CN212206915U

CN212206915U - 一种丝状材料的多功能特性测试装置

Info

Publication number: CN212206915U
Application number: CN202020154560.3U
Authority: CN
Inventors: 张进峰
Original assignee: Suzhou Weijia Testing Instrument Co ltd
Current assignee: Suzhou Weijia Testing Instrument Co ltd
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2030-02-06

Abstract

本实用新型公开了一种丝状材料的多功能特性测试装置，包括机架，上、下夹持件，加热炉，力加载机构和控制系统，被测丝材位于加热炉内，其特征在于：上夹持件经测力传感器安装在机架上部；设有第一力加载机构，包括套设在下夹持件上的导向件、驱动导向件上下运动的电机模组、用于将导向件与下夹持件固定或松脱的锁定螺栓；第二力加载机构，为与下夹持件下端可拆式连接的可变载机构，可变载机构分别为，连接在下夹持件下端的砝码座和安装在砝码座上的砝码，连接在下夹持件下端与机架下部平台之间的弹簧。本实用新型实现了两组力加载机构的设置，能分别加载电机模组、砝码座、弹簧，实现了对被测丝材的多种不同性能加载，实现了对特性的多功能测试。

Description

一种丝状材料的多功能特性测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种物理特性测试装置，具体涉及一种对丝状材料，尤其是记忆合金丝进行物理特性测试的装置。

背景技术

丝状材料在现代科技、工业、生产生活中的有很多应用，如微型牵引机构动作，特定形状的固定，机构的触发等等；特别是随着新材料的不断开发出来，丝状材料的应用就更加广泛了。比如形状记忆合金丝材料，因为它的形状记忆特性，能大范围变形，又能在一定外界条件下回复初始状态等突出优点，所以在各个领域都得到了应用。但在应用丝状新材料时，同时充分掌握它的各种特性，才能实现有效控制。

现有的设备大都是各自独立的特性测试设备，比如测试应力应变特性的拉伸仪，一般都针对较大的力值，未涉及到小力值精确到克的仪器；更未涉及同时测量温度特性，一般极细丝材的测温很难测试，接触式的测温对力、电阻、本身的温度效应都有影响电阻特性；再如现有电阻温度特性的设备未涉及同步测量应力应变的测试。

针对上述问题，中国发明专利申请CN109405730A公开了一种丝状材料的物理综合特性测试装置，将被测丝材材料放置在加热体的内部，利用电机控制细丝材料的受力，并使被测丝材材料通过电极连接可编程直流恒流电源，由此可以通过同一装置实现对丝材的应力应变特性、电阻特性、温度特性的测量。

然而，在对例如记忆合金丝等丝材进行测量时，除了要求获得丝材的应力应变特性、电阻特性、温度特性外，还具有以下要求：

1）其工作之前必须经过训练（不同电流、不同负载、不同温度、不同频率），以使得其内部结构稳定；

2）为了获得其极限的特性，进行长时间、多种测试环境（不同电流、不同负载、不同温度、不同频率）的极限测试，直至丝材疲劳断裂，以及材料在整个测试过程中表现出现出来多个特性之间的关联变化，因此需要能实时控制这样的测试过程以及记录这些特性变化的综合特性装置。上述文献公开的装置难以实现这些功能。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种丝状材料的多功能特性测试装置，既能同步测量丝状材料的应力应变、电阻、温度特性，又能实现作为执行器工作之前的准备训练，以及评估丝材疲劳极限工作状况，从而更好地发掘新材料的多种特性，以及多个特性彼此的相关性，为更好的控制应用材料找到理论及实践的依据。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种丝状材料的多功能特性测试装置，包括机架，夹持被测丝材的上、下夹持件，加热炉，力加载机构和控制系统，所述被测丝材位于所述加热炉内，所述加热炉上设有测温孔，对应所述测温孔设有红外测温传感器；所述上夹持件经测力传感器安装在机架上部；设有两组力加载机构，第一力加载机构包括套设在下夹持件上的导向件、驱动导向件上下运动的电机模组、用于将导向件与下夹持件固定或松脱的锁定螺栓；第二力加载机构为与下夹持件下端可拆式连接的可变载机构，所述可变载机构分别为以下两种机构，(1)连接在下夹持件下端的砝码座和安装在砝码座上的砝码，(2) 连接在下夹持件下端与机架下部平台之间的弹簧。

通过两组力加载机构的设置以及第二力加载机构的变载，本装置可以实现多模式工作：

电机加载模式：锁定螺栓锁紧。此时，控制系统根据设定控制电机进行恒定位移、恒定力矩方式运动，并可能进行环境温度变化控制。

训练模式：锁定螺栓松开，第二力加载机构加载弹簧。实现对丝材的线性荷载控制。此时，控制系统根据设定产生可编程的电流波形，送入丝材产生形状记忆效应，收缩拉动弹簧产生线性负载效应。

