CN113686677B - 一种生物质材料内应力的实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物质材料内应力的实时测量装置及方法，生物质材料内应力的实时测量装置包括支撑架、力学试验机和密封舱，力学试验机设置于支撑架的上部。密封舱设置于支撑架的下部，且位于力学试验机的下方，密封舱的内部形成有密封腔。通过活塞与安装口的内壁密封配合，在保证密封的前提下，使得力学试验机的上压头可以上下自由活动，并且由于力学试验机的应力传感器放置于密封舱的外面，所以可以在密封舱内进行湿度、温度的变化；并且可以对密封舱内的生物质材料样品进行持续加压保证样品的尺寸固定，并且施加的力也可由力学试验机的应力传感器进行读取，从而可以实时且准确计算被测样品的内应力。

Description

一种生物质材料内应力的实时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及检测设备领域，尤其涉及一种生物质材料内应力的实时测量装置及方法。

背景技术

木材、竹材、藤材以及棕榈等天然生物质材料具有多变性和复杂性，因其组分的吸湿解吸、热软化特性而具有结构尺寸不稳定、变形易恢复等特点，其尺寸和形状容易受外部环境载荷、温度和湿度的变化而产生变化，这主要是由于生物质材料的内应力发生了变化，这给生物质材料的应用带来了许多困难与不便。

生物质材料在环境湿度发生变化时，因为在其厚度方向上含水率不均匀，会产生内应力，并且生物质材料在结构上通常具有各向异性，因此弦向干缩/湿胀和径向干缩/湿胀的不同也会产生内应力。目前关于干燥应力主要有以下几种研究方法：一是叉齿试验法，二是切片法，三是瓦弯法，四是声发射法。叉齿试验法和切片法测试程序繁琐，测试次数有限，测定值不连续，不能实时监测。瓦弯法很难修正试件翘曲挠度与实际情况的差异，也无法实时接收试件挠度的变化程度。声发射法虽然可以连续测定/推测干燥应力，但它是一种非常间接的测量方法。目前的应力测试装置主要是在常温常压下进行的，主要原因是数据传输线和应力传感器不能耐高温高压，不能放在密封舱内导致环境造成的载荷变化无法准确计算及修正。处理干燥应力的时间通常依靠人的经验而决定，因此需要一种能在高温高湿环境下进行的应力检测装置。

生物质材料不仅本身具有干缩湿胀的特性，并且在受到外界载荷而发生尺寸变化后，会有一定程度的回弹，要想对生物质材料进行永久的变形固定，需要释放其内应力。一般分为化学和物理两类方法：化学方法包括气相或液相化学处理的交联反应。化学方法释放生物质材料内应力的成本高、工艺复杂、不环保，不清楚内应力释放的过程。物理方法中的湿热处理法目前只能关注到塑性变形固定的最终条件，因为不能实时检测到生物质材料的内应力变化，因此需要进行长时间的湿热处理，导致材料的强度损失严重。

