CN115790878A - 多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及其使用方法，包括热电偶、热电偶夹具、外壳、滑块、固定块、挡锁、摆动块和弹簧。滑块的螺纹孔与热电偶夹具的连接圆柱连接，热电偶的固定端与热电偶夹具中第一圆柱孔连接，第一热电偶和第二热电偶的输入端分别与正极线和负极线连接，摆动块的安装端和第一复位弹簧的第一端连接，第一复位弹簧的第二端和热电偶夹具中第二圆柱孔连接，挡锁的固定端和热电偶的安装端连接。矩形弹簧的第一端和滑块的第一固定槽连接，矩形弹簧的第二端和固定块的第二固定槽连接，定位弹簧和定位小球连接。本发明能够测试试件热成形的温度，能够在热成形试件大变形时对位移进行补偿，提高测试温度的精度。

Description

多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及双针式热电偶测温领域，特别涉及一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及其使用方法。

背景技术

在测试试件热成形性能时，温度测试的精度及控制十分重要，通常采用测温元件热电偶对温度进行测量，它能通过对热电偶两端的两个端子进行施压，使两个端子所附带的矩形弹簧产生变形，从而实现充分接触，直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。

在板状、块状金属冷变形或热变形的加工工艺过程中，变形中的温度监测技术是必要的一环。试验中，为准确获得两被测点间的跨间电压，通常采用一种双针式热电偶进行接触测温。由于该热电偶正负极采用开路设计，接触测温时需要人工对热电偶测量端的两个端子进行施压，从而实现充分接触，达到测量温度的目的。常规测温过程中，人工施压无法做到接触压力的恒定调控，引入了压力变量。当试件变形量较大或变形区域为异种材料时，温度测试结果会出现偏差，降低控温精度，影响对试件热成形性能的检测。

为解决上述诸多问题，本发明设计出一种具有多个自由度、能够补偿大变形位移以及精准的测试大变形试件温度的多自由度变形适应的双针热电偶测温装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及使用方法，该装置的双针热电偶同时具有转动自由度和平动自由度，具有补偿试样大变形位移的作用，适应于体热变形对温度的更精准测量，主要是通过利用转动组件中第一复位弹簧、挡锁和摆动块及平动组件中的固定块、滑块和矩形弹簧，使热电偶能够随着试件的大变形发生移动，从而使热电偶能够一直和试件进行接触；通过调节平动组件中固定块和滑块，并配合定位小球，来调节矩形弹簧的位置和预紧力，使热电偶与试件之间具有可调节的初始接触压力，使热电偶能够随着试件的大变形发生移动且测温点不发生变化，从而提高在变形过程中对温度的控制精度。

本发明提供了一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其包括热电偶、热电偶夹具、外壳、滑块、矩形弹簧、固定块、挡锁、摆动块、复位弹簧、弹簧柱、保护圆柱、磁铁、定位弹簧、定位小球和套筒。所述热电偶夹具的第一端为连接圆柱，所述连接圆柱的内部设有第二固定孔，所述热电偶夹具的第二端为U型插头，所述U型插头的两侧对称设有圆柱孔，所述滑块内部的中心设有第一螺纹孔，所述第一螺纹孔的两侧分别设有六角螺母槽和圆形槽，所述滑块内部的一侧设有第一固定孔，所述滑块外部的一侧设有第一固定槽，所述固定块中部设有保护圆柱孔，所述保护圆柱孔的上端和下端分别设有第二固定槽和移动孔，所述固定块中部的两侧分别设有第二定位孔和放置孔。所述热电偶的固定端和所述热电偶夹具中U型插头上第一圆柱孔的第一端连接，所述摆动块的第一安装端和热电偶夹具中U型插头上第一圆柱孔的第二端连接，第一热电偶和第二热电偶的输入端分别与正极线和负极线连接，所述摆动块的第二安装端和第一复位弹簧的第一端连接，所述第一复位弹簧的第二端通过弹簧柱和所述热电偶夹具中U型插头的第二圆柱孔连接，所述挡锁的固定端和所述热电偶的安装端连接，所述挡锁的活动端和所述摆动块接触，所述摆动块实现双针热电偶测温装置的复位。所述热电偶夹具的连接圆柱的滑动端和滑道接触，所述滑块的第一螺纹孔与所述热电偶夹具的连接圆柱的固定端连接，所述矩形弹簧的第一端和所述滑块的第一固定槽连接，所述矩形弹簧的第二端和所述固定块的第二固定槽连接，所述定位弹簧和定位小球连接，所述保护圆柱的第一端位于所述矩形弹簧的内部，所述保护圆柱的第二端穿过保护圆柱孔和所述套筒连接，通过调节滑道和第一定位孔之间的距离来改变矩形弹簧的压缩量实现装置的自由度，并使热电偶具有初始接触压力。

