CN1236298C - 动力抗拉测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种材料测试系统(10),其包括底座(22),第一试样夹头(14A)和第二试样夹头(14B)。第一位移传感器(35)测量第一试样夹头(14A)相对于底座(22)的位移,另外,第二位移传感器测量第二试样夹头(14B)相对于底座(22)的位移。

Description

动力抗拉测试装置
技术领域
本发明涉及一种向试样上加载作用力的动力测试系统,特别是涉及一种向试样上加载拉力来测量该试样机械性能的抗拉测试系统。
背景技术
大家都知道向试样上加载作用力的材料测试系统。通常,这样的系统包括能夹住中间试样的对置的夹头。上夹头与相对于下夹头运动的横梁相连,一个与上夹头连接的测力计能显示加载在试样上拉伸力和压缩力大小的信号。
这些材料测试系统一般都需要螺旋丝杆传动或液压延伸传动装置。在这样的系统中选择测定力的测力计要么具有高灵敏度要么能够承受高负载。然而高硬度的测力计会带来低灵敏度。相反地,灵敏的测力计只能向测量试样上加载较低的极限作用力。
然而传统的测试仪器不能适应对一些试样机械性能测试的需要。特别是,传统的材料测试系统对独特的试样轮廓和需求的动力机械性能的测试即使不是不可能,也尤为困难。例如用传统的测试系统难以测量直径为1到60微米纤维的机械性能。另外,聚合物技术的发展为具有超出传统负荷量的张力屈服极限、弹性模量、和拉断性能材料的评价提出了新的要求。
相应地,就需要一种能够测试小直径试样的测试系统,所得的结果能用来测量这些独特试样的动力性能。
发明内容
本发明提供一种包括基座、第一试样夹头、第二试样夹头的材料测试系统。第一位移传感器测量第一试样夹头相对于基座的位移,第二位移传感器测量第二试样夹头相对于基座的位移。
本发明的另一方面是提供一种具有第一试样夹头和第二试样夹头的材料测试系统。第一传动装置与第一试样夹头相接合,第二传动装置与第二试样夹头相接合。控制器与第一和第二传动装置相连接。此控制器控制第一传动装置使其完成第一试样夹头的位移,控制第二传动装置将第二试样夹头置于确定位置。
另外,本发明还提供了一种测定材料弹性和塑性性能的方法。该方法包括将试样夹在第一夹头和第二夹头中间,然后移动第一夹头使其远离第二夹头。该方法还包括在与第一夹头位移的反方向上向第二夹头施力,同时用第一传感器测量试样的延伸长度,用第二传感器测量试样的受力大小。
附图说明
图1是本发明中材料测试系统第一实施方式的示意图。
图2是本发明中材料测试系统的变更实施方式的透视图。
具体实施方式
图1示出了一种向试样12上加载作用力的材料测试系统10,该系统10包括在纵轴15方向夹持试样12的上夹头14A和下夹头14B。将下试样夹头14B连接到负载控制传感位移装置(LCDS)16上,通过它负载加载到试样12上并反作用于在18处显示的抗力结构。尽管图示为垂直测试系统,系统10还可以被水平或以其他任何试样12方便的角度放置。
在前述的示例性实施方式中,该材料测试系统10包括有底座22的机座20。一对螺纹立柱28从底座22向上延伸到横梁26。横梁26通常相对于底座22的位置固定。抗力结构18包括一个通过螺纹与螺纹立柱28接合的十字头30,这样抗力结构18就能在底座22和横梁26之间移动。在前述实施例中,传动电机31带动其中至少一个螺纹立柱28旋转来移动十字头30。第一位移传感器35测量十字头30相对于机座20的位置。
用负载控制传感位移装置(LCDS)16测量向试样12上加载的力和/或施加负载和(在一个实施例中)加于试样12的振动负载。这样,加载装置16就与第二试样夹头14B接合,并形成能控制第二夹头14B使之处于静态时刚性并具有动态适应性的状态。LCDS装置16包括安装在底座22上的永久磁体36,线圈38和第二位移传感器。控制器42控制电机31的运行和线圈38上的电流。该控制器42从第一位移传感器35和第二位移传感器上得到反馈信号。除了这里所述的电磁装置外,LCDS装置16还可以表现为其他形式如液压装置。
