同时，该激励信号的强度不需要过大，待测试样块的表面便可产生对应的振动信号，不会造成待测试样块的断裂，该待测试样块可以重复性使用，从而避免了传统技术中存在的测量重复性差的技术问题，达到了提高弹性模量测试稳定性的技术效果。

本申请实施例提供的弹性模量测试装置应用于干式空心电抗器包封材料弹性模量的测试，在使用时切割干式空心电抗器的部分包封作为待测试样块进行测试。请参见图1，本申请实施例提供的弹性模量测试装置10包括：底座100、施力组件200、振动传感组件300和控制组件400。

请一并参见图2，该底座100用于固定待测试样块21。该底座100可以为任意形状，在使用时固定于任意稳定的位置，例如墙体、地面、稳定试验台等。该底座100与待测试样块21固定位置垂直的表面优选为平面状，以方便底座100与放置表面具有最大的接触面积，从而增加该底座100和待测试样块21的稳定性，从而提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试准确性。该底座100的材料可以为任意硬质材料，优选为密度较大的材料，例如铁、钢、铅等，质量越大，该底座100的稳定性越高，本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试准确度更高。

该施力组件200用于向待测试样块21施加一激励信号，其中，该施力组件200可以为敲击组件，例如机械锤、电子锤等，或者为其他电子设备，例如控制器、振动发生器等。对应地，该激励信号可以为该施力组件200敲击待测试试样时产生的敲击力，也可以为控制器等产生的具有一定强度的脉冲信号，还可以为振动发生器产生的振动信号等。在一个实验周期内，该激励信号的强度可以为固定的，也可以按照一定规律进行变化本申请实施例不作具体限定，可根据实际情况具体设定。在该施力组件200向待测试样块21施加激励信号时尽量避开该待测试样块21的振型节点，振型节点是指在待测试样块21表面无论如何敲击，所产生的振动响应极其微弱，甚至为零的位置点，因此，在向待测试样块21施加激励信号时尽量避开该待测试样块21的振型节点，也就是该施力组件200的敲击位置与待测试样块21的振型节点相间，以提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试可靠性。需要指出的是，该施力组件200向待测试样块21施加激励信号的位置可以通过计算确定，也可以通过预实验确定，本实施例不作具体限定。

该振动传感组件300的数量为多个，该多个振动传感组件300在使用时，均匀的或者按照一定规律的设置于待测试样块21的表面，采集待测试样块21在激励信号的激励下产生的振动信号。该振动传感组件300可以为位移传感器等，还可以为加速度传感器，本申请实施例优选为加速度传感器，加速度传感器测量精度更高，可以有效提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试精度和准确度。

该控制组件400分别与施力组件200和上述多个振动传感组件300信号连接，控制组件400用于根据激励信号、振动信号和待测试样块21的结构参数确定待测试样块21的弹性模量。在测试样块物理结构一定的情况下，也就测试样块的结构参数一定的情况下，测试样块的弹性模量与激励信号的强度以及所产生的振动信号之间具有恒定的相关性，因此，控制组件400根据激励信号、振动信号和待测试样块21的结构参数通过简单的计算即可确定得到该待测试样块21的弹性模量。本申请实施例中的控制组件400可以为移动手机、计算机设备、服务器、PLC芯片等，本实施例对于该控制组件400的类型不作任何限定，可根据实际情况具体选择，只需要满足可以实现根据激励信号、振动信号和待测试样块21的结构参数确定待测试样块21的弹性模量的功能即可。

本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的工作原理如下：

在测试时，将待测试样块21固定于底座100，并将该多个振动传感组件300间隔设置于待测试样块21的表面，然后通过施力组件200向待测试样块21施加一激励信号，同时将该激励信号传输至控制组件400。待测试样块21在该激励信号的激励下产生振动信号，多个振动传感组件300检测得到该振动信号，并将该振动信号传输至控制组件400。控制组件400内存储有该待测样块的结构参数，然后结合接收得到的激励信号和振动信号进行计算即可确定得到该待测试样块21的弹性模量。

