CN113866214A - 一种电流作用下损耗因子测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电流作用下损耗因子测试装置及测试方法，包括控温加热炉、计算机、驱动机构、电源、第一铜丝和第二铜丝以及用于夹持试样两端的活动夹具和固定夹具，电源、第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路，用计算机控温加热炉在一定的频率和温度范围进行测试，同时打开电源、冷却气罐和保护气罐，计算机自带数据存储系统可以记录材料的损耗因子随温度的变化。本发明在测量材料的损耗因子随温度变化时引入了电流，实现了材料在电流作用下损耗因子的测量，弥补了以往损耗因子测试装置只能在非电场环境下测材料损耗因子的不足；因此，本发明的提出有一定的科学和工程意义，并且该方法的应用前景较广，实验装置简单，实际操作易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及损耗因子测试技术领域，具体涉及一种电流作用下损耗因子测试装置及测试方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展以及高速机械的广泛使用，振动和噪声的污染越来越严重，这种振动和噪声会损坏人的听力和神经系统，也会干扰设备/仪器的正常使用，已经成为社会公害之一。粘弹性材料是一种振动衰减材料，在机械振动传递过程中具有消耗应变能的能力，使结构的共振频率降低或转移，故又称减振材料。粘弹性材料可以分为金属粘弹性材料如金、银、铜、铝等和非金属粘弹性材料如玻璃、陶瓷、高分子、水泥等两大类。粘弹性材料最早用于舰艇，随后在航空航天，兵器等领域广泛使用。
现阶段，粘弹性材料的应用已经扩展到交通运输，机械制造，建筑等民用领域，但仍以军事应用为主。随着电能逐步取代化石能源，材料在电场下服役变得越来越普遍，粘弹性材料取得迅猛发展，在追求材料极致性能的同时其所承载的电学、热学和力学负荷也越来越重，使它的可靠性受到严重挑战，发展更加丰富有效的表征材料在实际服役条件下的动态力学性能测试方法就显得尤为重要。表征材料动态力学性能的主要特性参数是损耗因子，材料的损耗因子或内摩擦(损耗模量和储能模量的比值)是衡量材料的阻尼特性并决定其振动能量耗散能力的重要参数，因而，对于材料振动耗散能力的准确评价具有重要的工程意义。
测量材料的损耗因子即为测量材料的动态力学性能，实践中测量材料的动态力学性能方法有很多，如强迫共振法，弯曲共振曲线法，扭摆法，波传播法等等。强迫共振法主要是采用正弦应力(拉伸，弯曲，剪切)激励试样，使之受迫振动，产生相应的形变，测出施加到试样上的应力和位移周期幅值以及它们之间的相位角，然后根据所测得的这些参数值计算出损耗因子。弯曲共振法也叫悬臂梁法主要由共振频率和共振峰宽度推算出系统的损耗因子，进而推算材料本身的内耗。扭摆法可以测剪切模量和阻尼衰减，方法简单，温度范围宽。波传播法主要是通过测定声波在试样中的传播速度或传播时差及衰减系数，计算出试样的损耗因子。材料的内耗会因复杂的外部环境变化(应变振幅、温度、频率、磁场、静载荷)等因素和测量方法的不同产生较大差异，其中对其影响最为主要的参数为温度。
目前，损耗因子测量往往停留在以温度和频率为变量来研究试样的损耗因子变化情况。然而，实际材料的服役环境多有涉及电场，现有技术中缺乏对材料在电流作用下的损耗因子的研究，造成了损耗因子测试装置只能在非电场环境下测材料损耗因子的不足。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种电流作用下损耗因子测试装置及测试方法，便于测试材料在电流作用下的损耗因子，弥补了以往损耗因子测试装置只能在非电场环境下测材料损耗因子的不足。
本发明提供了一种电流作用下损耗因子测试装置，包括控温加热炉、计算机、驱动机构以及用于夹持试样两端的活动夹具和固定夹具；所述固定夹具安装在所述控温加热炉的炉膛内，所述活动夹具布置在所述控温加热炉的炉膛内；所述驱动机构用于操作活动夹具使夹持的试样发生振动，所述驱动机构与所述计算机电性连接，计算机用于显示夹持试样损耗因子的数值和曲线；所述控温加热炉设有热电偶控温装置，热电偶控温装置用于对控温加热炉的炉膛进行加热；热电偶控温装置与计算机电性连接，计算机用于对热电偶控温装置的测量温度进行采集储存；还包括电源、第一铜丝和第二铜丝；
所述电源布置在控温加热炉上，或者电源布置在控温加热炉外；
所述第一铜丝的一端与电源的正极/负极连接，第一铜丝的另一端穿过控温加热炉的厚壁布置在固定夹具侧；所述第二铜丝的一端与电源的负极/正极连接，第二铜丝的另一端穿过控温加热炉的厚壁布置在活动夹具侧；
