專利名稱：快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置。
背景技術：
現(xiàn)有分離式霍普金森(Hopkinson)壓桿實驗,被認為是研究材料動態(tài)力學性能的一種有效方法。SHPB的高溫實驗法案大體分為二種類型一種是將試樣和部分導波桿放入溫度箱中同時進行加熱，名稱為“SHPB裝置應用于測量高溫動態(tài)力學性能的研究”的文章(夏開文等，實驗力學，1998，Vol. 13，第3期，PP. 307-313)采用恒溫加熱爐，應用一維應力波傳播理論和傳熱原理，修正溫度梯度場對波形測量的影響，其缺陷在于實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較復雜；另一種是先單獨對試樣加熱，實驗前快速將試樣安裝在系統(tǒng)中，名稱為“SHPB系統(tǒng)高溫實驗自動組裝技術”的文章(張方舉等，實驗力學，2005，Vol. 20，第2期，PP. 281-284)和名稱為“用于高溫霍普金森壓桿實驗的雙向雙氣路自動組裝裝置”的發(fā)明專利(專利號ZL200610021096. 5)，描述了該裝置能夠保證組裝的穩(wěn)定性等，其缺陷在于實現(xiàn)系統(tǒng)的準靜態(tài)對接與同步，對實驗裝置有很高的精度要求；另外，發(fā)明專利(專利號ZL201010230523. 7)和實用新型專利(專利號ZL201020263456. 4)公開了一種帶有氣氛保護裝置的高溫霍普金森壓桿實驗系統(tǒng)，能進行常規(guī)空氣中的高溫動態(tài)實驗，并且能提供保護氣氛，其缺陷在于實驗系統(tǒng)比較復雜，而且試樣為單獨加熱或試樣與部分導波桿一起加熱，都不可避免會有局部桿的升溫，從而在沖擊作用下發(fā)生塑性變形，對應力波的傳遞產(chǎn)生較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，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行，而無需使用機械裝置移動壓桿或加熱爐；還能完成系統(tǒng)的準靜態(tài)對接與同步，而且系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理快捷、精準，其結構簡單、緊湊，操作容易，工作效率高，資本投入少，經(jīng)濟實惠，便于普及推廣。為了實現(xiàn)上述目的，一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，它包括在屏蔽罩外設支承座，屏蔽罩內(nèi)設高頻感應加熱器，該高頻感應加熱器中心設陶瓷套管，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，應變片分別貼于入射桿和透射桿上，應變片測得的應力波信號經(jīng)電橋平衡后送至信號放大器后傳送給計算機進行數(shù)據(jù)處理，計算機經(jīng)溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，紅外監(jiān)測儀則經(jīng)測溫孔測得試樣溫度后反饋至溫控器，計算機還與氣泵電連接。為了提高本發(fā)明的綜合性能，實現(xiàn)結構、效果優(yōu)化，其進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。螺母為蝶形手動擰緊螺母。高頻感應加熱器與屏蔽罩之間設數(shù)個隔離支柱。隔離支柱為三排三列至少9個。隔離支柱為陶瓷材料制作。本發(fā)明采用將試樣裝置在屏蔽罩內(nèi)高頻感應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，應變片分別從入射桿和透射桿上測得其應力波信號并經(jīng)平衡電橋送至信號放大器后傳 送給計算機進行數(shù)據(jù)處理，再由計算機經(jīng)溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，另一紅外監(jiān)測儀則經(jīng)測溫孔測得試樣溫度后反饋至溫控器，計算機還與氣泵電連接的技術方案，它克服了現(xiàn)有分離式霍普金森壓桿實驗裝置存在的結構復雜、操作煩雜，工作效率低，且需使用機械裝置移動壓桿或加熱爐，系統(tǒng)的準靜態(tài)對接與同步精度難達要求，數(shù)據(jù)處理復雜，嚴重影響了霍普金森壓桿實驗的質量等缺陷。