專利名稱：快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有分離式霍普金森(Hopkinson)壓桿實(shí)驗(yàn),被認(rèn)為是研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的一種有效方法。SHPB的高溫實(shí)驗(yàn)法案大體分為二種類型:一種是將試樣和部分導(dǎo)波桿放入溫度箱中同時(shí)進(jìn)行加熱，名稱為“SHPB裝置應(yīng)用于測(cè)量高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究”的文章(夏開文等，實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1998，Vol.13，第3期，PP.307-313)采用恒溫加熱爐，應(yīng)用一維應(yīng)力波傳播理論和傳熱原理，修正溫度梯度場對(duì)波形測(cè)量的影響，其缺陷在于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較復(fù)雜；另一種是先單獨(dú)對(duì)試樣加熱，實(shí)驗(yàn)前快速將試樣安裝在系統(tǒng)中，名稱為“SHPB系統(tǒng)高溫實(shí)驗(yàn)自動(dòng)組裝技術(shù)”的文章(張方舉等，實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，Vol.20，第2期，PP.281-284)和名稱為“用于高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的雙向雙氣路自動(dòng)組裝裝置”的發(fā)明專利(專利號(hào):ZL200610021096.5)，描述了該裝置能夠保證組裝的穩(wěn)定性等，其缺陷在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接與同步，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置有很高的精度要求；另外，發(fā)明專利(專利號(hào):ZL201010230523.7)和實(shí)用新型專利(專利號(hào):ZL201020263456.4)公開了一種帶有氣氛保護(hù)裝置的高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能進(jìn)行常規(guī)空氣中的高溫動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，并且能提供保護(hù)氣氛，其缺陷在于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且試樣為單獨(dú)加熱或試樣與部分導(dǎo)波桿一起加熱，都不可避免會(huì)有局部桿的升溫，從而在沖擊作用下發(fā)生塑性變形，對(duì)應(yīng)力波的傳遞產(chǎn)生較大的影響。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述情況，本實(shí)用新型的目的在于提供一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，它既能完成試樣快速安裝、快速加熱，又能完成試樣加熱和沖擊在同一位置進(jìn)行，而無需使用機(jī)械裝置移動(dòng)壓桿或加熱爐；還能完成系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接與同步，而且系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理快捷、精準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，操作容易，工作效率高，資本投入少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，便于普及推廣。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，它包括在屏蔽罩外設(shè)支承座，屏蔽罩內(nèi)設(shè)高頻感應(yīng)加熱器，該高頻感應(yīng)加熱器中心設(shè)陶瓷套管，陶瓷套管的中央裝置試樣，試樣兩端分別與兩陶瓷短桿的內(nèi)端相連，兩陶瓷短桿的外端分別與入射桿和透射桿的一端相連，入射桿的另一端連接空氣炮筒及子彈，透射桿的另一端連接吸收桿及阻尼器，應(yīng)變片分別貼于入射桿和透射桿上，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)電橋平衡后送至信號(hào)放大器后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)經(jīng)溫控器控制高頻感應(yīng)加熱器和試樣升溫，紅外監(jiān)測(cè)儀則經(jīng)測(cè)溫孔測(cè)得試樣溫度后反饋至溫控器，計(jì)算機(jī)還與氣泵電連接。為了提高本實(shí)用新型的綜合性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、效果優(yōu)化，其進(jìn)一步的措施是:陶瓷短桿為柱狀，其外徑與入射桿和 透射桿的外徑相同；陶瓷短桿為管狀，其外徑與入射桿和透射桿的外徑相同；屏蔽罩為圓筒形且經(jīng)上下開合的罩耳處啟閉，并用螺母固定；螺母為蝶形手動(dòng)擰緊螺母；高頻感應(yīng)加熱器與屏蔽罩之間設(shè)數(shù)個(gè)隔離支柱；隔離支柱為三排三列至少9個(gè)；隔離支柱為陶瓷材料制作。