CN113484144B - 一种开放式多场耦合测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开放式多场耦合测试系统，包括依次叠放在开放式框架内的压力传感器、水冷板、热流测量极、冷极、热极、热源和隔热保护板，及其上方的承重台、步进电机及丝杆，与它们连接的主机、冷却水循环机、直流稳压电源、数字源表。待测材料试样放置于冷极和热极之间，在热流测量极、冷极、热极靠近上下两端设有热电偶测量温度。该测试系统集热、电、力等多场耦合加载功能和性能测试于一体，能够实现多场耦合作用下功能材料和智能材料力学、电学、热学等性能参数的测试，不仅可以测试平面试样，还可以测试曲面等异形试样，冷极、热极、热源等部件设计灵活，更换方便，同时可以兼容红外热成像、数字标记点图像测量等其他实验技术。

Description

一种开放式多场耦合测试系统
技术领域
本发明涉及材料测试技术，特别涉及一种多场耦合测试系统，测量多物理场耦合作用下的材料力学、电学和热学等基本性能参数。
背景技术
随着材料科学技术的不断发展，导电、导热、压电、光电、热电、磁电、形状记忆等功能材料和智能材料已经逐渐应用于电子信息、能源交通、生物医疗、航空航天等众多领域。这些材料在服役过程中，常常遇到温度变化、电压载荷、承受外力等复杂的工作环境，如果在产品设计和应用时，直接使用现有数据库及工程手册中的材料参数或者在常规条件下测得的材料参数，不考虑外界环境的作用影响，容易导致设计不合理、性能不达标、寿命降低甚至结构失效等严重问题。测量力场、电场、热场、光场、磁场、声场等多物理场耦合作用下的材料力学、电学和热学等基本性能参数，是评价材料服役行为、提供准确工程设计参数的关键，对于功能材料和智能材料及其相关产品的结构优化、性能提升、稳定工作、避免损坏和失效具有重要价值。
传统测试设备及测试方法由于测试目的较为单一，除了恒温等部分加载装置外，很少配置多个物理场的加载装置，难以实现多场耦合作用下材料力学、电学、热学等基本性能参数的测量，同时经典的实验技术理论也很少涉及到多个物理场耦合的情况。多场耦合问题的研究具有多样化、针对性和难度大的特点：一方面需要考虑导电、导热、压电、形状记忆等材料自身的粘弹性等特性，另一方面还要考虑所承受的高温、高压、振动、冲击、电流等环境因素的影响。
目前多场耦合测试仍然以经典的实验技术理论和测试方法为基础，这些方法经过了多年的发展和实践检验，形成了国际和国家测试标准，积累了丰富的数据，具有极高的可靠性和参照性。多场耦合问题的研究以经典理论和实验为基础，能够更好地进行测试系统及测试方法的优化改进和应用推广，融入到现有的工程设计体系中，提供满足需求、切实有用的数据。近年来，以传统的拉伸、压缩和纳米压痕等实验方法为基础，通过在材料万能试验机、纳米压痕仪等设备上集成多场加载装置和测试部件，已经可以开展力电热磁等多场耦合测试，不断推动着多场耦合问题的解决和技术发展。然而这些设备体积较大、结构复杂、操作要求高，为了减少测试环境的干扰，多场加载装置和测试部件大多为封闭式，虽然可以提高测试的精确度，但是不利于功能模块的丰富多样、优化改进和灵活组装，以及其他实验技术的配合使用，在一定程度上限制了多场耦合测试的范围和极限。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种开放式的多场耦合测试系统，集热、电、力等多场耦合加载功能和性能测试于一体。
本发明的技术方案如下：
一种开放式多场耦合测试系统，包括主机、压力传感器、水冷板、热流测量极、冷却水循环机、冷极、热极、热源、直流稳压电源、数字源表、隔热保护板、丝杆、步进电机、承重台，其中：压力传感器、水冷板、热流测量极、冷极、热极、热源和隔热保护板由下至上依次叠放在一个开放式框架内，待测材料试样放置于冷极和热极之间；承重台设置在隔热保护板上方，所述步进电机固定在承重台上；步进电机控制丝杆的移动，通过丝杆的下端面对隔热保护板施加向下的压力；所述压力传感器通过数据线连接主机，用于实时测量压力数据的变化；所述水冷板固定在压力传感器上，与冷却水循环机相连，通过冷却水循环机调控水冷板的温度；所述热流测量极、冷极和热极均为实心块体，热流测量极的下端温度由水冷板控制，所述冷极的下端面与热流测量极的上端面粘接；待测材料试样夹在冷极和热极之间，冷极的上端面和热极的下端面与试样的形状匹配；热极的上端面与热源粘接，热源通过电线与直流稳压电源相连，通过控制直流稳压电源提供的电压来调控热源的功率；在热流测量极、冷极、热极靠近上下两端的位置均设有热电偶，分别通过测温线与主机相连，实时测量和保存温度数据；冷极和热极分别通过电线连接直流稳压电源或数字源表，通过直流稳压电源或数字源表调控电压，实现对试样的电场加载；同时，冷极和电极分别连接数字源表，通过数字源表对电流、体积电阻率进行实时测量和计算。