发明内容

本发明提供一种生物质材料内应力的实时测量装置，用以解决现有检测技术无法实时且准确计算生物质材料内应力变化的问题。

本发明提供一种生物质材料内应力的实时测量装置，包括：

支撑架；

力学试验机，所述力学试验机设置于所述支撑架的上部；

密封舱，所述密封舱设置于所述支撑架的下部，且位于所述力学试验机的下方，所述密封舱的内部形成有密封腔，所述密封舱的顶部设置有与所述密封腔连通的安装口，所述安装口的内部设置有活塞杆，所述活塞杆的外周面设置有与所述安装口的内壁密封配合的活塞，所述活塞杆的上端与所述力学试验机连接，所述活塞杆的下端设置有上压头，所述密封腔的底部设置有与所述上压头对应的下压头，所述密封舱内设置有气压传感器。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述密封舱内设置有加热装置，所述加热装置为红外加热灯管或电偶加热管。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，还包括湿度控制装置，所述湿度控制装置包括干湿气体发生器、气体收集箱、进气管和出气管，所述密封舱设置有与所述密封腔连通的进气口和出气口，所述干湿气体发生器通过所述进气管与所述进气口连通，所述气体收集箱通过所述出气管与所述出气口连通。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述密封舱内还设置有温湿度传感器。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述活塞的外周面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有活塞环密封圈。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述安装口远离所述密封腔一端的端口设置有密封防尘组件，所述密封防尘组件包括密封圈、压环、防尘圈和防尘圈压环，所述密封圈套设于所述活塞杆的外周面，并与设置于所述安装口内壁的环形台阶抵接；所述压环与所述密封圈抵接，并与所述安装口的内壁螺纹连接；所述防尘圈套设于所述活塞杆的外周面，且位于所述压环内，所述防尘圈压环套设于所述活塞杆的外周面，并与所述防尘圈抵接，所述防尘圈压环与所述压环连接。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述密封防尘组件还包括导向套，所述导向套套设于所述活塞杆的外周面，并分别与所述密封圈和所述压环抵接。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述密封舱还设置有观察窗。

根据本发明提供的一种生物质材料内应力的实时测量装置，所述支撑架包括底座、支撑杆和连接装置，所述密封舱设置于所述底座的上部，所述支撑杆的下端与所述底座连接，所述支撑杆的上端与所述力学试验机连接，所述密封舱通过连接装置与所述支撑杆连接。

本发明还提供一种生物质材料内应力的实时测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

通过控制力学试验机的活塞杆下降挤压样品，使所述样品的高度维持在预定高度；

计算密封腔内的气压变化对上压头产生的作用力F_p；

获取T₀时刻力学试验机施加的作用力F₀；

计算T₀时刻所述样品的内应力释放值为F₀+f-F_p，其中f为活塞受到的静摩擦力。

本发明提供的生物质材料内应力的实时测量装置，通过活塞与安装口的内壁密封配合，在保证密封的前提下，使得力学试验机的上压头可以上下自由活动，并且由于力学试验机的应力传感器放置于密封舱的外面，所以可以在密封舱内进行湿度、温度的变化；并且可以对密封舱内的生物质材料样品进行持续加压保证样品的尺寸固定，并且施加的力也可由力学试验机的应力传感器进行读取，从而可以实时且准确计算被测样品的内应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的生物质材料内应力的实时测量装置的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大结构示意图；

图3是图1中B处的局部放大结构示意图。

附图标记：

1、密封舱；2、加热装置；3、连接装置；4、观察窗；5、气体收集箱；6、出气管；7、进气管；8、干湿气体发生器；9、气压传感器；10、力学试验机；11、密封圈；12、导向套；13、压环；14、防尘圈；15、防尘圈压环；16、活塞环密封圈；17、活塞；18、活塞杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图3描述本发明的生物质材料内应力的实时测量装置及方法。

图1示例了本发明提供的生物质材料内应力的实时测量装置的结构示意图，如图1所示，生物质材料内应力的实时测量装置包括支撑架、力学试验机10和密封舱1，力学试验机10设置于支撑架的上部。密封舱1设置于支撑架的下部，且位于力学试验机10的下方，密封舱1的内部形成有密封腔，密封腔为试验提供一个密闭的空间。密封舱1的顶部设置有与密封腔连通的安装口，安装口的内部设置有活塞杆18，活塞杆18的外周面设置有与安装口的内壁密封配合的活塞17，活塞杆18的上端与力学试验机10连接，活塞杆18的下端设置有上压头。密封腔的底部设置有与上压头对应的下压头，密封舱1内设置有气压传感器9。力学试验机10设置有应力传感器，应力传感器用于检测力学试验机10输出的压力。由于应力传感器设置于密封舱1的外部，不会受到密封腔内的高温、高压的影响。

