CN114414419A - 基于Hopkinson杆的瞬态测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，包括：聚焦光学系统，位于分离式Hopkinson杆系统式样的正下方，用于对试样变形产生的产生一定波长范围的热辐射信号进行汇聚，HgCdTe红外探测器，位于聚焦光学系统中心的垂直线上，用于对汇聚的热辐射信号转化为电信号后放大，斩波器，位于HgCdTe红外探测器前，用于产生交变信号，形成对HgCdTe红外探测器的激励，记录显示系统，用于采集HgCdTe红外探测器的激励下产生的原始电压信号，从而根据斩波器交变信号产生对温度进行标定时信号，建立直接显示的电压信号同材料实际温度的关系。该方法实现了对动态应力状态下，温度和变形的同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及冲击动力学技术领域，更具体的涉及基于Hopkinson杆的瞬态测温系统。
背景技术
材料动态力学性能的研究是高压物理、力学科学、材料科学等学科领域研究的重心。传统Hopkinson系统是一种动态撞击装置，可以用来获得材料在动载荷下的应力应变曲线，从而研究材料的动态力学行为。物理上，材料的动态变形是一个热力耦合过程，温度是该过程中一重要物理量。若能在测出材料的温度变化，就可以从试验上确定材料的完全状态方程，并且对理解材料变形过程中温度和其它物理量的耦合具有重要理论意义。目前的动态实验测量大多集中在纯力学领域，相关的测试技术已经从探针测试(后来还发展了压电探针技术),高速摄影间隙法(streak camera recordings offlash gaps and events),发展到镱应力计、石英计、锰铜计、电磁计、铌酸锂压力计(lithium niobate gauges)、PVDF计，以及速度干涉仪等。每一种测试计和相关的测试技术在相关领域取得了很好的测试结果。但是，这些测试方法只能用于冲击压力或变形的测试。传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。
发明内容
本发明实施例提供基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，包括：
聚焦光学系统，位于分离式Hopkinson杆系统式样的正下方，用于将试样变形产生的产生波长范围内的热辐射信号进行汇聚；
HgCdTe红外探测器，位于聚焦光学系统中心的垂直线上，用于对汇聚的热辐射信号转化为电信号后放大；
斩波器，位于HgCdTe红外探测器前，用于产生交变信号，形成对HgCdTe红外探测器的激励；
记录显示系统，用于采集HgCdTe红外探测器的激励下产生的原始电压信号，根据斩波器交变信号产生对温度进行标定时信号，建立直接显示的电压信号同材料实际温度的关系，其中，在标定前把试样钻一孔，将热电偶置于孔内，然后加热试样，其温度由热电偶直接读出，随着试样温度的变化，分别记录由热电偶读出的温度值和示波器上相应的电压值，得到电压-温度曲线，建立温度和电压的关系。
近一步，HgCdTe红外探测器包括探测器元件和放大器，探测器原件响应波长8～12μm，响应时间0.1μs。
近一步，聚焦光学系统，包括：镀金凹面镜。
近一步，斩波器，包括：快门相机。
近一步，记录显示系统，包括：示波器。
近一步，还包括光路设计模块，其包括：HgCdTe红外探测器单元，大小为1mm×1mm正方形，与试样表面距镀金凹面镜中心的垂直距离为60mm，HgCdTe红外探测器距镀金凹面镜中心的垂直距离为30mm。
本发明实施例提供基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，与现有技术相比，其有益效果如下：
1、本发明实现了对动态应力状态下，温度和变形的同时测量。
2、本发明中温度信号很强，稳定性好，由此得到的测试结果易于同步分析，可靠度比较高。
附图说明
图1为含有红外测温系统的Hopkinson压杆装置的装配图；
图2为红外测温系统部分构成；
图3为红外测温系统光路；
图4为一典型的温度标定信号图；
图5为一典型的铝试样标定曲线；
图6为红外测温系统的应用实例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1～6，本发明实施例提供基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，该方法包括：
聚焦光学系统，位于分离式Hopkinson杆系统式样的正下方，用于对试样变形产生的产生一定波长范围的热辐射信号进行汇聚；
HgCdTe红外探测器，位于镀金凹面镜中心的垂直线上，用于对汇聚的热辐射信号转化为电信号后放大；
斩波器，位于HgCdTe红外探测器前，用于产生交变信号，形成对HgCdTe红外探测器的激励；