可优选的是，第二复位弹簧位于所述滑块的圆形槽内，第一六角螺母位于所述滑块的六角螺母槽内，第二复位弹簧的两端分别与第一固定孔和第二固定孔连接，所述套筒位于所述固定块的移动孔内，所述套筒的安装端和所述磁铁连接，所述定位弹簧位于所述套筒内部，所述定位小球位于所述固定块的第二定位孔和外壳上第一定位孔之间，所述磁铁位于所述固定块的放置孔内。

可优选的是，所述热电偶夹具的U型插头、所述第一复位弹簧、所述弹簧柱、所述挡锁和所述摆动块组成转动组件。

可优选的是，所述滑块、所述热电偶夹具的连接圆柱、所述矩形弹簧、所述第二复位弹簧、所述固定块、所述定位弹簧、所述定位小球、所述保护圆柱和所述套筒组成平动组件；所述矩形弹簧、所述滑块的第一固定槽、所述固定块的第二固定槽、所述保护圆柱的轴线在同一条直线上。

可优选的是，所述平动组件对称分布在所述外壳的内部，所述转动组件对称分布在所述外壳的外部。

可优选的是，在平动组件的水平方向中，所述滑块向靠近矩形弹簧方向移动距离的表达式为：

Δs_1max≤L₁

其中，s₀为双针热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，s₁'为滑块向靠近矩形弹簧方向移动时热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，Δs₁为滑块向后移动的距离，r₀为热电偶针从热电偶夹具中心位置到针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₁'为热电偶针头部向上移时的移动距离，Δs_1max为滑块向后移动的最大距离，L₁为连接圆柱滑动端中心位置与滑道末端的距离；

当l₁'＜l₀，滑块向远离矩形弹簧方向移动；当l₁'＝l₀时，滑块最大移动量

当l₁'＞l₀时，滑块重新向靠近矩形弹簧方向移动。

所述滑块向远离矩形弹簧方向移动距离的表达式为：

Δs_2max≤L₂

其中，s₀为热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，s₂'为滑块向远离矩形弹簧方向移动时热电偶针头部距离滑块中心点的垂直距离，Δs₂为滑块向前移动的距离，r₀为热电偶从热电偶夹具中心位置到热电偶针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，Δs_2max为滑块向前移动的最大距离，L₂为连接圆柱滑动端中心位置与滑道前端的距离；

由于滑道长度的限制，滑块向远离矩形弹簧方向移动的距离Δs₂≤L₂，Δs_max＝s_1max-s_2max，Δs_max为滑块的最大移动距离。

可优选的是，在转动组件的转动方向中，为了使热电偶不会与外壳发生干涉，保证热电偶转过的角度α小于摩擦角β，其具体关系表达式为：

α＜β

L'＞L

其中，α为热电偶转过的角度，β为摩擦角，r₀为热电偶针从热电偶夹具中心位置到针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，L'为双针热电偶的部分长度，L为滑块在滑道上的可移动距离。