本實(shí)用新型采用將試樣裝置在屏蔽罩內(nèi)高頻感應(yīng)加熱器中心的陶瓷套管中央，再于試樣兩端分別與兩陶瓷短桿的內(nèi)端相連，兩陶瓷短桿的外端分別與入射桿和透射桿的一端相連，應(yīng)變片分別從入射桿和透射桿上測(cè)得其應(yīng)力波信號(hào)并經(jīng)平衡電橋送至信號(hào)放大器后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由計(jì)算機(jī)經(jīng)溫控器控制高頻感應(yīng)加熱器和試樣升溫，另一紅外監(jiān)測(cè)儀則經(jīng)測(cè)溫孔測(cè)得試樣溫度后反饋至溫控器，計(jì)算機(jī)還與氣泵電連接的技術(shù)方案，它克服了現(xiàn)有分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩雜，工作效率低，且需使用機(jī)械裝置移動(dòng)壓桿或加熱爐，系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接與同步精度難達(dá)要求，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，嚴(yán)重影響了霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量等缺陷。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的有益效果:(I)本實(shí)用新型采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應(yīng)加熱器加熱的技術(shù)方案，極大地提升了加熱速度，消除了加熱過程中因試樣氧化對(duì)材料性能的影響；(II)本實(shí)用新型采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿和高頻感應(yīng)加熱器加熱并結(jié)合同步處理信息的技術(shù)方案，省去了在加熱試樣前后要靠機(jī)械裝置移動(dòng)壓桿或加熱爐的煩雜過程，實(shí)現(xiàn)了試樣加熱和沖擊在同一位置進(jìn)行；(III)本實(shí)用新型采用感應(yīng)加熱與紅外測(cè)溫控制相結(jié)合的技術(shù)方案，紅外監(jiān)測(cè)儀經(jīng)高頻感應(yīng)加熱器的測(cè)溫孔測(cè)量試樣的溫度，且同步反饋給溫控器并自動(dòng)控制試樣加熱溫度；(IV)本實(shí)用新型采用感應(yīng)加熱與紅外測(cè)溫控制相結(jié)合的技術(shù)方案，高頻感應(yīng)加熱器與試樣之間采用陶瓷套管支撐和保護(hù)，既可獲得較好的絕緣、保溫效果，又不會(huì)有環(huán)境污染；
·[0012](V)本實(shí)用新型采用感應(yīng)加熱、紅外測(cè)溫控制以及計(jì)算機(jī)處理信息相結(jié)合的技術(shù)方案，為滿足試樣應(yīng)力、應(yīng)變均勻性與加載脈沖形態(tài)、材料性質(zhì)及試樣幾何參數(shù)的相互關(guān)系的深入研究、分析，提供了保障機(jī)理和基礎(chǔ)分析條件；(VI)本實(shí)用新型采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并結(jié)合同步處理信息的技術(shù)方案，保證了感應(yīng)電流只對(duì)金屬試樣進(jìn)行加熱，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，忽略溫度梯度場對(duì)波形測(cè)量的影響，從而避免了實(shí)驗(yàn)后超量的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理工作；(VII)本實(shí)用新型采用感應(yīng)加熱與紅外測(cè)溫控制相結(jié)合的技術(shù)方案，計(jì)算機(jī)與溫控器、氣泵二者相連接，當(dāng)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)氣泵進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)；(VIII)本實(shí)用新型采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應(yīng)加熱器加熱的技術(shù)方案，克服了應(yīng)用“恒溫加熱爐與應(yīng)用一維應(yīng)力波傳播理論和傳熱原理…對(duì)波形測(cè)量”方法存在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較復(fù)雜的缺陷；本實(shí)用新型較好地解決了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并簡化了數(shù)據(jù)處理程序；(IX)本實(shí)用新型采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應(yīng)加熱器加熱的技術(shù)方案，克服了應(yīng)用“預(yù)先單獨(dú)對(duì)試樣加熱，實(shí)驗(yàn)前快速將試樣安裝在系統(tǒng)中”方法存在難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接與同步，且對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置有很高的精度要求的缺陷；本實(shí)用新型較好地解決了系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接與同步，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度大大提高了 ；[0017](X)本實(shí)用新型采用組合式一體機(jī)結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)極其簡單、緊湊、體積小，自動(dòng)操作控制，靈活輕快，加熱速度快，工作效率高，無資源浪費(fèi)，無環(huán)境污染，資本投入少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適合各種試驗(yàn)室和霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用，極易普及推廣和廣闊的市場前景。本實(shí)用新型適合各種試驗(yàn)室的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)用；特別適合霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置中試樣的加熱與應(yīng)變片信息的即時(shí)處理。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本實(shí)用新型快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置主視圖。圖2為圖1中顯示試樣、陶瓷套管、高頻感應(yīng)加熱器以及活動(dòng)屏蔽罩之間相互連接關(guān)系的橫向截面放大視圖。圖3為圖1中的數(shù)據(jù)處理流程框圖。圖中:1、支承座，2、屏蔽罩，3、高頻感應(yīng)加熱器，4、陶瓷套管，5、試樣，6、陶瓷短桿，
7、入射桿，8、透射桿，9、空氣炮筒，10、子彈，11、吸收桿，12、阻尼器，13、應(yīng)變片，14、信號(hào)放大器，15、計(jì)算機(jī)，16、溫控 器，17、紅外監(jiān)測(cè)儀，18、測(cè)溫孔，19、氣泵，20、隔離支柱，21、罩耳，22、螺母，23、電橋。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖，一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，它包括在屏蔽罩2外設(shè)支承座1，屏蔽罩2內(nèi)設(shè)高頻感應(yīng)加熱器3，為了方便使用與操作，屏蔽罩2為圓筒形且經(jīng)上下開合的罩耳21處啟閉，并用蝶形手動(dòng)擰緊螺母22固定；為了保證高頻感應(yīng)加熱器3的安全和加熱效果，高頻感應(yīng)加熱器3與屏蔽罩2之間設(shè)三排三列至少9個(gè)陶瓷材料制作的隔離支柱20 ;該高頻感應(yīng)加熱器3中心設(shè)陶瓷套管4，陶瓷套管4的中央裝置試樣5，試樣5兩端分別與兩陶瓷短桿6的內(nèi)端相連，陶瓷短桿6為柱狀或管狀，其外徑與入射桿7和透射桿8的外徑相同；兩陶瓷短桿6的外端分別與入射桿7和透射桿8的一端相連，入射桿7的另一端連接空氣炮筒9及子彈10，透射桿8的另一端連接吸收桿11及阻尼器12，應(yīng)變片13分別貼于入射桿7和透射桿8上，應(yīng)變片13測(cè)得的應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)電橋23平衡后送至信號(hào)放大器14后傳送給計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)15經(jīng)溫控器16控制高頻感應(yīng)加熱器3和試樣5升溫，紅外監(jiān)測(cè)儀17則經(jīng)測(cè)溫孔18測(cè)得試樣5溫度后反饋至溫控器16，計(jì)算機(jī)15還與氣泵19電連接。由附圖所示，本實(shí)用新型的一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理，本實(shí)用新型采用高頻感應(yīng)加熱方法對(duì)金屬試樣或樣品進(jìn)行加熱，將金屬試樣5置于高頻感應(yīng)加熱器3產(chǎn)生的交變磁場中，試樣5內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生焦耳熱來加熱試樣5 ;溫控器16通過接收紅外監(jiān)測(cè)儀17的信號(hào)，判斷試樣5溫度與預(yù)定溫度的大小，當(dāng)試樣5溫度小于預(yù)定溫度時(shí)，繼續(xù)對(duì)高頻感應(yīng)加熱器3通電，對(duì)試樣5繼續(xù)加熱；當(dāng)試樣5溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，溫控器16對(duì)高頻感應(yīng)加熱器3斷電，從而停止對(duì)試樣5加熱，計(jì)算機(jī)15獲得信號(hào)，控制空氣炮筒9內(nèi)子彈10的即時(shí)沖擊發(fā)射，進(jìn)入沖擊試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)停止加熱和沖擊試驗(yàn)兩個(gè)過程連續(xù)且無間隙順序進(jìn)行，保證了試驗(yàn)所需溫度的準(zhǔn)確性，從而保證了試驗(yàn)結(jié)果的精確度。