上述弹性模量测试装置10包括底座100、施力组件200、振动传感组件300和控制组件400，控制组件400根据该激励信号和振动信号，以及内部存储的待测样块的结构参数即可确定得到该待测试样块21的弹性模量。在本申请实施例中，该施力组件200产生的激励信号是可控的，同时，该激励信号的强度不需要过大，待测试样块21的表面便可产生对应的振动信号，不会造成待测试样块21的断裂，该待测试样块21可以重复性使用，从而避免了传统技术中存在的测量重复性差的技术问题，达到了提高弹性模量测试稳定性的技术效果。

请参见图3，在本申请的一个可选实施例中，上述底座100开设有一插口110，该插口110用于固定待测试样块21。在使用时，将该待测试样块21插入该插口110内，也就是说，该待测试样块21有一部分位于底座100之外，用于测试，另一部分插入插口110，位于底座100内部，用以稳定待测试样块21。该插口110与待测试样块21的形状相匹配，可以为圆形、方形、椭圆形等其他任意一种，本实施例不作具体限定，可根据实际情况具体选择。通过该插口110将部分的待测试样块21部分插入底座100内部，可以大大提高待测试样块21的稳定性，进一步提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试精确度和准确度。

在本申请的一个可选实施例中，该弹性模量测试装置10还包括：紧固件。

该紧固件设置于插口110，紧固件用于固定待测试样块21。在使用时，通过该紧固件将待测试样块21固定于底座100，以提高待测试样块21的稳定性，防止在施力组件200向待测试样块21施加激励信号时待测试样块21发生晃动，进而提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试精确度和准确度。在本实施例中，该紧固件可以为弹簧夹、螺栓和螺帽组件、或者其他任意具有固定作用的结构构件，本实施例对于该紧固件的具体结构不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定。

在本申请的一个可选实施例中，该插口110的内表面设置有第一螺纹，在待测试样块21的一端的外表面设置第二螺纹，该第一螺纹和该第二螺纹相匹配。在测试时，将该待测试样块21旋入该插口110内，与底座100固定连接，可以有效提高待测试样块21的稳定性，进一步提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的测试精确度和准确度。

在本申请的一个可选实施例中，多个振动传感组件300间隔设置于待测试样块21表面，且多个振动传感组件300的设置位置与待测试样块21的振型节点相间隔。振型节点是指在待测试样块21表面无论如何敲击，所产生的振动响应极其微弱，甚至为零的位置点，因此，本申请实施例提供的弹性模量测试装置10在设置振动传感组件300时与避开该振型节点，从而可以测量得到最大的振动信号，进一步提高本申请实施例提供的弹性模量测量装置的测量精度。

在本申请的一个具体实施例中，振动传感组件300的质量越小，对弹性模量测量结果的影响越小。本实施例中振动传感组件300的质量小于待测试样块21质量的1％，其影响最小，可以有效避免振动传感组件300的质量影响待测试样块21本身的振动特性，从而提高本申请实施例提供的弹性模量测量装置10的测量准确度。该振动传感组件300可以为压电式振动传感器等，本实施例不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定。

在本申请的一个可选实施例中，该施力组件200为冲击力锤或激振器。冲击力锤成本低，使用方便，可以提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的灵活性以及降低成本。激振器的敲击力度和频率可以易于调节和控制，方便调节向待测试样块21施加的激励信号，从而提高本申请实施例提供的弹性模量测试装置10的灵活性。

请参见图4，在本申请的一个可选实施例中，该弹性模量测试装置10还可以包括一采集卡500，该采集卡500的输入端分别与施力组件200和多个振动传感组件300信号连接，该采集卡500的输出端与控制组件400信号连接，施力组件200产生的激励信号和振动传感器采集到的振动信号均为模拟信号，该采集卡500将该模拟信号转换为数字信号，并传输至控制组件400，以供控制组件400进行进一步处理，以提高控制组件400的数据处理效果。

