CN114428025A - 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 - Google Patents
一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114428025A CN114428025A CN202210004241.8A CN202210004241A CN114428025A CN 114428025 A CN114428025 A CN 114428025A CN 202210004241 A CN202210004241 A CN 202210004241A CN 114428025 A CN114428025 A CN 114428025A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sample
- vibration
- internal consumption
- end part
- cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 139
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 27
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 7
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 6
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003471 anti-radiation Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004643 material aging Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
- G01N3/317—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by electromagnetic means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
- G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
- G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
- G01N3/38—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces generated by electromagnetic means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/006—Crack, flaws, fracture or rupture
- G01N2203/0062—Crack or flaws
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/022—Environment of the test
- G01N2203/0222—Temperature
- G01N2203/0226—High temperature; Heating means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/022—Environment of the test
- G01N2203/023—Pressure
- G01N2203/0234—Low pressure; Vacuum
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明提供的便携式内耗仪,包括腔体、试样夹具、固定板、加热板、热障罩、激发组件和振动传感器,通过使激发组件包括可转动地振动波轮,在振动波轮的外壁上至少设置一凸出部,转动振动波轮时能够通过凸出部间歇拨动试样下缘,通过采用光线传感器作为振动传感器,并利用发射光线和试样反射光线的角度差判断试样的振动幅度,实现了机械拨动激发试样振动及非接触测量试样振动的技术效果,结构简单、可靠性好、适用范围广、测量精度高、工作频率宽,能够将内耗仪集成在较小的腔体内,方便携带,适合在现场对辐照缺陷表征进行测量;本发明提供的内耗测量方法,利用机械拨动激发振动及非接触式测量,可靠性好、测量精度高、适用范围广、工作频率宽。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域,具体涉及一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法。
背景技术
内耗作为一种反映材料本征物理特性的基本属性,如同密度、电导率、磁导率、弹性模量等参数一样,不受材料形状、重量、体积的影响,只由材料本身内部微观缺陷状态决定。
在与外界隔绝的条件下,当材料在外力作用下产生形变时,对于无缺陷材料来说,应力能够导致晶格畸变形成应变储能,当应力释放时晶格恢复储能释放变成动能,能量没有损失。对于内部存在缺陷的材料来说,材料形变迫使晶格畸变没有全部转变为储能,被一定量的缺陷吸收做功产生能量耗散,当外界储能释放时动能存在部分能量损失。
因此,通过测量在一定的外部条件下(如温度、频率、振幅等)材料的内耗和弹性模量变化可反映出材料的微观缺陷信息,获得缺陷浓度和分布、缺陷扩散激活能、相变动力学等微观缺陷参数,内耗技术也常常称之为内耗谱,或力学谱。
内耗是目前研究缺陷弛豫过程和微结构变化最有效的无损检测手段之一,内耗测量有多种方法,都需要对宏观试样施加动态作用力。
