CN201407995Y - 动态光学应变仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态光学应变仪，要解决的技术问题在于提供一种简便快捷的光学结构直接测量动态拉伸实验中的应变－时间信号，并结合传统SHTB试验技术中的应力测量，从而准确测量材料动态拉伸力学性能。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种动态光学应变仪，包括发射装置和接收装置，所述发射装置和接收装置相对设置，所述发射装置和接收装置之间设置有试件，所述试件上设有遮光装置，所述接收装置连接有记录仪器。本实用新型与现有技术相比，通过直接测量材料的变形区，可以获得准确的材料动态拉伸力学性能，为材料在高速变形下的应用提供实验依据。

Description

动态光学应变仪

技术领域

本实用新型涉及一种材料在高速变形过程中的应变测试使用的动态光学应变仪。

背景技术

工程结构在服役的过程中不可避免要受到冲击载荷的作用，在冲击载荷作用下材料会产生高速变形。材料在高速变形下(应变率 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\≥{10}^1{s}^{-1}$ )所呈现的动态力学性能及其在低速变形下所呈现的准静态力学性能具有很大的差异，准确测试材料的动态力学性能对于材料在工程中的应用具有重要的意义。

目前用于测量材料动态力学性能的设备是分离式霍普金森杆(SplitHopkinson Bar，SHB)。该设备采用一维简单波的原理，通过间接测量的方法，可以获得不同材料在应变率范围为10¹s^-1-10³s^-1之间的应力应变曲线。SHB可以一般可以分为压杆(SHPB)、拉杆(SHTB)和扭杆三种类型，分别可以对材料进行压缩，拉伸和扭转实验，其中压杆发展最早，技术也最成熟，现在已经可以通过SHPB实验较准确地获得材料的动态压缩性能。对于拉杆和扭杆，技术发展相对落后，实验结果的可靠性难以得到保证。特别是SHTB，在应变测量方面存在理论和技术上的困难，至今仍然未能得到很好的解决，这种情况严重阻碍了材料动态力学性能的研究和材料在高速变形下的应用。

典型的SHTB冲击拉伸实验原理如图1所示。试验时撞块1打击凸台2，从而在入射杆中产生入射波ε_i。脉冲传至试件5时，在入射杆3和透射杆4中分别传播反射波ε_r和透射波ε_t。通过应变片的采集点6采集上述三种波的信息，根据一维简单波的原理就可以得到试件的应力、应变和应变率如下公式所述：

${\mathrm{\σ}}_s\left(t\right)=\frac{\mathrm{EA}}{A_s}{\mathrm{\ϵ}}_t\left(t\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_s\left(t\right)=\frac{{2C}_0}{l_s}{\∫}_0^t[{\mathrm{\ϵ}}_i\left(i\right)-{\mathrm{\ϵ}}_t\left(i\right)]\mathrm{di}---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_s\left(t\right)=\frac{2C_0}{l_s}[{\mathrm{\ϵ}}_i\left(i\right)-{\mathrm{\ϵ}}_t\left(i\right)]---\left(3\right)$

其中σ_s、ε_s、

为实验中试件中的应力、应变和应变率，E、A、C₀为如射杆和透射杆的弹性模量、横截面面积和波在杆中传播的波速，A_s、l_s为试件测试段(见图2-1)的横截面面积和长度。

在该实验中，试件和入射杆和透射杆之间一般是通过螺纹连接或粘接剂粘接在一起的。由于螺纹连接易引起测量结果的非本构抖动，现在多采用粘接方式连接杆和试件。典型试件的形状及其连接见图2-1。图2-1中试件的两端为粘接段L1，中间段为测试段L0。深入研究该实验过程及其原理可以发现该实验中试件的应变测量存在原理性问题。首先，由材料力学性能的测试原理可知，试件的测试段不宜太短，太短则由于测试段端部的圣唯南效应使测试段中的应力应变处于非均匀状态，这时显然不能的到准确的材料性能。为了减少圣唯南效应的影响减小则必须加长试样的测试段，而由应力波的原理可知，当测试段端部的载荷出现变化时，必须使加载波在测试段中多次进行来回反射才能使试件中的应力达到均匀。考虑到动态实验中加载波的变化非常快，加载过程非常短(约10^-4s)，所以实现来回反射的时间极短，这就要求测试段的长度越短越好。上述原理性上的矛盾使得SHTB实验中无法采用合适的试件形状来获得准确的材料性能。同时，由于试件和杆之间采用粘接方式连接，在加载过程中粘接层n(见图2-2)不可避免会产生变形，这种附加变形的影响和真实的应变耦合在一起，无法在公式(2)中剔除，所以实验得到的应变量是不准确的。特别是当试样处于弹性变形阶段时，变形量非常小，粘接层n的影响更为凸显。