为了使整个开放式多场耦合测试系统的结构更为紧凑，所述开放式框架设置在主机上方，由固定长螺杆配合螺母固定所述承重台构成。优选的，在主机周边固定四根垂直的固定长螺杆，所述承重台的四角设有孔，穿在固定长螺杆上，利用螺母将承重台移动到合适位置后牢牢地固定住。
上述开放式多场耦合测试系统中，所述压力传感器优选采用平板式或轮辐式拉压力传感器，通过数据线与主机相连。所述压力传感器可以使用螺丝机械固定在主机上方。
优选的，所述水冷板采用内嵌冷却水通道的高热导率纯铜制造，使用螺丝机械固定在压力传感器上方，通过进水管和出水管与冷却水循环机相连，通过冷却水循环机控制冷却水的温度，进而调控水冷板的温度。
所述热流测量极优选为SUS304不锈钢制造的实心块体，通过导热硅脂粘接在水冷板上，通过水冷板的温度控制，实现对热流测量极下端的温度控制。
优选的，所述冷极和热极为高热导率和高电导率紫铜制造的实心块体，所述热源采用氧化铝陶瓷加热片，冷极的下端面通过绝缘导热硅脂粘接在热流测量极上，热源通过绝缘导热硅脂粘接在热极上。试样夹在冷极和热极之间，对于刚性较大和表面粗糙的试样，可以在试样上端和下端涂覆导电导热硅脂，分别与冷极和热极进行粘接。相比于传统的平板法，本发明的开放式多场耦合测试系统不仅可以测试平面试样，还可以测试曲面等异形试样，只需要将冷极上端和热极下端设计制造成与试样匹配的形状，冷极和热极部件的更换也非常简单、方便和快速。
优选的，在热流测量极、冷极、热极靠近上下两端的位置打孔并埋入六根热电偶，通过测温线将热电偶与主机相连，实时测量和保存温度数据。由于开放式的设计，方便使用红外热成像等技术实现温度场数据的实时测量。然后根据经典的热导率和热流密度计算公式：热流密度＝热导率×(试样上端温度-试样下端温度)/试样的厚度)，可以得到试样的热学性能。
通过调控冷极和热极的电压，实现对试样的电场加载，同时通过数字源表和电流-电压法对电流、体积电阻率的实时测量和计算，实现对试样电学性能的实时测量。
通过调控丝杆的移动，实现对试样的力场加载，同时通过压力传感器对压力-位移曲线的实时测量和计算，实现对试样力学性能的实时测量。
优选的，所述隔热保护板采用环氧树脂板制造，通过环氧胶粘接在热源的上方。隔热保护板一方面起到缓冲的作用，避免热源和丝杆受损，另一方面起到隔热的效果，避免热源的热量从上端流失。所述步进电机优选大扭矩贯通丝杆型步进电机，使用螺丝机械固定在承重台上面。
本发明的开放式多场耦合测试系统通过直流稳压电源的电压控制热源的功率，实现热场的加载；通过数字源表或直流稳压电源为试样两端的冷极和热极提供电压，实现电场的加载；通过步进电机的转速控制丝杆的移动，根据步进电机的扭矩和丝杆直径为克服丝杆移动阻力所提供的动力，实现力场的加载。这些设备相互之间没有制约和干扰，可以同时进行热、电、力的多场耦合加载。通过热电偶温度数据的实时测量，可以实现热学性能的实时测量；通过丝杆的移动速度和压力传感器的压力-位移曲线实时测量，可以实现力学性能的实时测量；通过数字源表电流、电阻数据的实时测量，可以实现电学性能的实时测量。这些测试设备在工作时与加载设备没有冲突，测量精度和准确度不会受到多场耦合作用的影响。
本发明是集热、电、力等多场耦合加载功能和性能测试于一体的开放式测试系统，能够实现多场耦合作用下功能材料和智能材料力学、电学、热学等性能基本参数的测试，相对于以往多场耦合测试系统，具有极高的开放性，不仅可以测试平面试样，还可以测试曲面等形状多样的异形试样，冷极、热极、热源等部件设计灵活、尺寸限制少、更换简单方便快速，多场耦合加载和测试更加方便直观，同时可以兼容红外热成像、数字标记点图像测量等其他实验技术在本发明的测试系统上使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的开放式多场耦合测试系统的结构示意图，其中：1-主机，2-压力传感器，3-水冷板，4-冷却水循环机，5-热流测量极，6-冷极，7-试样，8-热极，9-热电偶，10-热源，11-直流稳压电源，12-数字源表，13-隔热保护板，14-丝杆，15-步进电机，16-承重台，17-固定长螺杆，18-螺母。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明的开放式多场耦合测试系统。