在一段时间内,对试样施加周期性作用力并同时测量应力应变曲线的方法称为强迫振动法;在一段时间内,对试样施加线性作用力至一定形变后释放作用力测量应变衰减曲线称为自由衰减法;在一段时间内,对试样施加不断变频的周期性作用力测量应变振幅随频率变化曲线称为共振峰法;这些测量方法可依据材料微观缺陷特性进行选择。
鉴于内耗对金属材料的微观缺陷变化极为敏感,因此在核用结构材料辐照缺陷损伤机制研究和材料老化过程无损检测中能发挥重要作用。
内耗测量与其他无损检测的区别在于:其频率范围完全覆盖了缺陷慢跃迁过程的本征频率范围,而且,所加的刺激信号为交变应力(其振幅远小于材料的屈服应力),反应信号为应变,适用于任何能够传播弹性应力波的物体,被证明是研究缺陷弛豫过程和微结构变化最有效的手段之一。
经过数十年的发展,内耗测量方法得到不断发展完善,其中强迫振动法、自由衰减法和共振峰法已经得到广泛应用,考虑到外界振动对测量的不利影响,一般设计和制作的内耗测试设备均体积大、质量重、惯性大,在科研院所、大专院校使用时不受影响,但不便携带,限制了它在工程现场的使用。
现有的内耗测量结构和技术在检测核电材料辐照损伤表面缺陷时还存在以下一些问题:
(1) 激发结构复杂,为了实现可观的应变振幅激发,传统静电激发系统采用直流高压加交变信号的方式驱动试样振动,需要专用的升压电路、信号合成电路和高频载波电路,使得电路部分的结构复杂,对设备电学屏蔽和高压隔离的要求较高。
(2) 可靠性不佳,试验过程中升温会导致试样变形,使用电学激发和采集时,需要试样与激发电极或者采集电极均保持一定距离,但实际测试中为了获得有效信号,样品距离两个电极均很近,样品一旦应变就有可能触碰到激发电极或者采集电极导致无法测量,使设备无法正常工作,可靠性不佳。
(3)难以实现变温测量,目前内耗仪上高精度位移传感器常采用电容法、电涡流法、变压器法(LVDT)传感器,这几类传感器需要距离试样非常近(毫米级别)或者需要触碰到试样,在变温情况下,试样本身及其周围的温度较高,会导致传感器无法使用,严重的,还会导致传感器的内部电子器件产生不可逆破坏,难以实现变温测量。
上述问题的存在,不仅影响着内耗物理参数定量数据的精确性,也难以满足反应堆燃料包壳类材料进行现场测量的需求,无法对燃料包壳表面氧化膜或离子辐照材料的弹性模量、弹性模量温度系数、阻尼等进行测量,也难以对材料缺陷进行探伤,无法实现缺陷种类、浓度以及演化机制等的研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点,提供一种结构简单、可靠性好、适用范围广、测量精度高、工作频率宽、适合辐照缺陷表征测量且方便携带的便携式内耗仪,本发明还提供一种可靠性好、测量精度高、适用范围广、工作频率宽的内耗测量方法。
为达到上述目的,本发明提供的技术方案中的产品是,便携式内耗仪,包括:
腔体,所述腔体沿上下方向延伸,所述腔体的上端部连接有带把手的上盖,所述腔体的下端部连接有底座,所述腔体内部密闭;
试样夹具,所述试样夹具连接在所述上盖上并向下延伸,所述试样夹具用于夹持片状试样的上端部;
固定板,所述固定板连接在所述底座上并向上竖直延伸;
加热板,所述加热板连接在所述固定板上并位于所述试样的后方,所述加热板用于对所述试样的下端部进行加热;
热障罩,所述热障罩连接在所述固定板上并包裹住所述加热板及所述试样的下端部,所述热障罩用于在所述腔体内形成局部高温区域;
以及设置在所述腔体内的激发组件和振动传感器;
所述激发组件采用机械拨动的方式驱使所述试样的下端部产生振动,所述激发组件包括可转动地设置在所述试样正下方的振动波轮,所述振动波轮的转动轴心线平行于所述试样在铅锤状态下所在的平面,所述振动波轮的转动轴心线还平行于水平面,所述振动波轮的外壁上至少有一凸出部,在所述振动波轮转动时,所述凸出部间歇拨动所述试样的下缘,使所述试样的下端部产生振动;所述振动传感器为光学传感器,所述振动传感器用于发射光线照射所述试样并接收所述试样反射的光线,所述便携式内耗仪通过测量发射光线与反射光线的角度差判断所述试样的振动幅度,实现内耗测量。
优选地,所述振动波轮的外壁设有四个向外凸出的棘齿,这四个棘齿的高度随顺时针方向依次增加。
优选地,所述热障罩的前表面开设有用于发射光线和反射光线穿过的观察孔。
进一步优选地,所述振动传感器通过侧方位安装板固定在所述底座上,所述振动传感器的探测口正对所述观察孔。
进一步优选地,所述探测口所在平面与所述试样所在平面之间夹角的波动范围为±15°,所述探测口高于所述试样的下缘。
进一步优选地,所述观察孔的轴心线垂直于所述试样在铅锤状态下所在的平面。
优选地,所述腔体上设有观察窗、电学及真空法兰接口,所述观察窗位于所述腔体下端部并正对所述试样及所述振动波轮,所述电学及真空法兰接口位于所述观察窗的对向侧。
优选地,所述试样夹具包括支撑棒、滑动夹头、压片,所述支撑棒呈圆柱状,所述支撑棒的上端部连接在所述上盖上并与所述上盖同轴设置,所述滑动夹头可上下滑动地连接在所述支撑棒的下端部,所述压片用于将所述试样的上端部压紧在所述滑动夹头上。
优选地,所述热障罩包括多层嵌套设置的金属盒,所述金属盒的上下表面开设有用于所述试样穿过的开口。
进一步优选地,相邻的所述金属盒之间通过螺栓锁定,调节所述螺栓能够改变相邻金属盒之间、所述金属盒与所述试样之间的距离。
优选地,所述激发组件还包括用于驱动所述振动波轮转动的激发电机,所述激发电机设置在所述底座上。
为达到上述目的,本发明提供的技术方案中的方法是,内耗测量方法,包括如下步骤:
S1.将片状试样置于真空环境,固定片状试样的上端部,使片状试样的下端部向下竖直延伸;
S2.将试样的下端部加热至设定温度;
S3.采用机械拨动的方式驱使试样的下端部按设定频率产生振动;
S4.采用光学传感器向试样下端部发射光线,并接收试样反射回的光线,通过检测发射光线与反射光线的角度差计算试样的振幅,实现内耗测量。
优选地,步骤S3中机械拨动时施加在试样上驱动力的方向垂直于试样在铅锤状态下所在的平面。
优选地,步骤S2中的加热为辐射加热,加热范围局限在试样下端部所在区域。