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術所產(chǎn)生的有益效果(I)本發(fā)明采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應加熱器加熱的技術方案，極大地提升了加熱速度，消除了加熱過程中因試樣氧化對材料性能的影響；(II)本發(fā)明采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿和高頻感應加熱器加熱并結合同步處理信息的技術方案，省去了在加熱試樣前后要靠機械裝置移動壓桿或加熱爐的煩雜過程，實現(xiàn)了試樣加熱和沖擊在同一位置進行；(III)本發(fā)明采用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，紅外監(jiān)測儀經(jīng)高頻感應加熱器的測溫孔測量試樣的溫度，且同步反饋給溫控器并自動控制試樣加熱溫度；(IV)本發(fā)明采用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，高頻感應加熱器與試樣之間采用陶瓷套管支撐和保護，既可獲得較好的絕緣、保溫效果，又不會有環(huán)境污染；(V)本發(fā)明采用感應加熱、紅外測溫控制以及計算機處理信息相結合的技術方案，為滿足試樣應力、應變均勻性與加載脈沖形態(tài)、材料性質及試樣幾何參數(shù)的相互關系的深入研究、分析，提供了保障機理和基礎分析條件；(VI)本發(fā)明采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并結合同步處理信息的技術方案，保證了感應電流只對金屬試樣進行加熱，在數(shù)據(jù)處理時，忽略溫度梯度場對波形測量的影響，從而避免了實驗后超量的復雜數(shù)據(jù)處理工作；(VII)本發(fā)明采用感應加熱與紅外測溫控制相結合的技術方案，計算機與溫控器、氣泵二者相連接，當達到預定溫度時，可自動啟動氣泵進行沖擊壓縮試驗；(VIII)本發(fā)明采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應加熱器加熱的技術方案，克服了應用“恒溫加熱爐與應用一維應力波傳播理論和傳熱原理…對波形測量”方法存在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較復雜的缺陷；本發(fā)明較好地解決了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并簡化了數(shù)據(jù)處理程序；(IX)本發(fā)明采用于壓桿和試樣之間添加陶瓷短桿并采用高頻感應加熱器加熱的技術方案，克服了應用“預先單獨對試樣加熱，實驗前快速將試樣安裝在系統(tǒng)中”方法存在難以實現(xiàn)系統(tǒng)的準靜態(tài)對接與同步，且對實驗裝置有很高的精度要求的缺陷；本發(fā)明較好地解決了系統(tǒng)的準靜態(tài)對接與同步，使實驗結果的精準度大大提高了 ；(X)本發(fā)明采用組合式一體機結構，使結構極其簡單、緊湊、體積小，自動操作控制，靈活輕快，加熱速度快，工作效率高，無資源浪費，無環(huán)境污染，資本投入少，經(jīng)濟實惠，適合各種試驗室和霍普金森壓桿實驗裝置的應用，極易普及推廣和廣闊的市場前景。本發(fā)明適合各種試驗室的霍普金森壓桿實驗用；特別適合霍普金森壓桿實驗裝置中試樣的加熱與應變片信息的即時處理。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1為本發(fā)明快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置主視圖。圖2為圖1中顯示試樣、陶瓷套管、高頻感應加熱器以及活動屏蔽罩之間相互連接關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、應變片，14、信號放大器，15、計算機，16、溫控器，17、紅外監(jiān)測儀，18、測溫孔，19、氣泵，20、隔離支柱，21、罩耳，22、螺母，23、電橋。
具體實施例方式結合附圖，一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，它包括在屏蔽罩2外設支承座1，屏蔽罩2內(nèi)設高頻感應加熱器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，并用蝶形手動擰緊螺母22固定；為了保證高頻感應加熱器3的安全和加熱效果，高頻感應加熱器3與屏蔽罩2之間設三排三列至少9個陶瓷材料制作的隔離支柱20 ;該高頻感應加熱器3中心設陶瓷套管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，應變片13分別貼于入射桿7和透射桿8上，應變片13測得的應力波信號經(jīng)電橋23平衡后送至信號放大器14后傳送給計算機15進行數(shù)據(jù)處理，計算機15經(jīng)溫控器16控制高頻感應加熱器3和試樣5升溫，紅外監(jiān)測儀17則經(jīng)測溫孔18測得試樣5溫度后反饋至溫控器16，計算機15還與氣泵19電連接。