可优选的是，所述外壳的第一端、第二端和第三端分别设有第二螺纹孔、第一定位孔和滑道，所述第一螺纹孔、所述第一定位孔和所述滑道分别对称分布在所述外壳的两侧。

本发明的另外一方面，提供一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法，其包括以下步骤：

S1、组装转动组件：依次将热电偶和摆动块固定在热电偶夹具上，将挡锁固定在热电偶上，将第一复位弹簧安装在摆动块和热电偶夹具的U型插头之间；

S2、组装平动组件：依次将磁铁、定位弹簧、套筒和定位小球安装在固定块上，在将矩形弹簧安装在固定块和滑块之间，将保护圆柱置于矩形弹簧内，通过螺钉将第二复位弹簧置于滑块的第一固定孔和热电偶夹具第二固定孔之间，利用第一复位弹簧和第二复位弹簧使第一热电偶和第二热电偶处于初始状态；

S3、通过外壳的第二螺纹孔将双针热电偶测温装置安装在实验机的合适位置上，将第一热电偶和第二热电偶的测量端分别与大变形试件连接，并通过改变定位小球在第一定位孔的位置以及滑块的位置来调节热电偶在水平方向的移动距离以及通过调节摆动块相对热电偶夹具的角度调节热电偶转动的角度，使双针热电偶测温装置更加贴合大变形试件；

S4、分别接通与正极线连接的第一热电偶和与负极线连接的第二热电偶，给予大变形试件一定的试验力并进行试验，在试验期间第一热电偶和第二热电偶分别与大变形试件贴合并随大变形试件的变形而发生移动，连续测量大变形试件在热变形时的温度，并记录跨间温度数据。

可优选的是，测温装置中的热电偶在工作过程，需要使保护圆柱的长度满足以下条件：

其中，F_I为热电偶承受的最大力，L_k为矩形弹簧的长度，L_y为保护圆柱的长度，从而避免出现弯曲受损。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明的测温装置采用固定块及滑块，配合定位小球，可以调节矩形弹簧的位置，使双针热电偶与试件之间具有可调节的初始接触压力，热电偶夹具与滑块之间的欠定位配合，使热电偶夹具能够转动和沿滑道移动，热电偶双针具有多自由度，能够测量试件立体复杂变形时的温度。

2.本发明在试件发生三维立体变形时，双针热电偶在滑块、热电偶夹具和矩形弹簧的作用力下能够随着试件的剧烈变形而运动，热电偶双针始终与试件表面接触，随着变形量的增大进行位移补偿，提高在变形过程中对温度的控制精度。

3.本发明的测温装置设置有第一复位弹簧、第二复位弹簧、摆动块及挡锁等复位机构，保证第一热电偶和第二热电偶具有相同的初始状态。

4.本发明的测温装置设置有热电偶双针保护装置，试件发生立体复杂变形时，提前保守估计变形量困难，无法预知变形位置，在矩形弹簧中装有保护圆柱当矩形弹簧受力达到热电偶双针的刚度时会压缩到保护圆柱，保护圆柱能撞击定位弹簧圆套筒使固定块移动，保护热电偶双针避免热电偶双针受力过大而发生弯曲。

5.本发明的测温装置调节方便，热电偶双针活动范围较大，能够实现较大跨间距离点的温度测量；热电偶双针距离较小，能够更精准的协调位移，具有更大的适配范围；在变形体为两种异种材料时，当加热升温到所需温度的时间不同时，双针热电偶可以分别置于不同的材料上，更精准测量每种材料的温度。

附图说明

图1为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的整体结构图；

图2为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的内部结构图；

图3为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的剖面图；

图4为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置中热电偶夹具的结构图；

图5a-图5b为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置中滑块的结构图；

图6a-图6b为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置中固定块的结构图；

图7为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置中热电偶单侧的运动范围计算图；

图8为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法的流程图；

图9为本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置测量7A04铝合金试样在变形过程中两测温点间温度的差值数据图。