如前所述,第一位移传感器35测量十字头30相对于机座20的位移(即底座22或横梁26)。第一位移传感器35测量试样12拉长的长度,鉴于试样夹头14B一般处于固定位置,这拉长长度就可以作为十字头30或试样夹头14A位移的参考。第一位移传感器35可以采用现有技术中的多种形式,例如第一位移传感器35可以包括与机座22和十字头30接合的部分。同样地第一位移传感器35可以测量十字头30和横梁26间的距离。在本领域里众所周知,第一位移传感器35还可以是LVDT(线性可调差接变压器)装置、电容装置、电阻装置、光学装置等。第一位移传感器35还可以是能够感知螺纹立柱28或传动电机31旋转的编码器或其他装置(如前所述),其旋转与十字头30的运动成比例。
本发明还提供一第二位移传感器来控制线圈38上的电流。如前所述,试样夹头14B保持在一固定位置,第二位移传感器检测试样夹头14B的位置.如前实施例中所述,第二位移传感器通常包括一个现有技术中的电容传感器,其包括一对固定和静态电容器板46A,其间具有一个可移动的电容器板46B。可移动的电容器板46B与支撑轴48接合,然后顺次和下试样夹头14B连接。第二位移传感器测量48或14A的位移,其输出端与直流位移探测器50连接。探测器50将控制器42提供的直流位移信号数字化。
由于系统10静态时呈刚性并具有动态适应性,因此能容许向试样上加载强力和/或由此产生的大的拉伸,仍能保持高灵敏度。进行试验时,控制器42向传动电机31提供指令信号以预定速率移动十字头30,因此,施加一负载来拉长试样12(多数情况下)。控制器42还控制向线圈38提供电流的电流源52。向线圈38提供电流以使第二位移传感器基本上保持在固定位置。于是在一种运行模式下,如前所述第一位移传感器35测量拉伸量,而线圈38中的电流测量负载力。通过压缩和拉伸数据可以确定试样12的应力、应变、屈服极限、强度、最大抗拉强度和弹性模量。
另外,或可选择地,实质上传动电机31和/或线圈38的电流源52提供静态负载的同时,也提供震荡负载。向线圈38的驱动电流上叠加交流电可以得到震荡负载。典型的震荡负载的频率范围是0.5~200赫兹之间;然而根据LCDS装置16的不同设计,这一范围可以扩展到0.5~1000000赫兹之间。震荡负载的幅度一般在10-10到1牛顿之间,尽管也可以提供高于或低于此范围的作用力。
图1所示,控制器42控制下的交流信号发生器60向电流源52的输出电流信号加入或叠加一个交流信号。交变位移探测器64探测得到的交变位移。探测器64可以是同步放大器,其可以调试成在选用的频率和相对于加载信号的变化后信号的相位下测量交变位移的幅度。和前述的直流负载、位移一样,探测器64可以将得到的交流幅度和相位信号数字化,并分离出控制器42的输入信号以供分析或者存储大容量存储器70中。测量震动的和/或负载的合成位移时要考虑到对试样阻尼衰减和试样硬度的持续测定,这可以得到在加载振动的拉力、负载、频率的作用下试样12的动力或粘弹性性能的结果。
材料测试系统10通过LCDS装置16从负载量中分隔出负载灵敏度。在Eden Prairie的MTS系统公司的Nano仪器部门(美国明尼苏达州)可以获得合适的LCDS装置16和电容性的位移传感器。本发明中控制负载线圈38和传感器反馈的情况与美国专利号为4848141的专利披露的相同,在此作为引证的参考文献。
如前面实施例中所述,第二位移传感器是电容性的位移传感器,其中支撑轴48由具有优良韧性的弹簧片支撑。不依靠传统测力计中弹簧部件的变形来测力,而是通过改变线圈38中的电流,系统10利用一反馈回路保持支撑轴48的固定位置,然后是试样夹头14B的固定位置。这就得到了静态刚性(即负载机构没有或者很少产生与试样12大的偏转相关的变形)。换句话说,在通过测量负载线圈38上的电流来保持高灵敏度的同时,这项技术允许大的负载力和试样12的位移量(拉伸量)。如前所述,当只施加静力时,试样夹头14B的固定位置实质上与零位移相应,而施加振动力时,试样夹头14B固定位置将随时间的变化而变化。