疲劳模式：锁定螺栓松开，第二力加载机构加载砝码。可检测恒定负载疲劳特性。

上述技术方案中，所述电机模组由位置控制电机、丝杠、导轨、导向固定件和位置控制系统构成，位置控制电机的输出机构经丝杠驱动导向固定件沿导轨上下运动，导向固定件固定连接导向件，使导向件受力上下运动。

优选地，所述电机为步进电机或伺服反馈电机。

进一步的技术方案，与所述加热炉配合，设有红外相机，检测被测丝材的温度，实现无接触式温度检测，避免对检测受力和电阻产生影响。

上述技术方案中，所述上夹持件和下夹持件分别由夹持电极和信号连接块构成，所述信号连接块为绝缘件，分别将被测丝材和测力传感器、被测丝材和电机模组绝缘隔离。

控制系统产生的可编程电流波形经上、下夹持件的夹持电极连接至被测丝材。

进一步的技术方案，设有激光测距传感器，分别用于测量第一力加载机构的位移和第二力加载机构的位移。

上述技术方案中，可变载机构(2)的连接结构为，在下夹持件的下端设有开槽，下夹持件上穿设有弹簧定位销，弹簧上端经开槽连接至弹簧定位销；在机架底部的平台上设在弹簧座，弹簧下端连接至弹簧座。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型将测力传感器设置在上部，将电机模组设置在下部，由此可以在下部实现两组力加载机构；

2、本实用新型通过锁定螺栓和导向件的配合，实现了两组力加载机构的设置，可以分别加载电机模组、砝码座、弹簧，由此实现了对被测丝材的多种不同性能加载，实现了对特性的多功能测试；

3、本实用新型利用红外测温传感器通过加热炉上的测温孔获知丝材的真实温度，由于是非接触式测温，对丝材的电阻、力学测试没有影响。

附图说明

图1是本实用新型实施例中加载砝码的框架示意图；

图2是实施例中加载弹簧的框架示意图；

图3是实施例中恒载模式砝码安装示意图；

图4是实施例中线性负载模式弹簧安装示意图；

图5是实施例中砝码恒载疲劳特性检测时的方波驱动信号图；

图6是实施例中控制改变环境温度时电阻位移与相变特性图；

图7是实施例中改变通电电流时丝材训练过程中力学特性图；

图8是实施例中应变疲劳特性图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见图1和图2所示，一种丝状材料的多功能特性测试装置，包括机架，夹持被测丝材的上、下夹持件，加热炉，力加载机构和控制系统，所述被测丝材位于所述加热炉内，加热炉上设有测温孔，对应测温孔设有红外相机作为红外测温传感器用于测量被测丝材处的温度；所述上夹持件经测力传感器安装在机架上部；设有两组力加载机构，第一力加载机构包括套设在下夹持件上的导向件、驱动导向件上下运动的电机模组、用于将导向件与下夹持件固定或松脱的锁定螺栓；第二力加载机构为与下夹持件下端可拆式连接的可变载机构，所述可变载机构分别为以下两种机构，(1)连接在下夹持件下端的砝码座和安装在砝码座上的砝码，如图1所示，(2) 连接在下夹持件下端与机架下部平台之间的弹簧，如图2所示。其中，控制系统由内置的微控制器经数据通信配合计算机系统实现。

本实施例中，电机模组通过位置控制电机和位置控制系统，用于实现位置控制、加载卸载，完成丝材被动恒定位移的加载方式，距离、往返次数的设定；可以采用步进电机、伺服反馈电机、或者直线电机，模组中包含丝杠、导轨，以实现上下方向的力的加载。

加热温控炉，配合实现对被测实验的环境温度场的控制，获得环境温度对丝材特性的影响，也能起到防止外界的气流等因素对测量过程的影响。参数由计算机软件设置。

设置信号连接块，将丝材部分和测力传感器，丝材部分和和位置控制电机电气上绝缘分开，便于加恒流电流及电阻测量，绝缘块和机构一体，能防止移动过程中电流导线对的力的测量影响。将微控制器控制的可编程恒流源产生的任意波形（比如阶梯波形，方波；波形各个参数均可设定调整）的恒流值通过信号I1、I2电缆送入被测试样，以反馈信号。电极和机构一体，能防止移动过程中电流导线对的力的测量影响。电极上带有丝材夹具，能可靠夹紧被测丝材。