优选地,所述内耗测量方法采用上述任意一种便携式内耗测量仪进行测量。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明提供的便携式内耗仪,包括腔体、试样夹具、固定板、加热板、热障罩、激发组件和振动传感器,通过使激发组件包括可转动地振动波轮,在振动波轮的外壁上至少设置一凸出部,转动振动波轮时能够通过凸出部间歇拨动试样下缘,通过采用光线传感器作为振动传感器,并利用发射光线和试样反射光线的角度差判断试样的振动幅度,实现了机械拨动激发试样振动及非接触测量试样振动的技术效果,结构简单、可靠性好、适用范围广、测量精度高、工作频率宽,能够将内耗仪集成在较小的腔体内,方便携带,适合在现场对辐照缺陷表征进行测量;本发明提供的内耗测量方法,利用机械拨动激发振动及非接触式测量,可靠性好、测量精度高、适用范围广、工作频率宽。
附图说明
图1是本发明中便携式内耗仪优选实施例的主视示意图。
图2是图1的左视示意图。
图3是图2中A-A方向的剖视示意图。
图4、图5、图6是图1的立体示意图,其中,为便于观察,图5和图6隐去了腔体。
图7是试样弯曲受力分析图。
图8是不同长度试样的内耗-温度谱。
图9是试样的内耗-温度谱和模量-温度谱。
其中:10.腔体;11.上盖;111.把手;12.底座;13.观察窗;14.电学法兰接口;15.真空法兰接口;20.试样夹具;21.支撑棒;211.安装面;22.滑动夹头;23.压片;30.固定板;40.加热板;50.热障罩;51.观察孔;52.金属盒;53.开口;60.激发组件;61.振动波轮;611.棘齿;62.激发电机;621.电机固定板;70.振动传感器;71.侧方位安装板;72.探测口;80.试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明中描述的上下方向是指图1中的上下方向,本发明中描述的左右方向是指图1中的左右方向,本发明中描述的前后方向是图2中的右左方向。
如图1-6所示,本发明提供的便携式内耗仪,包括:腔体10、试样夹具20、固定板30、加热板40、热障罩50、激发组件60和振动传感器70,其中,腔体10沿上下方向延伸,腔体10的上端部密封连接有带把手111的上盖11,腔体10的下端部密封连接有底座12,使腔体10内部密闭,10腔体下端部的外壁上设有观察窗13、电学法兰接口14及真空法兰接口15,电学法兰接口14及真空法兰接口15位于观察窗13的对向侧并对称分布,试样夹具20、固定板30、加热板40、热障罩50、激发组件60和振动传感器70均设置在腔体10内,设置电学法兰接口14能够方便腔体内加热板40、激发组件60和振动传感器70与外界的线路连接,设置真空法兰接口15能够方便地对腔体10进行抽真空,实现试样与外界环境的隔绝;试样夹具20连接在上盖11上并向下延伸,试样夹具20用于夹持片状试样80的上端部,具体地,试样夹具20包括支撑棒21、滑动夹头22、压片23,支撑棒21呈圆柱状,支撑棒21的上端部通过焊接或者螺丝固定在上盖11背面的中间位置,支撑棒21与上盖11同轴设置,既方便安装试样80又能确保试样夹具20足够粗壮,滑动夹头22可上下滑动地连接在支撑棒21的下端部,滑动夹头22和支撑棒21之间设置有用于锁定滑动夹头22和支撑棒21相对位置的螺栓,滑动夹头22中部为滑槽结构,压片23将试样80的上端部压紧在前述滑槽结构内,压片23与滑动夹头22之间通过螺栓锁定,调整滑动夹头22在上下方向上的位置即可改变试样80下端部(自由端)的位置;固定板30连接在底座12上并向上竖直延伸,固定板30用于支撑加热板40和热障罩50,具体地,加热板40通过螺栓锁定在固定板30上,加热板40为平板形状,位于滑动夹头22和压片23下方、试样80的正后面,用于对试样80的下端部进行加热,可以使得试样80的升温更加快速、均匀,热障罩50连接在固定板30上并包裹住加热板40及试样80的下端部,热障罩50用于在腔体10内形成局部高温区域,在真空环境下对试样80下端部进行加热时,为辐射加热,经热障罩50反射后基本不对腔体10内的其他部件产生影响;激发组件60采用机械拨动的方式驱使试样80的下端部产生振动,具体地,激发组件60包括振动波轮61和用于驱动振动波轮61转动的激发电机62,激发电机62通过电机固定板621固定在底座12上,振动波轮61位于试样80正下方并固定在激发电机62的传动轴上,振动波轮61的转动轴心线平行于试样80在铅锤状态下所在的平面,振动波轮61的转动轴心线还平行于水平面,振动波轮61的外壁上至少有一凸出部,在振动波轮61转动时,该凸出部间歇拨动试样80的下缘,使试样80的下端部产生振动,在本实施例中,振动波轮61的外壁设有四个向外凸出的棘齿611,棘齿611构成上述凸出部,这四个棘齿611相间隔地设置,这四个棘齿611的高度随顺时针方向依次增加,相邻的棘齿611之间通过光滑弧面相连接,振动波轮61由金属材质制件,在振动波轮61转动时,能够通过棘齿611拨动试样80的下端部,使试样80的下端部产生振动;观察窗13正对着试样80和振动波轮61,方便用户观察测量过程;振动传感器70为光学传感器,振动传感器70通过侧方位安装板71固定于底座12上,振动传感器70用于发射光线照射试样80并接收试样80反射的光线,该便携式内耗仪通过测量发射光线与反射光线的角度差判断试样80的振动幅度,实现内耗测量。
这样设置的好处在于,能够实现机械拨动激发试样振动及非接触测量试样振动的技术效果,结构简单、可靠性好、适用范围广、测量精度高、工作频率宽,能够将内耗仪集成在较小的腔体内,方便携带,适合在现场对辐照缺陷表征进行测量。
在本实施例中,热障罩50包括多层嵌套设置的金属盒52,金属盒52有金属薄片制成,金属盒52的上下表面开设有用于试样80穿过的开口53,相邻的金属盒52之间通过螺栓锁定,调节螺栓能够改变相邻金属盒52之间、金属盒52与试样80之间的距离,既能够根据试样80厚度调整开口53的尺寸,又能够避免与试样80接触,不影响试样80的振动,热障罩50的前表面还开设有用于发射光线和反射光线穿过的观察孔51,观察孔51的轴心线垂直于试样80在铅锤状态下所在的平面,振动传感器70的探测口72正对观察孔51,探测口72用于发出光线照射试样80以及接受试样80反射回的光线,为避免反射光线出现超出探测口72的现象,探测口72所在平面与试样80所在平面之间夹角的波动范围为±15°,探测口72高于试样80的下缘。