系统10的另一个优点是它的动力响应性能。一般认为只有得到系统10的动力响应性能才能将试样的动力性能从数据中分离出来。而且,临界系统的动力性能一定要有所需求的试样相适应的量级才能保证分离出试样的性能数据。描述前述的LCDS装置16对所提供激励响应的函数由以下部件的函数关系来决定:支撑弹簧(电容性的位移传感器)的硬度、系统的阻尼衰减和可移动件的质量(例如:支撑轴48、试样夹头14B、负载线圈38等)。为了求出试样12的硬度和阻尼衰减参数,要正确限定系统的这些特点。如果此系统的特性近似于试样12相应的量级,那么,这种对系统特性认定的错误就会降低试样数据的准确性。所以,要准确测量试样12的动力性能,系统的硬度相对于本发明系统10提供的试样12的硬度必须很小。
任何本领域的熟练的技术人员可以看出,在不影响系统性能的情况下对系统10可以进行更改。例如传动装置可以不用螺纹立柱28和传动电机31,而采用其他的机械形式如齿条和齿轮传动。另外,也可以采用液压或气动传动装置使十字头30在合适的导向槽上运动,同样地,也可以使用线性的电动机。然而在另一实施例中,LCDS装置16和/或位移传感器可以并入十字头30一起运动,其中下试样夹头14B与机座20相连。
作为一个例子,图2示出了本发明的一种变更系统80。系统80包括沿轴向夹住试样的第一试样夹头(图中未示出,但装配在十字头86的下表面)和第二试样夹头84。十字头86通过一合适的导向机构如线性轴承108(图中概要示出)与支撑框架87接合。传动电机31使上试样夹头沿支撑框架87相对于底座92发生位移。
如前参照图1所述,第二试样夹头84和LCDS装置16相连。上试样夹头和十字头86相接合。传动电机31使试样夹头82相对于底座92发生位移,LCDS装置16中的位移传感器测出沿板90的十字头86的位移。本系统还包括一校准显微镜94来校准用于试样12试样夹头82和84。系统80的操作与前述的系统10的操作原理相同。
尽管本发明通过优选实施例进行了公开和说明,但是应当认为本领域的熟练技术人员可能在此基础上做出形式和细节上的变更而不会脱离本发明的主题精神和保护范围。

Claims (13)

1.一种动力抗拉测试装置,包括:
底座;
第一试样夹头;
第二试样夹头;
第一试样夹头和第二试样夹头适合以张力固定试样;
测量第一试样夹头沿第一和第二试样夹头之间的共同轴线相对于底座位移的第一位移传感器;
测量第二试样夹头沿所述共同轴线相对于底座位移的第二位移传感器;及
还包括一个固定地与第二试样夹头接合的传动装置,所述传动装置作为第二传感器的函数关系操作以将第二夹头调整到确定的位置。
2.如权利要求1所述的动力抗拉测试装置,其特征在于所述的传动装置包括与电源相连的电磁线圈。
3.如权利要求2所述的动力抗拉测试装置,其特征在于还包括控制器,所述的控制器能从第二位移传感器接收信号并调整加载在线圈中的电流使第二试样夹头保持在固定和已知的位置上。
4.如权利要求2所述的动力抗拉测试装置,其特征在于还包括控制器,所述的控制器能改变线圈中的电流而使第二试样夹头在振动模式下发生位移。
5.如权利要求1所述的动力抗拉测试装置,其特征在于其中所述第二位移传感器为电容性传感器。
6.一种动力抗拉测试装置,包括:
第一试样夹头;
沿共同轴线与第一试样夹头对正的第二试样夹头;
与第一试样夹头接合的第一传动装置;
与第二试样夹头接合的第二传动装置;
与第一传动装置和第二传动装置接合的控制器,所述的控制器控制第一传动装置使其完成第一试样夹头沿共同轴线相对于第二试样夹头向远离方向发生位移,还控制第二传动装置将第二试样夹头置于确定位置。
7.如权利要求6所述的一种动力抗拉测试装置,其特征在于所述的第二传动装置还包括位移传感器,所述位移传感器具有一对固定板和与第二试样夹头相连的移动部件。
8.如权利要求7所述的一种动力抗拉测试装置,其特征在于所述的第二传动装置还包括电磁线圈。
9.权利要求8所述的一种动力抗拉测试装置,其特征在于所述的第二试样夹头位于固定且确定的位置。
10.如权利要求8所述的材料测试系统,其特征在于向第二试样夹头上施加振动作用力。
11.如权利要求6所述的一种动力抗拉测试装置,其特征在于还包括与第一试样夹头相接合的十字头,该十字头还与第一传动装置相接合。
12.如权利要求11所述的一种动力抗拉测试装置,其特征在于所述的十字头与具有能提供十字头位移预定路线的导向机构的支撑框架接合。
13.如权利要求12所述的材料测试系统,其特征在于所述的导向机构包括线性轴承。
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