本发明提供的生物质材料内应力的实时测量装置，通过活塞17与安装口的内壁密封配合，在保证密封的前提下，使得力学试验机10的上压头可以上下自由活动，并且由于力学试验机10的应力传感器放置于密封舱1的外面，所以可以在密封舱1内进行湿度、温度的变化；并且可以对密封舱1内的生物质材料样品进行持续加压保证样品的尺寸固定，并且施加的力也可由力学试验机10的应力传感器进行读取，从而可以实时且准确计算被测样品的内应力。

在本发明的实施例中，密封舱1内设置有加热装置2，加热装置2为红外加热灯管或电偶加热管。设置加热装置2可对密封腔内的温度进行调节，以便对样品进行湿热处理。当然，加热装置2的类型并不限定于此，加热装置2还可以为加热丝或者加热片等加热装置2。为了精确控制加热装置2，密封腔内还设置有温度传感器。

在本发明的实施例中，生物质材料内应力的实时测量装置还包括湿度控制装置，湿度控制装置包括干湿气体发生器8、气体收集箱5、进气管7和出气管6，密封舱1设置有与密封腔连通的进气口和出气口，干湿气体发生器8通过进气管7与进气口连通，气体收集箱5通过出气管6与出气口连通。干湿气体发生器8可对密封腔内进行湿度调节，通过与加热装置2以及密封舱1配合，可用于测试生物质材料样品在不同湿度和/或温度等外界环境条件下内应力的变化。能够得出不同的温度和/或湿度对生物质材料样品内应力变化的影响，从而可以用于研究温度、过热蒸汽压力和介质组成对生物质材料样品塑性变形永久固定的作用机理。使用过程中通过干湿气体发生器8与气体收集箱5配合，能够保证调节过程中密封腔内气体的流动性和气压的稳定性。

在本发明的实施例中，密封舱1内还设置有温湿度传感器，温湿度传感器用于检测密封舱1内的温度和湿度，从而实现对密封舱1内的温度和湿度进行精确控制，提高试验的精度。

在本发明的实施例中，图3示例了图1中B处的局部放大结构示意图，如图3所示，活塞17的外周面设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有活塞环密封圈16。活塞17通过活塞环密封圈16与安装口的内壁密封配合，活塞环密封圈16具有耐高温和耐高压的性能，以适应密封舱1内较大的温湿度变化。通过活塞17与安装口的内壁密封配合，既能保证上压头可以上下自由活动，又能保证密封舱1的气密性。

在本发明的实施例中，图2示例了图1中A处的局部放大结构示意图，如图2所示，安装口远离密封腔一端的端口设置有密封防尘组件，密封防尘组件包括密封圈11、压环13、防尘圈14和防尘圈压环15，密封圈11套设于活塞杆18的外周面，并与设置于安装口内壁的环形台阶抵接。压环13与密封圈11抵接，并与安装口的内壁螺纹连接。防尘圈14套设于活塞杆18的外周面，且位于压环13内。防尘圈压环15套设于活塞杆18的外周面，并与防尘圈14抵接，防尘圈压环15与压环13连接。设置密封圈11可进行二次密封，进一步提高密封舱1的气密性。设置防尘圈14可阻挡灰尘进入，避免划伤活塞杆18。防尘圈压环15用于对防尘圈14进行限位，防止在活塞杆18移动过程中防尘圈14发生移动。防尘圈压环15与压环13可以螺纹连接，也可将防尘圈压环15直接嵌入于压环13内。

在本发明的实施例中，密封防尘组件还包括导向套12，导向套12套设于活塞杆18的外周面，并分别与密封圈11和压环13抵接。导向套12用于对活塞杆18的运动起导向作用，防止活塞杆18运动过程中发生匡动，提高活塞杆18的运动精度。

在本发明的实施例中，生物质材料内应力的实时测量装置还包括控制开关，控制开关与加热装置2电连接，控制开关用于控制加热装置2的工作数量和功率大小，从而实现对密封腔内的温度进行精确控制。