通过激发电机62带动振动波轮61转动,利用振动波轮61上的棘齿611迫使试样80在一定频率、振幅和温度下振动,再通过振动传感器70采集试样80的振动信号,并获得试样80振动位移的时间谱,从而计算出试样材料的阻尼、模量等参数,并结合内耗、模量的温度谱、频率谱、振幅谱数据获得材料的微观缺陷种类、激活能、浓度等信息。
振动传感器70采用非接触光学照射试样80表面,采集试样80的反射光线进行的光学传感器,通过测量反射光线角度的微弱变化,不仅测量精度达到亚微米甚至纳米级别分别率,而且尺寸小,非常适合用于制作便携式内耗仪,用于现场测量材料内耗、模量测量和缺陷检测,在使用时,发射的光线经过热障罩50底部的观察孔51照射到试样80下端表面,可清晰测量试样80的振动过程。
本实施例的便携式内耗仪方便携带至核反应堆现场,对存在一定辐照剂量的燃料包壳材料等具有危险性不方便转运的材料进行弹性模量、弹性模量温度系数、阻尼等现场测量,对研究材料辐照缺陷损伤和动力学过程提供清晰可靠的设备支撑。
下面对上述便携式内耗仪的使用过程进行说明,使用过程包括:
1.打开腔体:拧开上盖法兰与腔体之间紧固螺丝,提起上盖法兰,将其水平放置在实验桌的托架上;
2.安装试样:拧松压片螺丝,将待测试样一端塞入压片与滑动夹头的缝隙中,然后拧紧夹头螺丝夹紧试样,如需改变激发振幅或频率,可调整试样的夹持长度和滑动夹头的锁紧位置;
3.关闭腔体:将安装好试样上盖法兰对其定位销缓慢装入腔体内直到上盖法兰与腔体法兰贴紧,从观察窗观察样品自由端是否触碰到热障罩,如果没有则可锁紧上盖法兰的螺丝;
4.抽取真空:如若需要在真空环境下测试,将腔体底部真空接口法兰与真空泵组连接,抽取真空,真空泵组和真空计由外接;
5.连接电线:将加热、测量、激发等电学接头与腔体底部电学接口法兰连接;
6:设置参数:启动电源和电脑端测试软件,设置测试温度、激发频率、振幅、测试时间等参数,进行样品试振,初步获得材料的模量与弹性模量参数;
7.自动测试:点击自动测试按钮,发送激发信号、采集振动信号,并计算出内耗与弹性模量值,得到结果并进行分析;
8.关闭系统:测试结束,停止测试程序,关闭测试软件和电源。
上述测试的原理为:程序驱动激发电机带动振动波轮上的棘齿迫使试样自由端位移,棘齿与试样自由端脱离后试样做自由衰减运动,或采用高频驱动振动波轮高速旋转迫使试样做强迫振动,采用振动传感器采集试样振动曲线或振幅信号,获得试样的振幅-时间曲线、振幅-频率曲线,计算出材料的阻尼、弹性模量等参数,同时根据试样阻尼、弹性模量随温度、频率、振幅的变化曲线,进而得到材料的微观缺陷的种类、浓度、激活能等特征信息。
本发明提供的内耗测量方法,包括以下步骤:
S1.将片状试样置于真空环境,固定片状试样的上端部,使片状试样的下端部向下竖直延伸;
S2.将试样的下端部加热至设定温度;
S3.采用机械拨动的方式驱使试样的下端部按设定频率产生振动;
S4.采用光学传感器向试样下端部发射光线,并接收试样反射回的光线,通过检测发射光线与反射光线的角度差计算试样的振幅,实现内耗测量。
优选地,步骤S3中机械拨动时施加在试样上驱动力的方向垂直于试样在铅锤状态下所在的平面。
优选地,步骤S2中的加热为辐射加热,加热范围局限在试样下端部所在区域。
优选地,所述内耗测量方法采用上述便携式内耗测量仪进行测量。
该方法摒弃了静电激发及电极测量的方式,可靠性好、测量精度高、适用范围广、工作频率宽。
下面以具体试样的测试进行说明。
采用厚度在20-250μm之间、宽度在2-6mm之间、长度在15-70mm之间的片状试样进行测试,夹持试样上端部,试样的下端部受振动波轮上棘齿推动,产生了一个与试样厚度方向上的垂直作用力,迫使试样弹性变形产生弯曲,随着振动波轮旋转到一定角度后,棘齿的齿尖与变形的试样分离,试样靠自身的弹性动态振荡直至恢复到原有的铅锤平衡状态,如图7所示,片状试样材料在厚度方向上受到点作用力或者面作用力时,与作用力接触的这面材料拉伸,背面材料会压缩,因此在厚度方向做剖面可以观察到厚度方向上基本上中线所代表的平面是无变形的,根据虎克弹性定律和连续性方程,求解可得,片状试样的杨氏模量计算公式:
其中,l-试样振动的长度;d-试样的厚度;f-试样振动的频率(通常采用一阶共振频率),Mn为特征常数。
阻尼值计算公式为:
E为材料本征属性,不随试样长短、粗细、外形改变,当改变l长度时,测量频率也会随着改变,如图8所示,自由端长度越长,共振频率越低。通过测量材料在不同频率、温度下获得的内耗曲线,如图9所示,可以进一步研究对应的内耗峰反映的微观机制与动力学过程,在核反应堆中材料的抗辐照老化评估领域具有重要的应用价值。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种便携式内耗仪,包括沿上下方向延伸的密闭腔体,所述腔体内设有试样夹具、加热板、热障罩、激发组件和振动传感器,所述试样夹具用于夹持片状试样的上端部,所述加热板用于加热所述试样的下端部,所述热障罩包裹住所述加热板及所述试样下端部,以便在所述腔体内形成局部高温区域,其特征在于:
所述激发组件通过机械拨动的方式驱使所述试样下端部产生振动,所述激发组件包括转动轴心线平行于所述试样在铅锤状态下所在平面以及水平面的振动波轮,所述振动波轮的外壁至少有一凸出部,在所述振动波轮转动时,所述凸出部间歇拨动所述试样的下缘,使所述试样的下端部产生振动,所述振动传感器用于发射光线照射所述试样并接受所述试样的反射光线,通过测量发射光线与反射光线的角度差判断所述试样的振动幅度,实现内耗测量。
2.根据权利要求1所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述振动波轮的外壁设有四个向外凸出的棘齿,这四个棘齿的高度随顺时针方向依次增加。