由附圖所示，本發(fā)明的一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置的工作原理，本發(fā)明采用高頻感應加熱方法對金屬試樣或樣品進行加熱，將金屬試樣5置于高頻感應加熱器3產(chǎn)生的交變磁場中，試樣5內(nèi)部產(chǎn)生感應電流，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)測儀17的信號，判斷試樣5溫度與預定溫度的大小，當試樣5溫度小于預定溫度時，繼續(xù)對高頻感應加熱器3通電，對試樣5繼續(xù)加熱；當試樣5溫度達到預定溫度時，溫控器16對高頻感應加熱器3斷電，從而停止對試樣5加熱，計算機15獲得信號，控制空氣炮筒9內(nèi)子彈10的即時沖擊發(fā)射，進入沖擊試驗，實現(xiàn)停止加熱和沖擊試驗兩個過程連續(xù)且無間隙順序進行，保證了試驗所需溫度的準確性，從而保證了試驗結果的精確度。參見附圖，本發(fā)明的具體實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，然后將應變片13分別貼于入射桿7和透射桿8上，同時，將應變片13依次與信號放大器14、計算機15、溫控器16、紅外監(jiān)測儀17、高頻感應加熱器3及測溫孔18電連接，還將計算機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，用蝶形手動擰緊螺母22擰緊、固定；此時，開啟紅外監(jiān)測儀17和溫控器16，同時啟動高頻感應加熱器3，對試樣5加熱；當試樣5溫度達到預定溫度時，溫控器16對高頻感應加熱器3斷電即停止對試樣加熱，同時發(fā)出信號給計算機15，然后計算機15發(fā)出指令啟動氣泵19，即對試樣5進行沖擊壓縮試驗。
權利要求
1.一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于它包括在屏蔽罩(2)外設支承座(1)，屏蔽罩(2)內(nèi)設高頻感應加熱器(3)，該高頻感應加熱器(3)中心設陶瓷套管(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)， 應變片(13)分別貼于入射桿(7)和透射桿(8)上，應變片(13)測得的應力波信號經(jīng)電橋(23)平衡后送至信號放大器(14)后傳送給計算機(15)進行數(shù)據(jù)處理，計算機(15)經(jīng)溫控器(16)控制高頻感應加熱器(3)和試樣(5)升溫，紅外監(jiān)測儀(17)則經(jīng)測溫孔(18)測得試樣(5)溫度后反饋至溫控器(16)，計算機(15)還與氣泵(19)電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，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)權利要求1所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，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)權利要求1所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，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)權利要求1所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于螺母(22)為蝶形手動擰緊螺母。
6.根據(jù)權利要求1所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于高頻感應加熱器(3)與屏蔽罩(2)之間設數(shù)個隔離支柱(20)。
7.根據(jù)權利要求6所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于隔離支柱(20)為三排三列至少9個。
8.根據(jù)權利要求6所述的快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，其特征在于隔離支柱(20)為陶瓷材料制作。
全文摘要
一種快速加熱式準靜態(tài)高溫霍普金森壓桿實驗裝置，它采用將試樣裝置在屏蔽罩內(nèi)高頻感應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，應變片分別從入射桿和透射桿上測得其應力波信號并經(jīng)電橋、放大器傳送給計算機進行數(shù)據(jù)處理，再由計算機經(jīng)溫控器控制高頻感應加熱器和試樣升溫，另一紅外監(jiān)測儀則將試樣溫度反饋至溫控器的技術方案；它克服了現(xiàn)有分離式霍普金森壓桿實驗裝置存在結構復雜、操作煩雜，工作效率低，數(shù)據(jù)處理難，嚴重影響了實驗的質量等缺陷；適合各種試驗室的霍普金森壓桿實驗用；特別適合霍普金森壓桿實驗裝置中試樣的加熱與應變片信息的即時處理。
文檔編號G01N3/00GK103018094SQ201210567070
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日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 申請人:湖南科技大學