主要附图标记：

第一热电偶1，螺栓2，热电偶夹具3，正极线4，第一定位孔5，外壳6，滑块7，矩形弹簧8，定位小球9，固定块10，负极线11，螺钉12，第一六角螺母13，第二热电偶14，第二六角螺母15，六角螺母槽16，第一螺纹孔17，第一固定槽18，第二螺纹孔19，滑道20，第二定位孔21，第二固定槽22，圆形槽23，挡锁24，摆动块25，第一复位弹簧26，弹簧柱27，第二复位弹簧28，保护圆柱29，磁铁30，定位弹簧31，套筒32，放置孔33，移动孔34，第一固定孔35，第二固定孔36，圆柱孔37，保护圆柱孔38。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，如图1至图3所示，包括第一热电偶1、第二热电偶14、热电偶夹具3、外壳6、滑块7、矩形弹簧8、固定块10、挡锁24、摆动块25、第一复位弹簧26、第二复位弹簧28、弹簧柱27、保护圆柱29、磁铁30、定位弹簧31和套筒32，第一热电偶1和第二热电偶14均具有转动自由度和平动自由度，平动自由度通过滑道20和第一定位孔5的位置调整热电偶的位置，转动自由度能够起到补偿大变形位移的作用，适应于体热变形对温度的更精准测量。

如图4所示，热电偶夹具3的第一端为连接圆柱，连接圆柱的内部设有第二固定孔36，热电偶夹具3的第二端为U型插头，U型插头的两侧对称设有圆柱孔37；如图5a-图5b所示，滑块7内部的中心设有第一螺纹孔17，第一螺纹孔17的两侧分别设有六角螺母槽16和圆形槽23，滑块7内部的一侧设有第一固定孔35，滑块7外部的一侧设有第一固定槽18；如图6a-图6b所示，固定块10中部设有保护圆柱孔38，保护圆柱孔38的上端和下端分别设有第二固定槽22和移动孔34，固定块10中部的两侧分别设有第二定位孔21和放置孔33。

如图1所示，具体而言，外壳6的第一端、第二端和第三端分别设有第二螺纹孔19、第一定位孔5和滑道20，第二螺纹孔19、第一定位孔5和滑道20分别对称分布在外壳6的两侧，第二螺纹孔19将双针热电偶测温装置安装在实验台上。

如图2和图3所示，第一热电偶1的固定端和第二热电偶14的固定端分别通过螺栓2和第二六角螺母15与对称分布在外壳6两侧的热电偶夹具3中U型插头上第一圆柱孔的第一端连接，摆动块25的第一安装端和热电偶夹具3中U型插头上第一圆柱孔的第二端连接，所述第一热电偶1和第二热电偶14的输入端分别与正极线4和负极线11连接，第一热电偶1的固定端和第二热电偶14能通过滑块7、固定块10、定位孔5和矩形弹簧8进行位置的调节，热电偶夹具3具有转动自由度且可在滑道20上移动。摆动块25的第二安装端和第一复位弹簧26的第一端连接，第一复位弹簧26的第二端通过弹簧柱27和热电偶夹具3中U型插头的第二圆柱孔连接，挡锁24的固定端分别与第一热电偶1和第二热电偶14的安装端连接，挡锁24的活动端和摆动块25接触，摆动块25、挡锁24和第一复位弹簧26共同实现双针热电偶测温装置的复位。

如图2所示，热电偶夹具3的连接圆柱的滑动端与滑道20接触，滑块7的第一螺纹孔17与热电偶夹具3的连接圆柱的固定端连接，矩形弹簧8的第一端和滑块7的第一固定槽18连接，矩形弹簧8的第二端和固定块10的第二固定槽22连接，固定块10和滑块7共同调节矩形弹簧8的位置，起到调节第一热电偶1和第二热电偶14位置的作用，定位弹簧31和定位小球9连接，保护圆柱29的第一端位于矩形弹簧8的内部，保护圆柱29的第二端穿过保护圆柱孔38和套筒32连接，保护圆柱29能撞击套筒32使固定块10进行移动，保护热电偶；通过定位小球9和滑块7共同调节热电偶的位置及矩形弹簧8的预紧力，实现热电偶与测试件的充分接触，通过调节滑道20和第一定位孔5之间的距离来改变矩形弹簧8的压缩量实现装置的自由度，并使热电偶具有初始接触压力。