当活动夹具和固定夹具分别夹持试样两端后，第一铜丝的另一端与第二铜丝的另一端分别与试样的两端连接，电源、第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路。
优选地，电流作用下损耗因子测试装置还包括装有保护气体的保护气罐；
所述活动夹具设有驱动杆，控温加热炉的底部设有通孔，驱动杆与通孔通过空气轴承连接；
所述保护气罐的出气端与空气轴承的进气端通过保护气导气管连接，保护气罐内的保护气体通过空气轴承进入控温加热炉的炉膛。
优选地，电流作用下损耗因子测试装置还包括气体制冷附件和冷却气罐；
所述控温加热炉的一侧设有连通其炉膛的通气孔，冷却气罐的出气端与通气孔通过连接管道连接；气体制冷附件安装在冷却气罐上，气体制冷附件与计算机电性连接，气体制冷附件利用冷却气罐内的冷却气体对控温加热炉的炉膛进行冷却。
优选地，电流作用下损耗因子测试装置还包括第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板；
所述第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板均与固定夹具的外侧连接，第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板呈平行布置，第一L形耐高温绝缘板位于靠固定夹具侧，第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板之间形成绝缘通道；第二铜丝的另一端穿过绝缘通道布置在活动夹具侧。
优选地，所述固定夹具的内侧设有第一耐高温绝缘板，第一耐高温绝缘板、第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板位于固定夹具的同一侧。
优选地，所述活动夹具对应试样夹持处上设有第一绝缘垫片，固定夹具对应试样夹持处上设有第二绝缘垫片。
优选地，所述控温加热炉的顶部铺设有第二耐高温绝缘板。
优选地，所述第一铜丝和第二铜丝穿过控温加热炉的厚壁处设有导线孔，第一铜丝上套设有第一耐高温绝缘套管，第二铜丝上套设有第二耐高温绝缘套管，第一耐高温绝缘套管和第二耐高温绝缘套管卡设在导线孔内。
一种电流作用下损耗因子测试方法，使用如上所述的电流作用下损耗因子测试装置，包括如下步骤：
S1：将试样的两端分别通过活动夹具和固定夹具夹持；
S2：将第一铜丝的远电源一端与试样的一端连接，第二铜丝的远电源一端与试样的另一端连接；
S3：利用万用电表的红笔和黑笔分别接触第一铜丝的靠电源一端和第二铜丝的靠电源一端，检测第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路是否断路，保证第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路为接通；
S4：利用万用电表的红笔接触第一铜丝或者第二铜丝的靠电源一端，万用电表的黑笔接触控温加热炉的金属外壳，检测电源、第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路是否与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘，保证电回路与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘；
S5：通过保护气罐向控温加热炉的炉膛输入保护气体，排出控温加热炉的空气；
S6：启动电源和计算机，对试样的损耗因子进行测量；计算机通过热电偶控温装置、气体制冷附件和冷却气罐控制控温加热炉的炉膛温度；
S7：在计算机上显示出试样在电流作用下的损耗因子和对应的损耗因子变化曲线。
优选地，所述控温加热炉的控温加载范围为-150℃-600℃，升温速率为0.1℃/min-20℃/min，控温稳定性±0.1℃，频率范围为0.01Hz-200Hz。
本发明具有如下的有益效果：
1、该技术方案在测量材料的损耗因子随温度变化时引入了电流，实现了材料在电流作用下损耗因子的测量，弥补了以往损耗因子测试装置只能在非电场环境下测材料损耗因子的不足，该装置和方法的提出有一定的科学和工程意义，并且该方法的应用前景较广，实验装置简单，实际操作易于实现。
2、气体制冷附件和冷却气罐的设计，可为控温加热炉的炉膛提供一个低温环境，以实现材料在低温环境中的损耗因子测量。
3、保护气罐的设计，使得控温加热炉的炉膛在材料损耗因子的测试过程中充满保护气体，从而消除控温加热炉的炉膛内水蒸气的存在，有效地避免了低温测试过程中水蒸气在控温加热炉的炉膛内凝结成大量液态水附着在电气部件上导致电路短路或者损坏的现象。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例中铜丝的损耗因子变化情况图；