请参见图5，本申请实施例提供了一种弹性模量测试系统20，包括：待测试样块21和如上的弹性模量测试装置10。

待测试样块21可以为任意结构，例如导线排布方向与环氧层长度延长方向一致、垂直、或者具有任意夹角均可。待测试样块21可以为预先设备的样块，也可以直接从干式空心电抗器的包封上直接切割获得，本实施对于该待测试样块21的获取途径不作任何限定，可根据实际情况具体选择。

该弹性模量测试装置10的有益效果在上述实施例中已经详细阐述，在此不再赘述。

请参见图6，本申请一个实施例提供了一种弹性模量的测试方法，应用于如上的弹性模量测试装置10，该方法包括如下步骤601-步骤604：

步骤601、控制组件获取施力组件向待测试样块施加的激励信号。

控制组件400与施力组件200信号连接，施力组件200向待测样块施加一激励信号，并同时将该激励信号发送至控制组件400，控制组件400对该激励信号进行存储。其中，该激励信号可以为脉冲信号、力学信号或者其他可以引起待测试样块21表面振动的信号均可，本实施例不作具体限定。

步骤602、控制组件获取多个振动传感组件采集到的待测试样块在激励信号的激励下产生的振动信号。

控制组件400与多个振动传感组件300信号连接，该多个振动传感组件300实时采集待测试样块21表面的振动信号，并同时将该振动信号传输至控制组件400，控制组件400对该振动信号进行存储。需要指出的是，该振动信号是在上述施力组件200施加的激励信号的激励下产生的。

步骤603、控制组件获取待测试样块的结构参数。

其中，该结构参数至少包括：密度、长度和厚度，这里指的密度为待测试样块21环氧层与导线层的平均密度。第一方面，可以通过工作人员对待测试样块21进行实际测量；第二方面，可以通过例如激光测距仪、密度测量仪等相互配合测量得到该待测试样块21的密度、长度和厚度等结构参数。在获得该结构参数后，将该结构参数输入或发送至控制组件400，控制组件400对该结构参数进行存储。

步骤604、控制组件根据激励信号、振动信号和结构参数确定待测试样块的弹性模量。

控制组件400在获取得到如上的激励信号、振动信号和结构参数后进行物理计算，即可确定得到待测试样块21的弹性模量。本申请实施例提供的弹性模量的测试方法简单，易于操作，且不会破坏待测试样块21，该待测样块重复性好，可以针对同一待测试样块21进行多次测试试验，进一步提高对于待测试样块21弹性模量测试的准确度。

请参见图7，在本申请的一个可选实施例中，步骤604包括如下步骤701-步骤702：

步骤701、控制组件根据激励信号和振动信号确定待测试样块的固有频率。

控制组件400在获取得到该激励信号和振动信号后，进行基本的物理计算即可得到待测试样块21的固有频率。在本实施例中，第一方面，可以通过将该激励信号和振动信号的强度、周期、频率等代入基本固有频率计算公式确定得到该待测样块的固有频率；第二方面，可以通过对该待测试样块21施加上述的激励信号，然后通过试验测试得到该待测试样块21的固有频率，然后将该固有频率输入至控制组件400。本实施例对于该待测试样块21固有频率的确定方式不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定，只需要满足可以实现根据上述激励信号和上述振动信号确定待测试样块21的固有频率即可。

步骤702、控制组件根据固有频率和结构参数确定待测试样块的弹性模量。

控制组件400通过上述步骤得到待测试样块21的固有频率以及结构参数，其中，该结构参数至少包括密度、长度和厚度。控制组件400可以通过如下公式(1)计算得到该待测试样块21的弹性模量：

(1)式中，E为待测试样块21的弹性模量，ρ为待测试样块21的密度，L为待测试样块21的长度，e为待测试样块21的厚度。

本申请实施例通过先确定待测试样块21的固有频率，然后结合该固有频率和待测试样块21的结构参数计算得到待测试样块21的弹性模量，计算方式简单，可以大大降低弹性模量测试的难度，从而提高本申请实施例提供的弹性模量的测试方法测试效率。