如图1所示，该开放式多场耦合测试系统包括：主机1、压力传感器2、水冷板3、冷却水循环机4、热流测量极5、冷极6、热极8、热电偶9、热源10、直流稳压电源11、数字源表12、隔热保护板13、丝杆14、步进电机15、承重台16，其中：
1)主机1集成显示面板、调控按键、数据采集、数据处理、信号反馈、电路控制等功能模块，用于设置和调控温度、电压和加载速度等参数，以及实时测量和保存应力、温度和电流等数据。
2)压力传感器2采用平板式或轮辐式拉压力传感器，通过数据线与主机1相连，使用螺丝机械固定在主机1上方，用于实时测量压力数据的变化。
3)水冷板3采用内嵌冷却水通道的高热导率纯铜制造，使用螺丝机械固定在压力传感器2上方，通过进水管和出水管与冷却水循环机4相连，通过冷却水循环机4控制冷却水的温度，进而调控水冷板3的温度。热流测量极5为SUS304不锈钢制造的实心块体，尺寸原则上不受限制，下面以横截面为2cm×2cm的正方形、高度2cm的块体为例，通过导热硅脂粘接在水冷板3上；通过水冷板3的温度控制，实现对热流测量极5下端的温度控制。
4)冷极6为高热导率和高电导率紫铜制造的实心块体，横截面为2cm×2cm的正方形，上下端之间的最低高度为2cm，下端为平面，通过绝缘导热硅脂粘接在热流测量极5上，上端与试样7的形状一致。试样7夹在冷极6和热极8之间，试样厚度0.1mm-10mm，形状多样。对于刚性较大和表面粗糙的试样，在试样上端和下端涂覆导电导热硅脂，分别与冷极6和热极8进行粘接。相比于传统的平板法，本发明不仅可以测试平面试样，还可以测试曲面等异形试样，只需要将冷极6上端和热极8下端设计制造成与试样7匹配的形状，冷极6和热极8部件的更换也非常简单、方便和快速。
5)热极8为高热导率和高电导率紫铜制造的实心块体，横截面为2cm×2cm的正方形，上下端之间的最低高度为2cm，上端为平面，下端与试样7的形状一致；在热流测量极5、冷极6、热极8靠近上下两端的位置打孔并埋入A、B、C、D、E、F六根热电偶9，通过测温线与主机1相连，实时测量和保存温度数据；热源10采用氧化铝陶瓷加热片，横截面尺度大于2cm×2cm(建议3cm×3cm，厚度1-2mm)，电阻1-100Ω，通过绝缘导热硅脂粘接在热极8的上方，通过电线与直流稳压电源11相连，通过控制直流稳压电源11提供的电压来调控热源10的功率，实现热场的加载，通过热电偶9实现温度数据的实时测量。由于开放式的设计，方便使用红外热成像等技术实现温度场数据的实时测量。
6)利用经典的热导率和热流密度计算公式(热流密度＝热导率×(试样上端温度-试样下端温度)/试样的厚度)，可以得到试样7的热学性能，具体是：根据热流测量极5(SUS304不锈钢)已知的不同温度对应的热导率(比如20℃时12.1W·m-1·K-1，100℃时16.3W·m-1·K-1)、热电偶E和F的温度值、横截面积(2cm×2cm)，可以计算出实验过程中的热流密度；根据热电偶A、B、C、D的温度值，按照温度线性变化计算出试样7上端和试样7下端的温度，结合热流密度、横截面积、试样厚度，可以计算界面总热阻和试样7的热导率，通过温度的实时测量实现多场耦合作用下热学性能的实时测量。
7)将冷极6和热极8通过电线连接直流稳压电源11或数字源表12，通过直流稳压电源11或数字源表12调控电压，实现对试样7的电场加载，通过数字源表12和电流-电压法对电流、体积电阻率的实时测量和计算，实现多场耦合作用下电学性能的实时测量。
8)隔热保护板13采用环氧树脂板制造，横截面尺寸与热源10一致，高度5mm，通过环氧胶粘接在热源10的上方，一方面保护热源10和丝杆14，起到缓冲的作用，另一方面起到隔热的效果，避免热源10的热量从上端流失；步进电机15选用大扭矩贯通丝杆型，使用螺丝机械固定在承重台16上面，主机1周边固定四根垂直的固定长螺杆17，利用螺母18将承重台16移动到合适位置后牢牢地固定住；