由微控制器产生能产生可编程的任意电流波形（比如阶梯波形，方波；波形各个参数均可设定调整）的恒流值(I1,I2)送入被测试样，作为测电阻的信号源，同时也能反馈参数(V1,V2)由微控制器采集，获得丝材在各种情况下的电阻变化值。如图5所示为一种方波驱动信号。

测力传感器用于实时测试测试过程中的丝材受力，或者产生力的变化。可以采用常用的S型的拉力传感器，比如杭州米科的MIK-LCS1的拉力传感器，输出的电压信号0-5V，对应的拉力0-3000g。

砝码用于完成对丝材恒荷载控制，可根据设定修改砝码重量。参见附图3，可以采用平底螺栓作为砝码座，将其螺牙连接至下夹持件或者导向件的底端，螺栓上挂载中空圆饼状砝码。

弹簧用于完成对丝材线性荷载控制（与拉伸的距离成线性）。其安装结构参见附图4所示。

本实施例中，微控制器可以采用如STM32F103，MSP430F168等等，协调力、位移、电阻测量、恒流源、应变(位移)、非接触式的温度测量等的控制，与计算机进行信息交互。

为便于安装，机架采用由底板机构、立柱、横梁构成的机械结构，在其上安装位置控制电机、绝缘块、电极、被测丝材、加热炉、测力传感器，弹簧机构、砝码、红外相机、激光测距传感器等装置。安装过程中，保证测力机构垂直安装，以消除测力机构本身的自重对力值的影响。

锁定螺栓用于配合工作模式，锁定导向件，或者释放导向件，导向件在自由活动时起到导向的作用，使得上下运动在垂直方向上进行。

通过上述装置结构，本实施例可以工作在以下三种模式：

1，电机加载模式

锁定螺栓：锁紧导向件，砝码、弹簧等机构从导向轴的下端卸下。

微控制器根据计算机的设定进行恒定位移、恒定力矩方式的运行，运行次数可设，丝材环境温度可设。

全程测试及保存：环境温度、丝材温度、电阻、受力、位移。

2，训练模式：

锁定螺栓：松开导向件，导向件的下端安装弹簧等机构。

微控制器根据计算机的设定产生可编程的任意电流波形（比如阶梯波形，方波；波形各个参数均可设定调整）的恒流值(I1,I2)送入被测试样驱动丝材产生形状记忆效应，运行次数可设，丝材环境温度可设。

图6所示为电阻、应力与相变的特性（控制改变环境温度），图7所示为丝材训练（改变通电电流）过程中力学特性。

3，疲劳模式

锁定螺栓：松开导向件，导向件的下端安装砝码。

图8所示为疲劳特性（随着测试应力（砝码）增加，应变（拉伸的距离）增加，疲劳的极限次数呈现减小）。

Claims

1.一种丝状材料的多功能特性测试装置，包括机架，夹持被测丝材的上、下夹持件，加热炉，力加载机构和控制系统，所述被测丝材位于所述加热炉内，其特征在于：所述加热炉上设有测温孔，对应所述测温孔设有红外测温传感器；所述上夹持件经测力传感器安装在机架上部；设有两组力加载机构，第一力加载机构包括套设在下夹持件上的导向件、驱动导向件上下运动的电机模组、用于将导向件与下夹持件固定或松脱的锁定螺栓；第二力加载机构为与下夹持件下端可拆式连接的可变载机构，所述可变载机构分别为以下两种机构，(1)连接在下夹持件下端的砝码座和安装在砝码座上的砝码，(2) 连接在下夹持件下端与机架下部平台之间的弹簧。

2.根据权利要求1所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：所述电机模组由位置控制电机、丝杠、导轨、导向固定件和位置控制系统构成，位置控制电机的输出机构经丝杠驱动导向固定件沿导轨上下运动，导向固定件固定连接导向件，使导向件受力上下运动。

3.根据权利要求2所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：所述电机为步进电机或伺服反馈电机。

4.根据权利要求1所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：与所述加热炉配合，设有红外相机，检测被测丝材的温度。

5.根据权利要求1所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：所述上夹持件和下夹持件分别由夹持电极和信号连接块构成，所述信号连接块为绝缘件，分别将被测丝材和测力传感器、被测丝材和电机模组绝缘隔离。

6.根据权利要求5所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：控制系统产生的可编程电流波形经上、下夹持件的夹持电极连接至被测丝材。

7.根据权利要求1所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：设有激光测距传感器，分别用于测量第一力加载机构的位移和第二力加载机构的位移。

8.根据权利要求1所述的丝状材料的多功能特性测试装置，其特征在于：可变载机构的连接结构为，在下夹持件的下端设有开槽，下夹持件上穿设有弹簧定位销，弹簧上端经开槽连接至弹簧定位销；在机架底部的平台上设在弹簧座，弹簧下端连接至弹簧座。