參見附圖，本實(shí)用新型的具體實(shí)施過程是:打開支承座I上的屏蔽罩2的上開合罩耳21，將試樣5裝置于屏蔽罩2內(nèi)高頻感應(yīng)加熱器3的陶瓷套管4中，先在試樣5 —端裝上陶瓷短桿6、入射桿7、空氣炮筒9及子彈10，再在試樣5另一端裝上陶瓷短桿6、透射桿8、吸收桿11及阻尼器12，然后將應(yīng)變片13分別貼于入射桿7和透射桿8上，同時(shí)，將應(yīng)變片13依次與信號(hào)放大器14、計(jì)算機(jī)15、溫控器16、紅外監(jiān)測(cè)儀17、高頻感應(yīng)加熱器3及測(cè)溫孔18電連接，還將計(jì)算機(jī)15與氣泵19電連接，最后，合上屏蔽罩2的上開合罩耳21至下開合罩耳21處，用蝶形手動(dòng)擰緊螺母22擰緊、固定；此時(shí)，開啟紅外監(jiān)測(cè)儀17和溫控器16，同時(shí)啟動(dòng)高頻感應(yīng)加熱器3，對(duì)試樣5加熱；當(dāng)試樣5溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，溫控器16對(duì)高頻感應(yīng)加熱器3斷電即停止對(duì)試樣加熱，同時(shí)發(fā)出信號(hào)給計(jì)算機(jī)15，然后計(jì)算機(jī)15發(fā)出指令啟動(dòng)氣泵19，即對(duì)試樣5進(jìn)行沖擊壓·縮試驗(yàn)。
權(quán)利要求1.一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于它包括在屏蔽罩(2)外設(shè)支承座(1)，屏蔽罩(2)內(nèi)設(shè)高頻感應(yīng)加熱器(3)，該高頻感應(yīng)加熱器(3)中心設(shè)陶瓷套管(4)，陶瓷套管(4)的中央裝置試樣(5)，試樣(5)兩端分別與兩陶瓷短桿(6)的內(nèi)端相連，兩陶瓷短桿￠)的外端分別與入射桿(7)和透射桿(8)的一端相連，入射桿(7)的另一端連接空氣炮筒(9)及子彈(10)，透射桿(8)的另一端連接吸收桿(11)及阻尼器(12)，應(yīng)變片(13)分別貼于入射桿(7)和透射桿(8)上，應(yīng)變片(13)測(cè)得的應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)電橋(23)平衡后送至信號(hào)放大器(14)后傳送給計(jì)算機(jī)(15)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)(15)經(jīng)溫控器(16)控制高頻感應(yīng)加熱器(3)和試樣(5)升溫，紅外監(jiān)測(cè)儀(17)則經(jīng)測(cè)溫孔(18)測(cè)得試樣(5)溫度后反饋至溫控器(16)，計(jì)算機(jī)(15)還與氣泵(19)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于陶瓷短桿￠)為柱狀，其外徑與入射桿(7)和透射桿(8)的外徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于陶瓷短桿￠)為管狀，其外徑與入射桿(7)和透射桿(8)的外徑相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于屏蔽罩(2)為圓筒形且經(jīng)上下開合的罩耳(21)處啟閉，并用螺母(22)固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于螺母(22)為蝶形手動(dòng)擰緊螺母。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于高頻感應(yīng)加熱器(3)與屏蔽罩(2)之間設(shè)數(shù)個(gè)隔離支柱(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于隔離支柱(20)為三排三列至少9個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于隔離支柱(20)為陶瓷材料制作。
專利摘要一種快速加熱式準(zhǔn)靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，它采用將試樣裝置在屏蔽罩內(nèi)高頻感應(yīng)加熱器中心的陶瓷套管中央，再于試樣兩端分別與兩陶瓷短桿的內(nèi)端相連，兩陶瓷短桿的外端分別與入射桿和透射桿的一端相連，應(yīng)變片分別從入射桿和透射桿上測(cè)得其應(yīng)力波信號(hào)并經(jīng)電橋、放大器傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由計(jì)算機(jī)經(jīng)溫控器控制高頻感應(yīng)加熱器和試樣升溫，另一紅外監(jiān)測(cè)儀則將試樣溫度反饋至溫控器的技術(shù)方案；它克服了現(xiàn)有分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩雜，工作效率低，數(shù)據(jù)處理難，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量等缺陷；適合各種試驗(yàn)室的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)用；特別適合霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置中試樣的加熱與應(yīng)變片信息的即時(shí)處理。
文檔編號(hào)G01N1/44GK203101162SQ20122072070
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者唐思文, 唐文波, 肖雄, 張麗娜, 李鵬南, 劉德順 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)