第二复位弹簧28位于滑块7的圆形槽23内，第一六角螺母13位于滑块7的六角螺母槽16内，第二复位弹簧28的两端分别与第一固定孔35和第二固定孔36连接，复位弹簧使热电偶保持相同的静止初始状态，螺钉12位于第二复位弹簧28的内部，螺钉12将滑块7和热电偶夹具3进行连接，套筒32位于固定块10的移动孔34内，套筒32的安装端和磁铁30连接，通过磁铁30的磁力和固定块10连接，定位弹簧31位于套筒32的内部，定位小球9位于固定块10的第二定位孔21和外壳6上第一定位孔5之间，定位小球9将固定块10与外壳6进行连接，定位弹簧31和定位小球9连接，向内按压定位小球9推动定位弹簧31能够调节固定块10的位置，磁铁30位于固定块10的放置孔33内。

在本发明的一个优选实施例中，热电偶夹具3的U型插头、摆动块25、第一复位弹簧26、弹簧柱27和挡锁24组成转动组件，转动组件对称分布在外壳6的外部。

转动组件使热电偶能在平面的一定范围内进行转动，因测温过程需要热电偶与试件充分接触，在考虑测试装置尺寸时，热电偶针头部转动的角度α为：

由此可得热电偶的转动弧长s₁的表达式为：

根据滑块7的最大移动距离Δs_max，热电偶针头部可转动经过的最大面积S_max的表达式为：

S_max＝Δs_max*2*(l₀+l₂')

在实验中，热电偶和试件之间的预设接触压力F₀要控制在合理的范围之内。因此多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置中矩形弹簧8的预设接触压力要在滑块7最大滑动距离时也具有接触压力，因此F₀＞k*Δs_max，式中k为弹簧的劲度系数，表达式如下：

其中，G为弹簧剪切弹性模量，d为弹簧线径，n为弹簧圈数，D为弹簧中径。假设弹簧均匀变形，则矩形弹簧8的劲度系数k为定值，并由实验测得。

当热电偶的针头部运动时，若与矩形弹簧8的弹力垂直方向的力F₁过大，热电偶针头部在此方向上发生滑动，热电偶针头部与试件不能充分接触，因此F₁＜F_μ，F_μ为试件表面的摩擦力，μ为与材料表面相关的摩擦系数，β为摩擦角，表达式如下：

μ＝tanβ

为了使热电偶不会与外壳6发生干涉，保证热电偶转过的角度α小于摩擦角β，其具体关系表达式为：

α＜β

为了避免第一热电偶1和第二热电偶14在移动时与外壳6发生干涉，碰到外壳6，因此热电偶的部分长度L'要大于滑块7在滑道20上的可移动距离L，具体表达式为：

L'＞L

其中，α为热电偶转过的角度，β为摩擦角，r₀为热电偶针从热电偶夹具中心位置到热电偶针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，L'为热电偶的部分长度，L为滑块7在滑道20上的可移动距离。

具体而言，由于热电偶具有一定刚度，当热电偶受到矩形弹簧8的作用力过大时会使热电偶发生弯曲受损，为保护热电偶，加入了保护圆柱29，则保护圆柱29的长度为：

其中，F_I为热电偶能承受的最大力，L_k为矩形弹簧8的长度，L_y为保护圆柱29的长度。

滑块7、热电偶夹具3的连接圆柱、矩形弹簧8、第二复位弹簧28、固定块10、定位弹簧31、定位小球9、保护圆柱29和套筒32组成平动组件，平动组件对称分布在外壳6的内部；矩形弹簧8、滑块7的第一固定槽18、固定块10的第二固定槽22、保护圆柱29的轴线在同一条直线上。

如图7所示，根据矩形弹簧8的长度确定定位小球9的位置，将滑块7向固定块10所在的位置移动，使矩形弹簧8具有预紧接触力F₀，以防止在测温过程中热电偶与试件接触不充分。当矩形弹簧8处于预紧状态时，滑块7的中心位于O'，热电偶的针头部位于O，在预紧力的作用力下，第一热电偶1和第二热电偶14分别与试件充分接触；当热电偶与试件接触的位置发生变形时，滑块7会在矩形弹簧8的弹力的作用下移动。

在平动组件的水平方向中，随着试件的变形，由于预紧力F₀的作用，第一热电偶1和第二热电偶14也随之发生移动，当热电偶向上移时，其移动距离为l₁'，此双针热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离为s₁'，具体表达式如下：