请参见图8，在本申请的一个可选实施例中，若待测试样块21包括多个固有频率，步骤702包括如下步骤801-步骤802：

步骤801、控制组件根据每个固有频率和对应的阶数确定每个固有频率的特征系数。

若待测试样块21具有多阶振动模态，每阶振动模态对应有一个固有频率，每个固有频率对应一个模态系数，本实施例中每个固有频率的特征系数即为该阶振动模态对应的模态系数。当振动模态或者固有频率的阶数确定后，其模态系数也随之确定，控制组件400得到待测试模块的多个固有频率后，通过查表、历史经验数据、相关工具书或者物理计算等均可得到该阶固有频率的对应的特征系数。

步骤802、控制组件根据结构参数、每个固有频率、与固有频率对应的特征系数确定待测试样块每阶的弹性模量。

控制组件400在得到待测试样块21的结构参数、多个固有频率、以及与固有频率对应的特征系数，可以通过如下公式(2)计算得到待测试样块21每阶的弹性模量：

(2)式中，E_n为待测试样块21的第n阶振动模态对应的弹性模量，ρ为待测试样块21的密度，L为待测试样块21的长度，e为待测试样块21的厚度，f_n为第_n阶振动模态的固有频率，C_n为第n阶振动模态对应的特征系数。

本申请实施例针对多阶振动模态的待测试样块21分别进行弹性模量的确定，针对性更强，可以有效提高本申请实施例提供的弹性模量的测试方法精准性和适用性。

应该理解的是，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种弹性模量测试装置，其特征在于，包括：

底座，用于固定待测试样块；

施力组件，用于向所述待测试样块施加一激励信号；

多个振动传感组件，用于采集所述待测试样块在所述激励信号的激励下产生的振动信号；

控制组件，分别与所述施力组件和所述多个振动传感组件信号连接，所述控制组件用于根据所述激励信号、所述振动信号和所述待测试样块的结构参数确定所述待测试样块的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的弹性模量测试装置，其特征在于，所述底座开设有一插口，所述插口用于固定所述待测试样块。

3.根据权利要求2所述的弹性模量测试装置，其特征在于，还包括：

紧固件，设置于所述插口，所述紧固件用于固定所述待测试样块。

4.根据权利要求1所述的弹性模量测试装置，其特征在于，所述多个振动传感组件间隔设置于所述待测试样块表面，且所述多个振动传感组件的设置位置与所述待测试样块的振型节点相间隔。

5.根据权利要求1所述的弹性模量测试装置，其特征在于，所述振动传感组件的质量小于所述待测试样块质量的1％。

6.根据权利要求1所述的弹性模量测试装置，其特征在于，所述施力组件为冲击力锤或激振器。

7.一种弹性模量测试系统，其特征在于，包括：

所述待测试样块和如权利要求1-6任一项所述的弹性模量测试装置。

8.一种弹性模量的测试方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的弹性模量测试装置，所述方法包括：

获取所述施力组件向所述待测试样块施加的所述激励信号；

获取所述多个振动传感组件采集到的所述待测试样块在所述激励信号的激励下产生的所述振动信号；

获取所述待测试样块的所述结构参数，其中，所述结构参数至少包括：密度、长度和厚度；

根据所述激励信号、所述振动信号和所述结构参数确定所述待测试样块的弹性模量。

9.根据权利要求8所述的弹性模量的测试方法，其特征在于，所述根据所述激励信号、所述振动信号和所述结构参数确定所述待测试样块的弹性模量，包括：

根据所述激励信号和所述振动信号确定所述待测试样块的固有频率；

根据所述固有频率和所述结构参数确定所述待测试样块的所述弹性模量。

10.根据权利要求9所述的弹性模量的测试方法，其特征在于，若所述待测试样块包括多个固有频率，所述根据所述固有频率和所述结构参数确定所述待测试样块的所述弹性模量，包括：

根据每个所述固有频率和对应的阶数确定每个所述固有频率的特征系数；

根据所述结构参数、每个所述固有频率、与所述固有频率对应的所述特征系数确定所述待测试样块每阶的弹性模量。

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