综上所述，在传统的SHTB实验中，由于原理和技术上的原因，难以对试件的应变实现准确测量，从而导致实验结果不能准确反映材料的动态力学性能。同时，通过上述分析可知，当试样的测试段较短时，通过公式(1)可以获得试件中准确的应力，如果放弃传统SHTB中的应变测量方法(公式(2))，而采用其他方法准确测量试件的应变，则可以得到准确的材料动态拉伸力学性能。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种简便快捷的光学结构直接测量动态拉伸实验中的应变-时间信号，并结合传统SHTB试验技术中的应力测量，从而准确测量材料动态拉伸力学性能的动态光学应变仪。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种动态光学应变仪，包括发射装置和接收装置，所述发射装置和接收装置相对设置，所述发射装置和接收装置之间设置有试件，所述试件上设有遮光装置，所述接收装置连接有记录仪器。

本实用新型所述遮光装置为对称设置在试件上的两块遮光片，所述遮光片之间设有预留间隙，所述预留间隙的位置处于发射装置和接收装置之间。

本实用新型所述发射装置提供平行均匀光场，发射装置和遮光片的预留间隙大小存在定量关系，接收装置可实现光电转换。

本实用新型所述记录仪器为光电信号转换记录仪。

本实用新型与现有技术相比，通过直接测量材料的变形区，可以获得准确的材料动态拉伸力学性能，为材料在高速变形下的应用提供实验依据。

附图说明

图1是现在技术的实验原理图；

图2-1是现有技术的试件结构示意图；

图2-2是现有技术的试件连接示意图；

图3是本实用新型试件的变形情况示意图；

图4是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图4所示，本实用新型动态光学应变仪，包括发射装置和接收装置，所述发射装置和接收装置分别相对设置在试件5的两侧，所述试件5上设有遮光装置，所述接收装置连接有记录仪器。其中，发射装置为点光源11，在点光源11与试件5之间设有凸透镜12，而接收装置15与试件5之间也设有凸透镜12。

本实用新型所述遮光装置为对称设置在试件上的两块遮光片16，所述遮光片16之间设有预留间隙14，所述预留间隙14的位置处于发射装置和接收装置之间。

本实用新型所述发射装置提供平行均匀光场，发射装置和遮光片的预留间隙大小存在定量关系，接收装置可实现光电转换。所述记录仪器为光电信号转换记录仪。

本实用新型测试试件时，凸透镜将点光源发出的球面光F变成平行均匀光垂直入射在试件上，在试件上粘贴遮光片挡住试件变形非均匀段，只在变形均匀区留出间隙，使平行光垂直通过该间隙，试件变形时间隙大小产生变化，通过间隙的平行光H的光通量也随着变化，利用接收装置可以记录光通量随时间的变化曲线。如果实验前先标定好光通量和间隙大小之间的关系，则可以通过光通量-时间曲线处理得到变形量-时间曲线，从而测量出试件的变形。

如图3所示，本实用新型采用直接测量变形的光学方法代替传统SHTB中的间接变形测量方法来分析试件的变形情况。这是因为试件变形时测试段两端由于圣唯南效应的影响其应变是非均匀的，即为应变非均匀区D1，而当测试段达到一定长度时(加载应力波的仍能在测试段中多次来回反射)，测试段的中部存在应变均匀区D0，如果直接利用光学的方法来测量该区域的应变，则可获得准确的实验数据。利用上述光学装置形成应变测量技术应用于材料动态拉伸力学性能的测试，可以给出准确的材料动态力学性能。

本实用新型采用光学测量技术应用于动态材料力学性能实验，可以准确获取实验过程中试件应变随时间的变化，并能够剔除传统实验方法中试件的变形非均匀区，通过直接光学测量的方法得到试件变形均匀区的应变，结合传统动态材料实验的应力测量得到试件材料的动态应力应变曲线。在动态材料实验中，将试件的变形转化成遮光装置预留间隙的位移，再将间隙位移转化为通过狭缝的光通量变化，最后将光通量变化转化成电信号，通过事先标定好的位移-电压关系从电信号中换算出应变量。遮光装置能够在试件高速变形时紧随其发生移动，使预留间隙大小变化能够准确反映试件变形量；发射装置能够形成均匀平行光场，使经过间隙的光通量变化和间隙大小形成线性关系；接收装置能汇集通过间隙的平行光，从而实现光电转换并输出模拟信号以供记录。

Claims (4)

1.一种动态光学应变仪，包括发射装置和接收装置，其特征是：所述发射装置和接收装置相对设置，所述发射装置和接收装置之间设置有试件，所述试件上设有遮光装置，所述接收装置连接有记录仪器。

2.根据权利要求1所述的动态光学应变仪，其特征是：所述遮光装置为对称设置在试件上的两块遮光片，所述遮光片之间设有预留间隙，所述预留间隙的位置处于发射装置和接收装置之间。

3.根据权利要求2所述的动态光学应变仪，其特征是：所述发射装置提供平行均匀光场，发射装置和遮光片的预留间隙大小存在定量关系，接收装置可实现光电转换。

4.根据权利要求1或3所述的动态光学应变仪，其特征是：所述记录仪器为光电信号转换记录仪。

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