图3为本发明一实施例中铝丝的损耗因子变化情况图。
附图标记：
1-控温加热炉，11-通孔，12-通气孔，13-第二耐高温绝缘板，14-导线孔，2-计算机，3-活动夹具，31-驱动杆，32-第一绝缘垫片，4-固定夹具，41-第一L形耐高温绝缘板，42-第二L形耐高温绝缘板，43-绝缘通道，44-第一耐高温绝缘板，5-电源，6-第一铜丝，61-第一耐高温绝缘套管，7-第二铜丝，71-第二耐高温绝缘套管，8-保护气罐，81-保护气导气管，9-冷却气罐，91-气体制冷附件，10-试样。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的一种电流作用下损耗因子测试装置，包括控温加热炉1、计算机2、驱动机构以及用于夹持试样两端的活动夹具3和固定夹具4；固定夹具4安装在控温加热炉1的炉膛内，活动夹具3布置在控温加热炉1的炉膛内。驱动机构用于操作活动夹具3使夹持的试样发生振动，驱动机构与计算机2电性连接，计算机2用于显示夹持试样损耗因子的数值和曲线。控温加热炉1设有热电偶控温装置，热电偶控温装置用于对控温加热炉1的炉膛进行加热；热电偶控温装置与计算机2电性连接，计算机2用于对热电偶控温装置的测量温度进行采集储存。本实施例中，固定夹具4和活动夹具3呈上下布置，便于试样10的安装和夹持。
电流作用下损耗因子测试装置还包括电源5、第一铜丝6和第二铜丝7。电源5布置在控温加热炉1上，或者电源5布置在控温加热炉1外。第一铜丝6的一端与电源5的正极/负极连接，第一铜丝6的另一端穿过控温加热炉1的厚壁布置在固定夹具4侧；第二铜丝7的一端与电源5的负极/正极连接，第二铜丝7的另一端穿过控温加热炉1的厚壁布置在活动夹具3侧。
当活动夹具3和固定夹具4分别夹持试样两端后，第一铜丝6的另一端与第二铜丝7的另一端分别与试样10的两端连接，电源5、第一铜丝6、试样10和第二铜丝7形成电回路。
该技术方案在测量材料的损耗因子随温度变化时引入了电流，实现了材料在电流作用下损耗因子的测量，弥补了以往损耗因子测试装置只能在非电场环境下测材料损耗因子的不足，该装置和方法的提出有一定的科学和工程意义，并且该方法的应用前景较广，实验装置简单，实际操作易于实现。
电流作用下损耗因子测试装置还包括气体制冷附件91和冷却气罐9；气体制冷附件91简称GCA。控温加热炉1的一侧设有连通其炉膛的通气孔12，冷却气罐9的出气端与通气孔12通过连接管道连接。气体制冷附件91安装在冷却气罐9上，气体制冷附件91与计算机2电性连接，气体制冷附件91利用冷却气罐9内的冷却气体对控温加热炉1的炉膛进行冷却。气体制冷附件61和冷却气罐9的设计，可为控温加热炉1的炉膛提供一个低温环境，以实现材料在低温环境中的损耗因子测量。
电流作用下损耗因子测试装置还包括装有保护气体的保护气罐8；活动夹具3设有驱动杆31，控温加热炉1的底部设有通孔11，驱动杆31与通孔11通过空气轴承连接；保护气罐8的出气端与空气轴承的进气端通过保护气导气管81连接，保护气罐8内的保护气体通过空气轴承进入控温加热炉1的炉膛。
保护气罐8的设计，使得控温加热炉1的炉膛在材料损耗因子的测试过程中充满保护气体，从而消除控温加热炉1的炉膛内水蒸气的存在，有效地避免了低温测试过程中水蒸气在控温加热炉1的炉膛内凝结成大量液态水附着在电气部件上导致电路短路或者损坏的现象。
电流作用下损耗因子测试装置还包括第一L形耐高温绝缘板41和第二L形耐高温绝缘板42；第一L形耐高温绝缘板41和第二L形耐高温绝缘板42均与固定夹具4的外侧连接，第一L形耐高温绝缘板41和第二L形耐高温绝缘板42呈平行布置，第一L形耐高温绝缘板42位于靠固定夹具侧，第一L形耐高温绝缘板41和第二L形耐高温绝缘板42之间形成绝缘通道43；第二铜丝7的另一端穿过绝缘通道43布置在活动夹具侧。绝缘通道43的设计，有效地避免了第二铜丝7与固定夹具4的接触。
此外，固定夹具4的内侧设有第一耐高温绝缘板44，第一耐高温绝缘板44、第一L形耐高温绝缘板41和第二L形耐高温绝缘板42位于固定夹具4的同一侧。第一耐高温绝缘板44的设计，有效地避免了第二铜丝7与固定夹具4的对应内壁接触。
为了保证活动夹具3和固定夹具4均与试样处于绝缘状态，活动夹具3对应试样夹持处上设有第一绝缘垫片32，固定夹具4对应试样夹持处上设有第二绝缘垫片。同时，在控温加热炉1的顶部铺设有第二耐高温绝缘板13。
本实施例中，为了避免第一铜丝6或第二铜丝7穿过控温加热炉1的厚壁处出现导电的现象；第一铜丝6或第二铜丝7穿过控温加热炉1的厚壁处设有导线孔14，第一铜丝6上套设有第一耐高温绝缘套管61，第二铜丝7上套设有第二耐高温绝缘套管71，第一耐高温绝缘套管61和第二耐高温绝缘套管71卡设在导线孔内。