在本发明的实施例中，密封舱1还设置有观察窗4，设置观察窗4的目的在于方便操作人员实时了解密封舱1内的情况，从而更好的进行控制。

在本发明的实施例中，支撑架包括底座、支撑杆和连接装置3，底座用于提供安装基础，密封舱1设置于底座的上部，支撑杆的下端与底座连接，支撑杆的上端与力学试验机10连接，连接装置3为不锈钢卡扣，密封舱1通过不锈钢卡扣与支撑杆连接。

在本发明的实施例中，如图1至图3所示，生物质材料内应力的实时测量装置包括支撑架、力学试验机10、密封舱1和湿度控制装置，支撑架包括底座、支撑杆和连接装置3。密封舱1设置于底座的上部，且位于力学试验机10的下方，支撑杆的下端与底座连接，支撑杆的上端与力学试验机10连接，连接装置3为不锈钢卡扣，密封舱1通过不锈钢卡扣与支撑杆连接。力学试验机10位于密封舱1的正上方，力学试验机10设置有应力传感器，应力传感器用于检测力学试验机10输出的压力。密封舱1的内部形成有密封腔，密封腔为试验提供一个密闭的空间。密封舱1的顶部设置有与密封腔连通的安装口，安装口的内部设置有活塞杆18，安装口的轴线与活塞杆18的轴线为同一直线。活塞杆18的外周面设置有与安装口的内壁密封配合的活塞17，活塞17的外周面设置有多个环形凹槽，多个环形凹槽沿着竖直方向间隔布置，每个环形凹槽内设置有活塞环密封圈16，活塞环密封圈16与安装口的内壁密封配合。活塞环密封圈16具有高温和耐高压的性能，以适应密封舱1内较大的温湿度变化。活塞杆18的上端与力学试验机10连接，活塞杆18的下端设置有上压头，密封腔的底部设置有与上压头对应的下压头。

密封舱1设置有观察窗4，密封舱1内设置有气压传感器9和加热装置2，气压传感器9用于检测密封腔内的气压值，温湿度传感器用于检测密封腔内的空气温度及空气湿度，加热装置2用于对密封腔内的温度进行调节，加热装置2为红外加热灯管或电偶加热管。

湿度控制装置包括干湿气体发生器8、气体收集箱5、进气管7和出气管6，密封舱1设置有与密封腔连通的进气口和出气口，干湿气体发生器8通过进气管7与进气口连通，气体收集箱5通过出气管6与出气口连通。干湿气体发生器8可对密封腔内进行湿度调节，通过与加热装置2以及密封舱1配合，可用于测试生物质材料样品在不同湿度和/或温度等外界环境条件下内应力的变化。

安装口远离密封腔一端的端口设置有密封防尘组件，密封防尘组件包括密封圈11、压环13、导向套12、防尘圈14和防尘圈压环15，密封圈11套设于活塞杆18的外周面，并与设置于安装口内壁的环形台阶抵接。导向套12套设于活塞杆18的外周面，并与密封圈11抵接。压环13与导向套12抵接，并与安装口的内壁螺纹连接。防尘圈14套设于活塞杆18的外周面，且位于压环13内。防尘圈压环15套设于活塞杆18的外周面，并与防尘圈14抵接，防尘圈压环15与压环13连接。

本发明还提供一种生物质材料内应力的实时测量方法，测量方法包括以下步骤：

步骤100，通过控制力学试验机的活塞杆下降挤压样品，使样品的高度维持在预定高度。

控制力学试验机的活塞杆下降，活塞杆带动上压头向下运动，使得样品被夹持于上压头与下压头之间，当样品的高度达到预定高度时，上压头不再运动，使得样品的高度维持在预定高度，预定高度具体根据样品的类型及实际压缩需求进行确定。