3.根据权利要求1所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述热障罩上开设有用于发射光线和反射光线穿过的观察孔,所述观察孔和所述加热板分别位于所述试样的前后侧。
4.根据权利要求3所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述观察孔的轴心线垂直于所述试样在铅锤状态下所在的平面。
5.根据权利要求4所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述振动传感器上设有正对所述观察孔的探测口,所述探测口高于所述试样的下缘,所述探测口所在平面与所述试样所在平面之间夹角的波动范围为±15°。
6.根据权利要求3所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述热障罩包括多层嵌套设置的金属盒,所述金属盒的上下表面开设有用于所述试样穿过的开口。
7.根据权利要求6所述的便携式内耗仪,其特征在于:相邻的所述金属盒之间通过螺栓锁定,调节所述螺栓能够改变相邻金属盒之间、所述金属盒与所述试样之间的距离。
8.根据权利要求1所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述腔体的上端部连接有带把手的上盖,试样夹具连接在所述上盖上并向下延伸。
9.根据权利要求8所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述试样夹具包括支撑棒、滑动夹头、压片,所述支撑棒呈圆柱状,所述支撑棒的上端部连接在所述上盖上并与所述上盖同轴设置,所述滑动夹头可上下滑动地连接在所述支撑棒的下端部,所述压片用于将所述试样的上端部压紧在所述滑动夹头上。
10.根据权利要求1所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述腔体的下端部连接有底座,所述底座上连接有向上竖直延伸的固定板和侧方位安装板,所述固定板用于安装所述加热板和所述热障罩,所述侧方位安装板用于安装所述振动传感器,所述底座上还设置有用于驱动所述振动波轮转动的激发电机。
11.根据权利要求1所述的便携式内耗仪,其特征在于:所述腔体上设有观察窗、电学及真空法兰接口,所述观察窗位于所述腔体下端部并正对所述试样及所述振动波轮,所述电学及真空法兰接口位于所述观察窗的对向侧。
12.一种内耗测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.将片状试样置于真空环境,固定片状试样的上端部,使片状试样的下端部向下竖直延伸;
S2.将试样的下端部加热至设定温度;
S3.采用机械拨动的方式驱使试样的下端部按设定频率产生振动;
S4.采用光学传感器向试样下端部发射光线,并接收试样反射回的光线,通过检测发射光线与反射光线的角度差计算试样的振幅,实现内耗测量。
13.根据权利要求12所述的内耗测量方法,其特征在于:步骤S3中机械拨动时施加在试样上驱动力的方向垂直于试样在铅锤状态下所在的平面。
14.根据权利要求12所述的内耗测量方法,其特征在于:步骤S2中的加热为辐射加热,加热范围局限在试样下端部所在区域。
15.根据权利要求12所述的内耗测量方法,其特征在于:所述内耗测量方法采用权利要求1-11中任意一项便携式内耗测量仪进行测量。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210004241.8A CN114428025B (zh) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 |
EP22918021.1A EP4443128A1 (en) | 2022-01-04 | 2022-03-02 | Portable internal friction measuring apparatus and internal friction measurement method |
PCT/CN2022/078777 WO2023130554A1 (zh) | 2022-01-04 | 2022-03-02 | 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210004241.8A CN114428025B (zh) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114428025A true CN114428025A (zh) | 2022-05-03 |
CN114428025B CN114428025B (zh) | 2023-09-26 |
Family
ID=81310962
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210004241.8A Active CN114428025B (zh) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP4443128A1 (zh) |
CN (1) | CN114428025B (zh) |
WO (1) | WO2023130554A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117233011B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-03-05 | 中国石油天然气集团有限公司 | 便携式力学测试设备 |