本发明另一实施例提供了一种电流作用下损耗因子测试方法，使用如上所述的电流作用下损耗因子测试装置，包括如下步骤：
S1：将试样的两端分别通过活动夹具3和固定夹具4夹持；
S2：将第一铜丝6的远电源一端与试样的一端连接，第二铜丝7的远电源一端与试样的另一端连接；
S3：利用万用电表的红笔和黑笔分别接触第一铜丝6的靠电源一端和第二铜丝7的靠电源一端，检测第一铜丝6、试样10和第二铜丝7形成电回路是否断路，保证第一铜丝6、试样10和第二铜丝7形成电回路为接通；
S4：利用万用电表的红笔接触第一铜丝6或者第二铜丝7的靠电源一端，万用电表的黑笔接触控温加热炉1的金属外壳，检测电源5、第一铜丝6、试样10和第二铜丝7形成电回路是否与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘，保证电回路与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘；
S5：通过保护气罐8向控温加热炉1的炉膛输入保护气体，排出控温加热炉1的空气；
S6：启动电源5和计算机2，对试样的损耗因子进行测量；计算机2通过热电偶控温装置、气体制冷附件91和冷却气罐9控制控温加热炉1的炉膛温度；
S7：在计算机上显示出试样在电流作用下的损耗因子和对应的损耗因子变化曲线。
具体地，控温加热炉1的控温加载范围为-150℃-600℃，升温速率为0.1℃/min-20℃/min，频率范围为0.01Hz-200Hz。控温加热炉-150℃-600℃的控温加载范围，可以保证控温加热炉1提供一个从低温到高温的宽范围温度场域；升温速率为0.1℃/min-20℃/min、控温稳定性±0.1℃以及频率范围为0.01Hz-200Hz的设计，保证控温加热炉1的炉膛实现一个高精度的温度控制；从而保证电流作用下损耗因子测试装置可实现高精度宽范围的调节，以精确地对材料的损耗因子进行测量。
前文提到的材料或者试样均为导电粘弹性材料，导电粘弹性材料包括金属、导电高分子、导电陶瓷和导电复合材料等。电源5用于提供所需要的各种波形、大小、频率的直流电和交流电。计算机2用于整个测试装置的启动与断开控制以及数据采集与储存。
本发明中，控温加热炉、计算机、驱动机构、热电偶控温装置以及用于夹持试样两端的活动夹具3和固定夹具4均属于现有技术，其各自的具体结构以及连接方式在此不再赘述。
本发明所提供的技术方案可以实现材料在电流作用下高精度宽范围的损耗因子测量，通过两个案例来体现，如下：
案例一：试样采用纯铜丝，其直径为0.3mm，温度范围-100℃-200℃，频率为1.0Hz；测试不通电和通以10000A/cm2电流密度时的损耗因子变化情况，如图2所示，Tan Delta即为损耗因子。
案例二：试样采用纯铝丝，其直径为0.3mm，温度范围-100℃-200℃，频率为0.5Hz；测试不通电和通以10000A/cm2电流密度时的损耗因子变化情况，如图3所示，Tan Delta即为损耗因子。
需要说明的是，以上优选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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种电流作用下损耗因子测试装置，包括控温加热炉、计算机、驱动机构以及用于夹持试样两端的活动夹具和固定夹具；所述固定夹具安装在所述控温加热炉的炉膛内，所述活动夹具布置在所述控温加热炉的炉膛内；所述驱动机构用于操作活动夹具使夹持的试样发生振动，所述驱动机构与所述计算机电性连接，计算机用于显示夹持试样损耗因子的数值和曲线；所述控温加热炉设有热电偶控温装置，热电偶控温装置用于对控温加热炉的炉膛进行加热；热电偶控温装置与计算机电性连接，计算机用于对热电偶控温装置的测量温度进行采集储存；其特征在于：还包括电源、第一铜丝和第二铜丝；
所述电源布置在控温加热炉上，或者电源布置在控温加热炉外；
所述第一铜丝的一端与电源的正极/负极连接，第一铜丝的另一端穿过控温加热炉的厚壁布置在固定夹具侧；所述第二铜丝的一端与电源的负极/正极连接，第二铜丝的另一端穿过控温加热炉的厚壁布置在活动夹具侧；
当活动夹具和固定夹具分别夹持试样两端后，第一铜丝的另一端与第二铜丝的另一端分别与试样的两端连接，电源、第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路。
2.根据权利要求1所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：还包括装有保护气体的保护气罐；
所述活动夹具设有驱动杆，控温加热炉的底部设有通孔，驱动杆与通孔通过空气轴承连接；
所述保护气罐的出气端与空气轴承的进气端通过保护气导气管连接，保护气罐内的保护气体通过空气轴承进入控温加热炉的炉膛。