步骤200，计算密封腔内的气压变化对上压头产生的作用力F_p；

在执行步骤220之前，还可执行以下步骤：

步骤110，向密封腔输入气体，改变密封腔内的湿度；

步骤120，通过加热装置改变密封腔内的温度；

上述步骤110和步骤120可以单独执行，也可同时执行，也可两个步骤均不执行。通过执行上述步骤110和步骤120可对样品进行湿热处理，使得样品的内应力释放。

由于力学试验机的压头上下运动、向密封腔内通入湿空气、加热等都会造成密封腔内的气压发生变化，因此需要计算密封腔内的气压变化对上压头产生的作用力F_p。通过气压传感器可以读出压力变化值△P，设上压头的截面积为S，则密封舱内压力变化对压头的产生的作用力F_p＝△P/S。

步骤300，获取T₀时刻力学试验机施加的作用力F₀；

力学试验机施加的作用力F在T时间内的变化，可通过力学试验机的应力传感器实时读取，这里将T₀时刻力学试验机施加的作用力记作F₀。

步骤400，计算T₀时刻样品的内应力释放值为F₀+f-F_p，其中f为活塞受到的静摩擦力。

活塞的静摩擦力f＝μ×N，μ为静摩擦系数，为两个接触材料的固有属性，N为活塞对安装口内壁的压力。活塞对安装口内壁的压力与其运动方向相垂直，即使密封舱内气压发生变化活塞对安装口内壁的压力也不会发生变化，因此静摩擦力f是一个定值，可以在活塞装置安装于密封舱之前测得。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，包括：

支撑架；

力学试验机，所述力学试验机设置于所述支撑架的上部；

密封舱，所述密封舱设置于所述支撑架的下部，且位于所述力学试验机的下方，所述密封舱的内部形成有密封腔，所述密封舱的顶部设置有与所述密封腔连通的安装口，所述安装口的内部设置有活塞杆，所述活塞杆的外周面设置有与所述安装口的内壁密封配合的活塞，所述活塞杆的上端与所述力学试验机连接，所述活塞杆的下端设置有上压头，所述密封腔的底部设置有与所述上压头对应的下压头，所述密封舱内设置有气压传感器；所述密封舱内设置有加热装置，所述加热装置为红外加热灯管或电偶加热管；

湿度控制装置，所述湿度控制装置包括干湿气体发生器、气体收集箱、进气管和出气管，所述密封舱设置有与所述密封腔连通的进气口和出气口，所述干湿气体发生器通过所述进气管与所述进气口连通，所述气体收集箱通过所述出气管与所述出气口连通；

所述安装口远离所述密封腔一端的端口设置有密封防尘组件，所述密封防尘组件包括密封圈、压环、防尘圈和防尘圈压环，所述密封圈套设于所述活塞杆的外周面，并与设置于所述安装口内壁的环形台阶抵接；所述压环与所述密封圈抵接，并与所述安装口的内壁螺纹连接；所述防尘圈套设于所述活塞杆的外周面，且位于所述压环内，所述防尘圈压环套设于所述活塞杆的外周面，并与所述防尘圈抵接，所述防尘圈压环与所述压环连接；

所述密封防尘组件还包括导向套，所述导向套套设于所述活塞杆的外周面，并分别与所述密封圈和所述压环抵接。

2.根据权利要求1所述的生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，所述密封舱内还设置有温湿度传感器。

3.根据权利要求1所述的生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，所述活塞的外周面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有活塞环密封圈。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，所述密封舱还设置有观察窗。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，所述支撑架包括底座、支撑杆和连接装置，所述密封舱设置于所述底座的上部，所述支撑杆的下端与所述底座连接，所述支撑杆的上端与所述力学试验机连接，所述密封舱通过连接装置与所述支撑杆连接。

6.一种生物质材料内应力的实时测量方法，所述测量方法基于权利要求1至5中任意一项所述的生物质材料内应力的实时测量装置，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

通过控制力学试验机的活塞杆下降挤压样品，使所述样品的高度维持在预定高度；

计算密封腔内的气压变化对上压头产生的作用力F_p；

获取T₀时刻力学试验机施加的作用力F₀；

计算T₀时刻所述样品的内应力释放值为F₀+f-F_p，其中f为活塞受到的静摩擦力。