Citations (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB590262A (en) * | 1945-04-16 | 1947-07-11 | High Duty Alloys Ltd | Apparatus for use in investigating fatigue phenomena and damping capacity |
US3176505A (en) * | 1962-08-13 | 1965-04-06 | Boeing Co | Vibration energy transfer techniques using stretched line element |
FR2287692A1 (fr) * | 1974-10-11 | 1976-05-07 | Exxon Standard Sa | Machine pour etudier le fluage ou la fatigue d'un materiau soumis a des contraintes dynamiques de compression ou de traction |
US4879905A (en) * | 1988-10-11 | 1989-11-14 | China Steel Corporation | Apparatus for measuring the internal friction of a tranversely vibrating metal specimen |
DE102007038479A1 (de) * | 2007-08-14 | 2009-02-19 | Materia Consult Gmbh | Verfahren und Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffs |
JP2010061029A (ja) * | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Olympus Corp | 光学的振幅検出方法及び振幅制御方法 |
RU2675076C1 (ru) * | 2017-12-05 | 2018-12-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Способ измерения частотных характеристик механических конструкций оптическим методом |
CN110567877A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-13 | 苏州热工研究院有限公司 | 激光薄膜内耗仪及材料内耗的检测方法 |
CN211013996U (zh) * | 2019-09-26 | 2020-07-14 | 苏州热工研究院有限公司 | 激光薄膜内耗仪 |
US20210104866A1 (en) * | 2019-10-02 | 2021-04-08 | Analog Devices International Unlimited Company | Laser driver designs to reduce or eliminate fault laser firing |
CN113624326A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-09 | 陕西帆瑞威光电科技有限公司 | 一种基于光纤的高灵敏度振动传感器 |
WO2021224909A1 (en) * | 2020-05-03 | 2021-11-11 | Resosense | System and method for detecting structural damage to a rigid structure |
US20220136957A1 (en) * | 2019-02-26 | 2022-05-05 | Hahn -Schickard-Gesellschaft fü angewandte Forschung e.V. | Photoacoustic spectroscope having a vibrating structure as sound detector |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7654145B2 (en) * | 2007-09-27 | 2010-02-02 | Siemens Energy, Inc. | Non-synchronous vibrational excitation of turbine blades using a rotating excitation structure |
JP5268548B2 (ja) * | 2008-10-07 | 2013-08-21 | 株式会社神戸製鋼所 | 帯状体の非接触加振装置、これを用いた張力測定装置、及び張力測定方法 |
CN202421134U (zh) * | 2011-11-22 | 2012-09-05 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 振动梁式材料阻尼性能测试仪 |
CN103245727B (zh) * | 2012-02-10 | 2015-09-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种微米尺度材料内耗与模量测量装置 |
CN103163066B (zh) * | 2013-02-19 | 2015-09-30 | 中山大学 | 一种液体机械损耗分析仪 |
CN105738229B (zh) * | 2016-02-04 | 2018-11-09 | 香港城市大学深圳研究院 | 一种高频疲劳测试装置和微观形貌观察装置 |
KR101862729B1 (ko) * | 2016-12-13 | 2018-05-31 | 사단법인 캠틱종합기술원 | 초음파 가진을 이용한 공구의 진동특성 분석장치 |