滑块7向靠近矩形弹簧8的方向移动距离的表达式为：

Δs_1max≤L₁

其中，s₀为热电偶针头部距离滑块7中心点的垂直距离，s₁'为滑块7向靠近矩形弹簧8方向移动时热电偶针头部距离滑块7中心点的垂直距离，Δs₁为滑块7向后移动的距离，r₀为热电偶从热电偶夹具3中心位置到热电偶针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₁'为热电偶针头部向上移时的移动距离，Δs_1max为滑块向后移动的最大距离，L1为连接圆柱滑动端中心位置与滑道末端的距离。

当l₁'＜l₀，滑块7向远离矩形弹簧8的方向移动；当l₁'＝l₀时，滑块7的最大移动量

当l₁'＞l₀时，滑块7重新向靠近矩形弹簧8的方向移动，当热电偶针头部由O点移动距离为2l₀+l₂'时，达到热电偶的最大移动距离，滑块7移动到滑道20最前端被限位，无法再继续移动。

当热电偶向下移动时，其移动距离为l₂'，此时热电偶针头部距离滑块7中心点的垂直距离为s₂'，具体表达式如下：

滑块7向远离矩形弹簧8的方向移动距离的表达式为：

Δs_2max≤L₂

其中，s₀为热电偶头部距离滑块7中心点的垂直距离，s₂'为滑块7向远离矩形弹簧8方向移动时热电偶头部距离滑块7中心点的垂直距离，Δs₂为滑块7向前移动的距离，r₀为热电偶针从热电偶夹具3中心位置到热电偶针针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，Δs_2max为滑块向前移动的最大距离，L2为连接圆柱滑动端中心位置与滑道前端的距离。

由于滑道20的长度限制，滑块7向远离矩形弹簧8的方向移动的距离Δs₂≤L₂，Δs_max＝s_1max-s_2max，Δs_max为滑块的最大移动距离。

以下结合实施例对本发明一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置及使用方法做进一步描述：

本发明多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法，如图8所示，采用双针式热电偶，实验时可自由检测两点间的跨间温度，由于预设接触压力的存在可自由的改变被测两点间的距离、位置等条件。将外壳6安装在试验机上，工作时，根据测量空间的大小及预估变形量的大小，热电偶双针的测量端抵在被测工件上，通过调整定位小球9的位置进而调节热电偶针测量端与工件接触的接触压力。

当工件因拉伸、剪切等试验力而发生变形时，其原本的测温点位由于工件的塑性变形发生改变，热电偶双针因预设定的适当的接触压力作用可随着材料形变而配合运动，使之在测量过程中始终保持其预设定的测温点位。热电偶双针可在滑块7、矩形弹簧8、固定块10和热电偶夹具3的作用下在面内具有平动和转动自由度，热电偶夹具3上安装的第一复位弹簧26、摆动块25和挡锁24以及位于滑块20与热电偶夹具3的连接圆柱之间的第二复位弹簧28能够使热电偶双针复位。

本实施例在7A04铝合金试样热变形单向拉伸试验中，使用本发明装置连续的获取7A04铝合金试样在变形过程中两测温点间温度的差值数据，具体操作步骤如下：

S1、组装转动组件：依次将第一热电偶1、第二热电偶14和摆动块25固定在对称分布在外壳6两侧的热电偶夹具3上，再将挡锁24固定在第一热电偶1和第二热电偶14上，将第一复位弹簧26安装在摆动块25和热电偶夹具3的U型插头之间。

S2、组装平动组件：依次将磁铁30、定位弹簧31、套筒32和定位小球9安装在固定块10上，在将矩形弹簧8安装在固定块10和滑块7之间，将保护圆柱29置于矩形弹簧8内，选择外壳6上合适的第一定位孔5，靠定位弹簧31的弹力将定位小球9固定在第一定位孔5的内部；通过螺钉12将第二复位弹簧28置于滑块7的第一固定孔35和热电偶夹具3的第二固定孔36之间，利用第一复位弹簧26和第二复位弹簧28使第一热电偶1和第二热电偶14处于初始状态。