记录显示系统，用于采集HgCdTe红外探测器的激励下产生的原始电压信号，从而根据斩波器交变信号产生对温度进行标定时信号，建立直接显示的电压信号同材料实际温度的关系，其中，在标定前把试样钻一孔，将热电偶置于孔内，然后加热试样，其温度由热电偶直接读出，随着试样温度的变化，分别记录由热电偶读出的温度值和示波器上相应的电压值，得到电压-温度曲线，建立温度和电压的关系。
具体地：
红外测温部分在Hopkinson杆实验中的安装如图1所示。按常规SHPB实验方法进行实验，撞击载荷下，试样变形，温度升高，从而产生一定波长范围的热辐射。该热辐射信号经过镀金凹面镜的汇聚作用，聚焦到HgCdTe红外探测器单元上，产生电信号，经由前置放大器的放大作用后，直接以电压形式显示在采集信号的示波器上。
我们所能直接获得的是电压信号，如何根据电压信号去反解材料温度信号需要对电压信号进行分析。室内实验时，通过在探测器前面置一相机快门，以获得一交流信号。相机快门速度可调，但无论快门速度大小如何，总有一个开、关和完全打开过程，把这一过程视为对整个探测系统的激励，其过程如图2所示。
图4是不同快门速度下获得的原始示波器电压信号，反映了背景辐射强度。相对于快门激励信号而言，称之为探测器系统的响应信号。
本发明所述的红外测温系统的光路和标定如下：
测温系统的光路如图3，HgCdTe探测器单元为1mm×1mm的正方形，试样表面距凹面镜中心的垂直距离为60mm，红外探测器距凹面镜中心的垂直距离为30mm，根据凹面镜几何光学原理可知，此时凹面镜的缩小倍数为2倍，待测试样表面面积为2mm×2mm。即，该测温系统测量的是试样表面局部2mm×2mm区域上的平均温度响应。
标定是准确测温的关键问题。即建立示波器直接显示的电压信号同材料实际温度的关系。实验标定需要在原位光路中完成，材料冲击实验也要在该光路下进行，不然该标定对实验没有参考意义。本文实验光路如图1和2所示。由于前置放大器隔直流作用，标定时，需将一斩波器置于探测器前方，从而形成交变信号；激光置于待标定试件后方，以对试件在光路中的位置进行精确定位。标定前，把试样钻一孔，将热电偶置于孔内，然后加热试样，其温度由热电偶直接读出，随着试样温度的变化，分别记录由热电偶读出的温度值和示波器上相应的电压值，如图4所示，将之绘于图中，得到电压-温度曲线，从而建立温度和电压的关系。图5为铝试样的一个标定结果。标定时环境温度为24摄氏度，相应的背景辐射电压值为43mv。
实施例1：
红外测温系统的动态实验应用。
红外测温系统在Hopkinson杆实验中的安装如图1所示。按常规SHPB实验方法对形状记忆TiNi合金进行准撞击实验，由此可以得到冲击过程试样应力应变曲线和相应的温度变化，如图6所示。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，包括：
聚焦光学系统，位于分离式Hopkinson杆系统式样的正下方，用于对试样变形产生的波长范围内的热辐射信号进行汇聚；
HgCdTe红外探测器，位于聚焦光学系统中心的垂直线上，用于将汇聚的热辐射信号转化为电信号后放大；
斩波器，位于HgCdTe红外探测器前，用于产生交变信号，形成对HgCdTe红外探测器的激励；
记录显示系统，用于采集HgCdTe红外探测器在激励下产生的原始电压信号，利用斩波器产生的交变信号对温度进行标定，建立直接显示的电压信号同材料实际温度的关系，其中，在标定前把试样钻一孔，将热电偶置于孔内，然后加热试样，其温度由热电偶直接读出，随着试样温度的变化，分别记录由热电偶读出的温度值和示波器上相应的电压值，得到电压-温度曲线，建立温度和电压的关系。
2.如权利要求1所述的基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，所述HgCdTe红外探测器包括探测器元件和放大器，所述探测器原件响应波长8～12μm，响应时间0.1μs。
3.如权利要求1所述的基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，所述聚焦光学系统，包括：镀金凹面镜。
4.如权利要求1所述的基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，所述斩波器，包括：快门相机。
5.如权利要求1所述的基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，所述记录显示系统，包括：示波器。
6.如权利要求1所述的基于Hopkinson杆的瞬态测温系统，其特征在于，还包括光路设计模块，其包括：HgCdTe红外探测器，大小为1mm×1mm正方形，试样表面距镀金凹面镜中心的垂直距离为60mm，HgCdTe红外探测器距镀金凹面镜中心的垂直距离为30mm。
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