CN107091878B (zh) * | 2017-04-27 | 2020-08-07 | 中国地质大学(武汉) | 基于瞬态激发的杨氏模量测量仪 |
CN107024381A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-08-08 | 西南交通大学 | 一种正弦位移激励加载装置及测试设备 |
CN109822429B (zh) * | 2019-04-08 | 2020-03-06 | 中国石油大学(华东) | 用于制备金属电子背散射衍射试样的振动抛光机 |
CN110208386A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-09-06 | 武汉钢铁有限公司 | 高温内耗值测试方法及装置 |
CN110987595B (zh) * | 2019-12-19 | 2020-11-27 | 北京大学 | 一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置 |
CN213275450U (zh) * | 2020-09-15 | 2021-05-25 | 河南理工大学 | 振动波激励用煤岩材料自振频率测试实验系统 |
CN113030128A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-25 | 中国原子能科学研究院 | 一种辐照在线内耗原位测量装置 |
CN112834619A (zh) * | 2021-02-20 | 2021-05-25 | 郑州琼佩电子技术有限公司 | 一种冲击型的水稳无机结合材料强度检测方法 |
CN214953240U (zh) * | 2021-04-07 | 2021-11-30 | 中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司 | 一种激发振动弹性模量测量装置 |
-
2022
- 2022-01-04 CN CN202210004241.8A patent/CN114428025B/zh active Active
- 2022-03-02 EP EP22918021.1A patent/EP4443128A1/en active Pending
- 2022-03-02 WO PCT/CN2022/078777 patent/WO2023130554A1/zh unknown
Patent Citations (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB590262A (en) * | 1945-04-16 | 1947-07-11 | High Duty Alloys Ltd | Apparatus for use in investigating fatigue phenomena and damping capacity |
US3176505A (en) * | 1962-08-13 | 1965-04-06 | Boeing Co | Vibration energy transfer techniques using stretched line element |
FR2287692A1 (fr) * | 1974-10-11 | 1976-05-07 | Exxon Standard Sa | Machine pour etudier le fluage ou la fatigue d'un materiau soumis a des contraintes dynamiques de compression ou de traction |
US4879905A (en) * | 1988-10-11 | 1989-11-14 | China Steel Corporation | Apparatus for measuring the internal friction of a tranversely vibrating metal specimen |
DE102007038479A1 (de) * | 2007-08-14 | 2009-02-19 | Materia Consult Gmbh | Verfahren und Prüfvorrichtung zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffs |
JP2010061029A (ja) * | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Olympus Corp | 光学的振幅検出方法及び振幅制御方法 |
RU2675076C1 (ru) * | 2017-12-05 | 2018-12-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Способ измерения частотных характеристик механических конструкций оптическим методом |
US20220136957A1 (en) * | 2019-02-26 | 2022-05-05 | Hahn -Schickard-Gesellschaft fü angewandte Forschung e.V. | Photoacoustic spectroscope having a vibrating structure as sound detector |
CN110567877A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-13 | 苏州热工研究院有限公司 | 激光薄膜内耗仪及材料内耗的检测方法 |