S3、通过外壳6的第二螺纹孔19将双针热电偶测温装置安装在实验机的合适位置上，将第一热电偶1和第二热电偶14的测量端分别与大变形试件连接，并通过改变定位小球9在第一定位孔5的位置以及滑块7的位置来调节热电偶在水平方向的移动距离以及通过调节摆动块25相对热电偶夹具3的角度调节热电偶转动的角度，使双针热电偶测温装置更加贴合大变形试件。

S4、分别接通与正极线4连接的第一热电偶1和与负极线11连接的第二热电偶14，给予大变形试件一定的试验力并进行试验，在试验期间第一热电偶1和第二热电偶14分别与大变形试件贴合并随大变形试件的变形而发生转动、平动或者转动与平动同时进行的复合运动，从而连续测量大变形试件在热变形时的温度，并记录跨间温度数据，数据结果如图9所示。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其包括热电偶、热电偶夹具、外壳、滑块、矩形弹簧、固定块、挡锁、摆动块、复位弹簧、弹簧柱、保护圆柱、磁铁、定位弹簧、定位小球和套筒，其特征在于，

所述热电偶夹具的第一端为连接圆柱，所述连接圆柱的内部设有第二固定孔，所述热电偶夹具的第二端为U型插头，所述U型插头的两侧对称设有圆柱孔，所述滑块内部的中心设有第一螺纹孔，所述第一螺纹孔的两侧分别设有六角螺母槽和圆形槽，所述滑块内部的一侧设有第一固定孔，所述滑块外部的一侧设有第一固定槽，所述固定块中部设有保护圆柱孔，所述保护圆柱孔的上端和下端分别设有第二固定槽和移动孔，所述固定块中部的两侧分别设有第二定位孔和放置孔；

所述热电偶的固定端和所述热电偶夹具中U型插头上第一圆柱孔的第一端连接，所述摆动块的第一安装端和热电偶夹具中U型插头上第一圆柱孔的第二端连接，第一热电偶和第二热电偶的输入端分别与正极线和负极线连接，所述摆动块的第二安装端和第一复位弹簧的第一端连接，所述第一复位弹簧的第二端通过弹簧柱和所述热电偶夹具中U型插头的第二圆柱孔连接，所述挡锁的固定端和所述热电偶的安装端连接，所述挡锁的活动端和所述摆动块接触，所述摆动块实现双针热电偶测温装置的复位；

所述热电偶夹具的连接圆柱的滑动端和滑道接触，所述滑块的第一螺纹孔与所述热电偶夹具的连接圆柱的固定端连接，所述矩形弹簧的第一端和所述滑块的第一固定槽连接，所述矩形弹簧的第二端和所述固定块的第二固定槽连接，所述定位弹簧和定位小球连接，所述保护圆柱的第一端位于所述矩形弹簧的内部，所述保护圆柱的第二端穿过保护圆柱孔和所述套筒连接，通过调节滑道和第一定位孔之间的距离来改变矩形弹簧的压缩量实现装置的自由度，并使热电偶具有初始接触压力。

2.根据权利要求1所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，第二复位弹簧位于所述滑块的圆形槽内，第一六角螺母位于所述滑块的六角螺母槽内，第二复位弹簧的两端分别与第一固定孔和第二固定孔连接，所述套筒位于所述固定块的移动孔内，所述套筒的安装端和所述磁铁连接，所述定位弹簧位于所述套筒内部，所述定位小球位于所述固定块的第二定位孔和外壳上第一定位孔之间，所述磁铁位于所述固定块的放置孔内。

3.根据权利要求1所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，所述热电偶夹具的U型插头、所述第一复位弹簧、所述弹簧柱、所述挡锁和所述摆动块组成转动组件。

4.根据权利要求1所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，所述滑块、所述热电偶夹具的连接圆柱、所述矩形弹簧、所述第二复位弹簧、所述固定块、所述定位弹簧、所述定位小球、所述保护圆柱和所述套筒组成平动组件；所述矩形弹簧、所述滑块的第一固定槽、所述固定块的第二固定槽、所述保护圆柱的轴线在同一条直线上。

5.根据权利要求1、3或4之一所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，所述平动组件对称分布在所述外壳的内部，所述转动组件对称分布在所述外壳的外部。

6.根据权利要求1或4所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，在平动组件的水平方向中，所述滑块向靠近矩形弹簧方向移动距离的表达式为：

Δs_1max≤L₁

其中，s₀为双针热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，s₁'为滑块向靠近矩形弹簧方向移动时热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，Δs₁为滑块向后移动的距离，r₀为热电偶针从热电偶夹具中心位置到针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₁'为热电偶针头部向上移时的移动距离，Δs_1max为滑块向后移动的最大距离，L₁为连接圆柱滑动端中心位置与滑道末端的距离；

当l₁'＜l₀，滑块向远离矩形弹簧方向移动；当l₁'＝l₀时，滑块最大移动量

当l₁'＞l₀时，滑块重新向靠近矩形弹簧方向移动；

所述滑块向远离矩形弹簧方向移动距离的表达式为：

Δs_2max≤L₂

其中，s₀为热电偶头部距离滑块中心点的垂直距离，s₂'为滑块向远离矩形弹簧方向移动时热电偶针头部距离滑块中心点的垂直距离，Δs₂为滑块向前移动的距离，r₀为热电偶从热电偶夹具中心位置到热电偶针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，Δs_2max为滑块向前移动的最大距离，L₂为连接圆柱滑动端中心位置与滑道前端的距离；

由于滑道长度的限制，滑块向远离矩形弹簧方向移动的距离Δs_2max≤L，Δs_max＝s_1max-s_2max，Δs_max为滑块的最大移动距离。

7.根据权利要求1或3所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法，其特征在于，在转动组件的转动方向中，热电偶转过的角度α小于摩擦角β，其具体关系表达式为：

α＜β

L'＞L

其中，α为热电偶转过的角度，β为摩擦角，r₀为热电偶针从热电偶夹具中心位置到针头部的直线长度，l₀为热电偶针头部与热电偶上部的垂直距离，l₂'为热电偶针头部向下移时的移动距离，L'为双针热电偶的部分长度，L为滑块在滑道上的移动距离。

8.根据权利要求1所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置，其特征在于，所述外壳的第一端、第二端和第三端分别设有第二螺纹孔、第一定位孔和滑道，所述第一螺纹孔、所述第一定位孔和所述滑道分别对称分布在所述外壳的两侧。

9.一种根据权利要求1-8之一所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、组装转动组件：依次将热电偶和摆动块固定在热电偶夹具上，将挡锁固定在热电偶上，将第一复位弹簧安装在摆动块和热电偶夹具的U型插头之间；

S2、组装平动组件：依次将磁铁、定位弹簧、套筒和定位小球安装在固定块上，在将矩形弹簧安装在固定块和滑块之间，将保护圆柱置于矩形弹簧内，通过螺钉将第二复位弹簧置于滑块的第一固定孔和热电偶夹具第二固定孔之间，利用第一复位弹簧和第二复位弹簧使第一热电偶和第二热电偶处于初始状态；

S3、通过外壳的第二螺纹孔将双针热电偶测温装置安装在实验机上，将第一热电偶和第二热电偶的测量端分别与大变形试件连接，并通过改变定位小球在第一定位孔的位置以及滑块的位置来调节热电偶在水平方向的移动距离以及通过调节摆动块相对热电偶夹具的角度调节热电偶转动的角度，使双针热电偶测温装置更加贴合大变形试件；

S4、分别接通与正极线连接的第一热电偶和与负极线连接的第二热电偶，给予大变形试件一定的试验力并进行试验，在试验期间第一热电偶和第二热电偶分别与大变形试件贴合并随大变形试件的变形而发生移动，连续测量大变形试件在热变形时的温度，并记录跨间温度数据。

10.根据权利要求9所述的多自由度体变形适应的双针热电偶测温装置的使用方法，其特征在于，测温装置中的热电偶在工作过程，需要使保护圆柱的长度满足以下条件：

其中，F_I为热电偶承受的最大力，L_k为矩形弹簧的长度，L_y为保护圆柱的长度，从而避免出现弯曲受损。

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