9)通过步进电机15的转速(0-10000rad/min)来调控丝杆14的移动速度(0-1000mm/min)，位移＝移动速度×时间。丝杆14在移动时所受到的阻力等效于施加在试样7上的压力，压力加载极限由步进电机15施加在丝杆14上的扭矩极限和丝杆14的直径决定。通过丝杆14的往复伸缩运动，还可以实现疲劳加载；结合压力传感器2实时测量压力数据，通过实时测量的压力-位移曲线，实现多场耦合作用下压缩模量、屈服强度等力学性能的实时测量。由于开放式设计，方便使用数字标记点图像测量等技术测量力学性能。
10)由于力场的加载由步进电机15提供，热场的加载由热源10提供，电场的加载由数字源表12或直流稳压电源11提供，相互之间没有制约和干扰，可以同时进行热场、电场和力场的耦合加载；同时，力学性能的测量主要依靠丝杆14的移动速度和压力传感器2所提供的实时压力-位移曲线，热学性能的测量主要依靠热电偶9提供的实时温度数据，电学性能的测量主要依靠数字源表12提供的实时电流和电阻数据，这些测量设备在工作时与加载设备没有冲突，测量精度和准确度不会受到多场耦合作用的影响；因此本发明的多场耦合测试系统能够有效地实现热、电、力等多场耦合作用下材料力学、电学和热学性能的测试。
本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开放式多场耦合测试系统，包括主机、压力传感器、水冷板、热流测量极、冷却水循环机、冷极、热极、热源、直流稳压电源、数字源表、隔热保护板、丝杆、步进电机、承重台，其中：压力传感器、水冷板、热流测量极、冷极、热极、热源和隔热保护板由下至上依次叠放在一个开放式框架内，待测材料试样放置于冷极和热极之间；承重台设置在隔热保护板上方，所述步进电机固定在承重台上；步进电机控制丝杆的移动，通过丝杆的下端面对隔热保护板施加向下的压力；所述压力传感器通过数据线连接主机，用于实时测量压力数据的变化；所述水冷板固定在压力传感器上，与冷却水循环机相连，通过冷却水循环机调控水冷板的温度；所述热流测量极、冷极和热极均为实心块体，热流测量极的下端温度由水冷板控制，所述冷极的下端面与热流测量极的上端面粘接；待测材料试样夹在冷极和热极之间，冷极的上端面和热极的下端面与试样的形状匹配；热极的上端面与热源粘接，热源通过电线与直流稳压电源相连，通过控制直流稳压电源提供的电压来调控热源的功率；在热流测量极、冷极、热极靠近上下两端的位置均设有热电偶，分别通过测温线与主机相连，实时测量和保存温度数据；冷极和热极分别通过电线连接直流稳压电源或数字源表，通过直流稳压电源或数字源表调控电压，实现对试样的电场加载；同时，冷极和电极分别连接数字源表，通过数字源表对电流、体积电阻率进行实时测量和计算。
2.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述开放式框架设置在主机上方，由固定长螺杆配合螺母固定所述承重台构成。
3.如权利要求2所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，在主机周边固定四根垂直的固定长螺杆，所述承重台的四角设有孔，穿在固定长螺杆上，利用螺母将承重台固定住。
4.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述压力传感器为平板式或轮辐式拉压力传感器。
5.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述水冷板为内嵌冷却水通道的高热导率纯铜制造的水冷板，通过螺丝机械固定在压力传感器上方，通过进水管和出水管与冷却水循环机相连。
6.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述热流测量极为不锈钢实心块体，通过导热硅脂粘接在水冷板上。
7.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述冷极和热极为紫铜制造的实心块体，所述热源为氧化铝陶瓷加热片，冷极的下端面通过绝缘导热硅脂粘接在热流测量极上，热源通过绝缘导热硅脂粘接在热极上。
8.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述隔热保护板为环氧树脂板，通过环氧胶粘接在热源的上方。
9.如权利要求1所述的开放式多场耦合测试系统，其特征在于，所述步进电机为大扭矩贯通丝杆型步进电机，使用螺丝机械固定在承重台上面。
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