CN211013996U (zh) * | 2019-09-26 | 2020-07-14 | 苏州热工研究院有限公司 | 激光薄膜内耗仪 |
US20210104866A1 (en) * | 2019-10-02 | 2021-04-08 | Analog Devices International Unlimited Company | Laser driver designs to reduce or eliminate fault laser firing |
WO2021224909A1 (en) * | 2020-05-03 | 2021-11-11 | Resosense | System and method for detecting structural damage to a rigid structure |
CN113624326A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-09 | 陕西帆瑞威光电科技有限公司 | 一种基于光纤的高灵敏度振动传感器 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
余田;张国华;孙其诚;赵雪丹;马文波;: "垂直振动激励下颗粒材料有效质量和耗散功率的研究" * |
余田;张国华;孙其诚;赵雪丹;马文波;: "垂直振动激励下颗粒材料有效质量和耗散功率的研究", 物理学报, no. 04 * |
宋君烈.: "内耗测试扭摆仪的自动激发控制", 《1995中国控制与决策学术年会》 * |
方前锋;王辉;王先平;王理;庄重;: "扭摆法和振簧法测量内耗振幅效应的修正公式" * |
方前锋;王辉;王先平;王理;庄重;: "扭摆法和振簧法测量内耗振幅效应的修正公式", 中国测试, no. 04 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023130554A1 (zh) | 2023-07-13 |
CN114428025B (zh) | 2023-09-26 |
EP4443128A1 (en) | 2024-10-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2018517123A (ja) | 回転磁場ホール装置、回転磁場ホール装置を動作させる方法、およびコンピューティング・システム | |
CN103245727B (zh) | 一种微米尺度材料内耗与模量测量装置 | |
CN109387564B (zh) | 一种基于锂枝晶生长的锂离子电池在线检测方法及装置 | |
CN114428025B (zh) | 一种便携式内耗测量仪及一种内耗测量方法 | |
CN211013996U (zh) | 激光薄膜内耗仪 | |
CN109490417A (zh) | 一种金属材料平面各项异性超声检测方法 | |
CN110567877A (zh) | 激光薄膜内耗仪及材料内耗的检测方法 | |
EP0189040A2 (en) | Method for monitoring the crystallographic texture of metallic tubes by use of x-ray diffraction | |
CN109060396B (zh) | 一种消费品化学成分检测分析用超声波萃取仪的超声萃取性能核查装置及方法 | |
EP2077449A1 (en) | Reverse x-ray photoelectron holography device and its measuring method | |
CN105890553A (zh) | 一种使用x射线在线测量超导电缆扭转率的无损检测方法 | |
CN109946385A (zh) | 一种评价材料早期力学损伤的超声方法 | |
US20100319454A1 (en) | Method and system for determining young's modulus and poisson's ratio for a crystalline material | |
CN210322851U (zh) | 一种工业计算机断层扫描成像技术样品夹持装置 | |
Dunn | Nonlinear vibro-ultrasonics for detection of damage and weak bonds in composites | |
CN2251721Y (zh) | 激光粒度测试仪 | |
RU2510487C1 (ru) | Устройство для калибровки датчика измерения малых перемещений | |
CN2135779Y (zh) | 多功能土木工程测试仪 | |
CN111578977A (zh) | 光纤光栅传感器多功能测试装置及方法 | |
CN212482677U (zh) | 一种采用激光激振检测物体固有频率的装置 | |
CN218157256U (zh) | 一种材料弹性模量的检测装置 | |
CN104048633B (zh) | 一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置及方法 | |
CN214794538U (zh) | 一种xafs测试多样品进样装置 | |
Hamidouche et al. | Electro-acoustic reflectometry: Reaching high spatial resolution and high sensitivity for space charge measurements | |
KR102295157B1 (ko) | 방사선 관전압 및 관전류 검사 장치와, 이를 이용한 방사선 제품 검사 방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |