CN116519500A - 一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，涉及霍普金森压杆试验技术领域。该霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，应用霍普金森压杆系统、测温装置和计算机；所述方法包括如下步骤：步骤1、霍普金森压杆试验准备；步骤2、获取试样初始温度点阵；步骤3、霍普金森压杆试验并获取试样动态温度点阵；步骤4、获取试样动态温度云图。本发明的霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，操作简单，结果可靠，可以在霍普金森压杆试验中，避免试样迸溅损失传感器，在10微秒的时间内精确获取试样受动态高冲击荷载过程的动态温度变化，获得较为精准的试样动态温度云图。

Description

一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法

技术领域

本发明涉及霍普金森压杆试验技术领域，具体地说是涉及一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法。

背景技术

在地下工程领域，岩体常受到微震等冲击动载的影响，导致巷道失稳，造成经济损失和人员伤亡。因此需要对在动载时刻下岩体的抗冲效果进行研究，分离式霍普金森压杆就是一种可以获取岩体动态力学性能的设备。目前对岩体动态力学性能的研究已有很多，但是对岩体受动态荷载时，其内部的能量变化的研究较少，需要对岩体实验从微观到宏观进行整体分析，以增强对岩体的动态能量变化的认识，更好的应用到工程实际中，减小经济损失与安全问题。

动态冲击荷载由分离式霍普金森压杆系统加载在试样上时，系统中作用在试样上的能量被试样以多种能量的形式消耗掉，包括：试样压密裂隙消耗的能量，试样内部裂纹萌生与发育开裂的表面能，试样弹塑性形变积累的能量，以及试样受动态高冲击荷载时温度变化的能量等。在过往的研究中，一般将试样视作绝热体，即不与外界产生热交换，但是越来越多的研究表明，受冲击荷载时温度变化所产生的能量不能被忽视，因此对试样的温度变化也极为重要。

但是获取试样温度的变化存在一定难度，分离式霍普金森压杆系统的响应时间一般在10微秒到100微秒之间，作用时间极短，故温度变化的时间也极短。采用一般的测温仪器，其监测最小时差为500微秒，无法服务于分离式霍普金森压杆系统；采用接触式测温设备，因冲击荷载作用在试样上后，试样会崩裂，测温设备也会被损坏，故无法采用接触式的温度监测设备；采用理论计算的方法，仅可作为试验的验证，无法真正获得真实的表面温度变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，以在霍普金森压杆试验中精确获取试样受动态高冲击荷载过程的动态温度云图。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，应用霍普金森压杆系统、测温装置和计算机；所述测温装置包括支撑座、壳体和温度感测单元；支撑座上设置所述壳体，所述壳体的一侧设置开口，开口处活动连接有挡板，所述挡板用于开、关所述开口，所述壳体的另一侧设置感测窗；所述温度感测单元包括感测座、光纤束和光电耦合器，所述感测座的下端设置感测口，所述感测座内设置所述光纤束和所述光电耦合器，所述光纤束由多根光纤成束布置，所述光纤束的一端位于所述感测口，所述光纤束的另一端连接所述光电耦合器；所述光电耦合器经信号线缆连接所述计算机；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、霍普金森压杆试验准备

将支撑座及壳体套在霍普金森压杆系统的入射杆和透射杆上，通过挡板开启开口，将试样夹在入射杆和透射杆之间，通过挡板关闭开口，使感测窗的正投影位于试样上，将感测座连接于壳体上，使感测口对准感测窗；

步骤2、获取试样初始温度点阵

光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器，光电耦合器将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样初始温度点阵；

步骤3、霍普金森压杆试验并获取试样动态温度点阵

由霍普金森压杆系统对试样施加动态高冲击荷载试验，在试验过程中，每间隔设定的时间，由光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器，光电耦合器将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样动态温度点阵；

步骤4、获取试样动态温度云图

计算机由试样初始温度点阵和试样动态温度点阵生成试样动态温度云图。

优选的，所述支撑座包括固定套和转动套，所述固定套的轴心位置开设装配口，所述装配口用于装配入射杆或透射杆，所述固定套的圆周侧转动连接所述转动套，所述转动套固定连接所述壳体；

步骤1中，将装配口装配入射杆或透射杆，在将试样夹在入射杆和透射杆之间后，将转动套相对于固定套转动，以使感测窗对准试样的待感测区域，以使感测窗的正投影位于试样的待感测区域上。

优选的，所述壳体上于感测窗的边沿位置设置有磁条，所述感测座的下端于感测口的边沿位置设置有由磁吸性材料制成的吸合部；

步骤1中，将感测座的吸合部磁性连接磁条，以将感测座连接于壳体上。

优选的，所述感测座的下端于感测口的边沿位置设置有封闭罩；

步骤1中，感测口对准感测窗后，封闭罩的末端抵接壳体。

优选的，在步骤2和步骤3中，“计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度”的具体过程如下：

对每个单点取其外接正六边形区域作为温度感测区域，相邻单点的正六边形区域有重叠部分，对正六边形区域未重叠的部分定义为S1区域，对正六边形区域重叠的部分定义为S2区域，S1区域的温度为实测温度，S2区域的温度为本点温度与相邻单点温度的平均值，S1区域与S2区域的平均温度即为本点温度。

优选的，在步骤2和步骤3中，“汇总所有的单点温度并建立点阵”的具体过程如下：

将各正六边形区域的温度拼接为交叠的过渡点阵，对过渡点阵的S2区域进行插值处理。

本发明的有益技术效果是：

本发明的霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，操作简单，结果可靠，可以在霍普金森压杆试验中，避免试样迸溅损失传感器，在10微秒的时间内精确获取试样受动态高冲击荷载过程的动态温度变化，获得较为精准的试样动态温度云图。

附图说明

图1为本发明实施例霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法的流程图；

图2为本发明实施例测温装置的立体图；

图3为本发明实施例测温装置的主视图；

图4为本发明实施例测温装置的俯视图；

图5为本发明实施例测温装置的左视图；

图6为本发明实施例支撑座的立体图；

图7为本发明实施例支撑座的俯视图；

图8为图7中A-A剖视图；

图9为本发明实施例支撑座的主视图；

图10为图9中B-B剖视图；

图11为本发明实施例壳体的立体图；

图12为本发明实施例壳体的主视图；

图13为本发明实施例壳体的俯视图；

图14为本发明实施例壳体的左视图；

图15为本发明实施例温度感测单元的立体图；

图16为本发明实施例温度感测单元的主视图；

图17为图16中C-C剖视图；

图18为本发明实施例温度感测单元的俯视图；

图19为本发明实施例温度感测单元的仰视图；

图20为本发明实施例光纤束一端的端面图；

图21为图20中D处的局部放大图；

图22为本发明实施例光纤散射排布图；

图23为本发明实施例对单点取温度感测区域的示意图一；

图24为本发明实施例对单点取温度感测区域的示意图二；

图25为本发明实施例得到过渡点阵的效果图；

图26为本发明实施例对过渡点阵插值处理的效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例中，提供一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，请参考图1至图26所示。

一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，应用霍普金森压杆系统、测温装置和计算机，其中，测温装置包括支撑座1、壳体2和温度感测单元3。支撑座1为两个，两个支撑座1之间设置壳体2，壳体2的一侧设置开口21，开口21的边沿位置铰接有挡板22，挡板22用于开、关开口21，壳体2的另一侧设置感测窗23。温度感测单元3包括感测座31、光纤束32和光电耦合器33，感测座31的下端设置感测口311，感测座31内设置光纤束32和光电耦合器33，光纤束32由多根光纤成束布置，光纤束32的一端位于感测口311，光纤束32的另一端连接光电耦合器33；光电耦合器33的线缆插头331经信号线缆连接计算机。

支撑座1包括固定套11和转动套12，固定套11的轴心位置开设装配口111，装配口111用于装配入射杆或透射杆，固定套11的圆周侧转动连接转动套12，转动套12固定连接壳体2。其中，固定套11的圆周外侧装配内嵌套131，转动套12的圆周内侧装配外嵌套132，内嵌套131转动连接外嵌套132。

壳体2上于感测窗23的相对两侧边沿位置设置有磁条24，感测座31的下端于感测口311的边沿位置设置有由磁吸性材料(比如铁)制成的吸合部。

感测座31的下端于感测口311的边沿位置设置有封闭罩312。

所述方法包括如下步骤：

步骤1、霍普金森压杆试验准备

将支撑座1及壳体2套在霍普金森压杆系统的入射杆和透射杆上，通过挡板22开启开口21，将试样夹在入射杆和透射杆之间，通过挡板22关闭开口21，使感测窗23的正投影位于试样上，将感测座31连接于壳体2上，使感测口311对准感测窗23。

其中，通过挡板22关闭开口21，以减少在后续霍普金森压杆试验过程中，热量从开口21散失。

其中，将装配口111装配入射杆或透射杆，在将试样夹在入射杆和透射杆之间后，将转动套12相对于固定套11转动，以使感测窗23对准试样的待感测区域，以使感测窗23的正投影位于试样的待感测区域上。如此，可以主动地调节感测窗23对准试样的待感测区域，而不必在将试样夹在入射杆和透射杆之间时，使试样保持特定姿态。

其中，将感测座31的吸合部磁性连接磁条24，以将感测座31连接于壳体2上。如此，以方便感测座31与壳体2之间的连接，并保持感测座31与壳体2之间装配位置及方向的正确性。

其中，感测口311对准感测窗23后，封闭罩312的末端抵接壳体2。如此，以减少在后续霍普金森压杆试验过程中，热量从感测座31和壳体2之间的缝隙散失。

步骤2、获取试样初始温度点阵

光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器33，光电耦合器33将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样初始温度点阵。

步骤3、霍普金森压杆试验并获取试样动态温度点阵

由霍普金森压杆系统对试样施加动态高冲击荷载试验，在试验过程中，在10微秒内每间隔设定的时间，由光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器33，光电耦合器33将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理去除高频并平滑滤波后，处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样动态温度点阵。

在步骤2和步骤3中，“计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度”的具体过程如下：

如图23、24所示，对每个单点取其外接正六边形区域作为温度感测区域，相邻单点的正六边形区域有重叠部分，对正六边形区域未重叠的部分定义为S1区域，对正六边形区域重叠的部分定义为S2区域，S1区域的温度为实测温度，S2区域的温度为本点温度与相邻单点温度的平均值，S1区域与S2区域的平均温度即为本点温度。

在步骤2和步骤3中，“汇总所有的单点温度并建立点阵”的具体过程如下：

将各正六边形区域的温度拼接为交叠的过渡点阵，如图25所示；对过渡点阵的S2区域进行插值处理，使点阵连续且平滑，如图26所示。如此，使形成的点阵更加逼真还原试验表面的温度分布。

步骤4、获取试样动态温度云图

计算机由试样初始温度点阵和试样动态温度点阵生成试样动态温度云图。具体的，通过MATLAB软件将初始温度点阵和试样动态温度点阵输入后，通过三次样条插值法将温度点阵(初始温度点阵和试样动态温度点阵)分别连续起来从而生成连续的温度云图。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法有了清楚的认识。本发明的霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，操作简单，结果可靠，可以在霍普金森压杆试验中，避免试样迸溅损失传感器，在10微秒的时间内精确获取试样受动态高冲击荷载过程的动态温度变化，获得较为精准的试样动态温度云图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于：应用霍普金森压杆系统、测温装置和计算机；所述测温装置包括支撑座、壳体和温度感测单元；支撑座上设置所述壳体，所述壳体的一侧设置开口，开口处活动连接有挡板，所述挡板用于开、关所述开口，所述壳体的另一侧设置感测窗；所述温度感测单元包括感测座、光纤束和光电耦合器，所述感测座的下端设置感测口，所述感测座内设置所述光纤束和所述光电耦合器，所述光纤束由多根光纤成束布置，所述光纤束的一端位于所述感测口，所述光纤束的另一端连接所述光电耦合器；所述光电耦合器经信号线缆连接所述计算机；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、霍普金森压杆试验准备

将支撑座及壳体套在霍普金森压杆系统的入射杆和透射杆上，通过挡板开启开口，将试样夹在入射杆和透射杆之间，通过挡板关闭开口，使感测窗的正投影位于试样上，将感测座连接于壳体上，使感测口对准感测窗；

步骤2、获取试样初始温度点阵

光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器，光电耦合器将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样初始温度点阵；

步骤3、霍普金森压杆试验并获取试样动态温度点阵

由霍普金森压杆系统对试样施加动态高冲击荷载试验，在试验过程中，每间隔设定的时间，由光纤将试样表面的热辐射传递至光电耦合器，光电耦合器将光信号转换为电信号并上传至计算机，计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度，汇总所有的单点温度并建立点阵，获取试样动态温度点阵；

步骤4、获取试样动态温度云图

计算机由试样初始温度点阵和试样动态温度点阵生成试样动态温度云图。

2.根据权利要求1所述的一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于：

所述支撑座包括固定套和转动套，所述固定套的轴心位置开设装配口，所述装配口用于装配入射杆或透射杆，所述固定套的圆周侧转动连接所述转动套，所述转动套固定连接所述壳体；

步骤1中，将装配口装配入射杆或透射杆，在将试样夹在入射杆和透射杆之间后，将转动套相对于固定套转动，以使感测窗对准试样的待感测区域，以使感测窗的正投影位于试样的待感测区域上。

3.根据权利要求1所述的一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于：

所述壳体上于感测窗的边沿位置设置有磁条，所述感测座的下端于感测口的边沿位置设置有由磁吸性材料制成的吸合部；

步骤1中，将感测座的吸合部磁性连接磁条，以将感测座连接于壳体上。

4.根据权利要求1所述的一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于：

所述感测座的下端于感测口的边沿位置设置有封闭罩；

步骤1中，感测口对准感测窗后，封闭罩的末端抵接壳体。

5.根据权利要求1所述的一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于，

在步骤2和步骤3中，“计算机处理得到每根光纤正投影于试样表面的单点温度”的具体过程如下：

对每个单点取其外接正六边形区域作为温度感测区域，相邻单点的正六边形区域有重叠部分，对正六边形区域未重叠的部分定义为S1区域，对正六边形区域重叠的部分定义为S2区域，S1区域的温度为实测温度，S2区域的温度为本点温度与相邻单点温度的平均值，S1区域与S2区域的平均温度即为本点温度。

6.根据权利要求5所述的一种霍普金森压杆试样动态温度云图的获取方法，其特征在于，

在步骤2和步骤3中，“汇总所有的单点温度并建立点阵”的具体过程如下：

将各正六边形区域的温度拼接为交叠的过渡点阵，对过渡点阵的S2区域进行插值处理。