3.根据权利要求2所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：还包括气体制冷附件和冷却气罐；
所述控温加热炉的一侧设有连通其炉膛的通气孔，冷却气罐的出气端与通气孔通过连接管道连接；气体制冷附件安装在冷却气罐上，气体制冷附件与计算机电性连接，气体制冷附件利用冷却气罐内的冷却气体对控温加热炉的炉膛进行冷却。
4.根据权利要求1所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：还包括第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板；
所述第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板均与固定夹具的外侧连接，第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板呈平行布置，第一L形耐高温绝缘板位于靠固定夹具侧，第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板之间形成绝缘通道；第二铜丝的另一端穿过绝缘通道布置在活动夹具侧。
5.根据权利要求1或4所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：
所述固定夹具的内侧设有第一耐高温绝缘板，第一耐高温绝缘板、第一L形耐高温绝缘板和第二L形耐高温绝缘板位于固定夹具的同一侧。
6.根据权利要求1或4所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：
所述活动夹具对应试样夹持处上设有第一绝缘垫片，固定夹具对应试样夹持处上设有第二绝缘垫片。
7.根据权利要求1所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：
所述控温加热炉的顶部铺设有第二耐高温绝缘板。
8.根据权利要求1所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于：
所述第一铜丝和第二铜丝穿过控温加热炉的厚壁处设有导线孔，第一铜丝上套设有第一耐高温绝缘套管，第二铜丝上套设有第二耐高温绝缘套管，第一耐高温绝缘套管和第二耐高温绝缘套管卡设在导线孔内。
9.一种电流作用下损耗因子测试方法，使用权利要求3所述的电流作用下损耗因子测试装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将试样的两端分别通过活动夹具和固定夹具夹持；
S2：将第一铜丝的远电源一端与试样的一端连接，第二铜丝的远电源一端与试样的另一端连接；
S3：利用万用电表的红笔和黑笔分别接触第一铜丝的靠电源一端和第二铜丝的靠电源一端，检测第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路是否断路，保证第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路为接通；
S4：利用万用电表的红笔接触第一铜丝或者第二铜丝的靠电源一端，万用电表的黑笔接触控温加热炉的金属外壳，检测电源、第一铜丝、试样和第二铜丝形成电回路是否与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘，保证电回路与电流作用下损耗因子测试装置处于完全绝缘；
S5：通过保护气罐向控温加热炉的炉膛输入保护气体，排出控温加热炉的空气；
S6：启动电源和计算机，对试样的损耗因子进行测量；计算机通过热电偶控温装置、气体制冷附件和冷却气罐控制控温加热炉的炉膛温度；
S7：在计算机上显示出试样在电流作用下的损耗因子和对应的损耗因子变化曲线。
10.根据权利要求9所述的电流作用下损耗因子测试方法，其特征在于：
所述控温加热炉的控温加载范围为-150℃-600℃，升温速率为0.1℃/min-20℃/min，控温稳定性±0.1℃，频率范围为0.01Hz-200Hz。
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Cited By (1)
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- 2021-09-23 CN CN202111113073.8A patent/CN113866214A/zh active Pending
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