专利名称：一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型一种测量材料力学性能的实验装置，具体涉及一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置。
背景技术：
在当今的材料科学领域研究当中，各种材料的力学性能参数的实验测定在分析研究其性质时起到了至关重要的作用。目前，随着材料研究领域的不断拓宽，除了传统意义上的金属丝线、多数普通有机或高分子丝线等硬质材料，一些多聚物(譬如生拉面面条)或者特殊金属材料(如具有超塑性性质的材料)的性质研究也已经进入了现今的研究视野之中。但是，众所周知，由于上述特殊材料所具有的特殊的比较难于解决的固有属性，使得相关的宏观力学性能测试技术尚不完善，因此在很大程度上对其宏观尺度下的材料性质的研究产生了不小阻碍。基于上述考虑，对上述材料的宏观力学性能测试的实验装置的研制开发便成为在此领域的研究过程中必不可少的一个环节。目前，在该领域中针对诸如软性材料与超塑性材料的宏观力学测试技术尚不成熟，传统意义上的力学性能测试装置不能同时满足以上两个方面的实验要求。关于材料力学性能测试装置，在已授权的专利中(吉林大学基于拉伸/压缩模式的扫描电镜下原位高频疲劳材料力学测试平台中国，201110305113. 9. [p] 2012-01-25)，可以基本实现在微纳尺度下对材料力学性能的拉伸与压缩双向原位实验测试，其具有结构紧凑、精度较高等特点，并可以实现实验过程对应变速率的控制，而其所存在的明显缺点是上不能实现在厘米尺度下的材料力学测试，而且夹具设计不能满足测试软性材料与超塑性材料力学性能的要求。在学术期刊已发表的文献当中，对于材料力学测试所设计的实验装置(材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发，黄斌等，实验力学，2005:Vol. 20，No. 4，pp. 573-578)，其优点在于过程比较直观，操作简便容易上手。但是另一方面，其仍然存在夹具不适用于特殊材料、程序控制系统编程比较繁琐。实验数据采集不够智能化等明显弊病。

实用新型内容为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，能够克服软性材料与超塑性材料在实验过程中所容易出现的诸如不易固定和拉伸下坠等实际问题，能够实现对上述材料力学性能的全面的精确的测定与分析。为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，包括实验运行采集系统，对实验运行采集系统进行控制的实验控制处理系统，对实验运行采集系统采集的数据进行记录的实验操作记录系统，对实验运行采集系统、实验控制处理系统以及实验操作记录系统进行整合、固定、防护的实验支撑防护系统；[0009]所述实验支撑防护系统包括由多个方管焊接而成的支架101，所述支架101底部由多根平行放置的短方管101-1以及固定在多根平行放置的短方管101-1两端上部并和其垂直的多根平行长方管101-2构成，在底部一侧的长方管101-2内侧竖直固定有多根竖直短方管101-3,在多根竖直短方管101-3上部固定有横向长方管101-4,在横向长方管101-4和短方管101-1间斜向固定有斜向方管101-5或横向长方管101-4和短方管101-1间间隔斜向固定有斜向方管101-5,在竖直短方管101-3间固定有金属薄板,在斜向方管101-5间也固定有金属薄板；所述实验运行采集系统包括固定在支架101远离竖直短方管101-3 —端的长方管101-2上部的直线运动滚珠丝杠导轨201，固定在直线运动滚珠丝杠导轨201—端且长方管101-2上部的伺服电机202，始端支撑座213与尾端支撑座214分别固定在直线运动滚珠丝杠导轨201行程两端上方的螺孔中；固定端夹具支座204固定在始端支撑座213相匹配的螺孔中，移动端夹具支座205固定在尾端支撑座214相匹配的螺孔中；力学传感器支座206固定在直线运动滚珠丝杠导轨201滑块上的一对外侧的螺孔中；拉压双向力学传感器203一端插入力学传感器支座206的方槽内并固定、另一端插入固定端夹具支座204的方槽内并固定；特殊样品移动端固定夹具207插入移动端夹具支座205的长槽内并用螺钉固定；特殊样品固定端固定夹具208插入固定端夹具支座204的长槽内并用螺钉固定；特殊样品铺垫装置215两端分别由始端支撑座213和尾端支撑座214上方的螺孔与其上通孔相匹配固定；移动端标尺211固定在直线运动滚珠丝杠导轨201滑块上的一对内侧的螺孔中；固定端标尺212固定在特殊样品铺垫装置215始端外侧的一个通孔上用螺钉拧紧；所述实验控制处理系统包括SN75175芯片控制主电路301、伺服电机控制驱动302、USB数据采集卡303、力学传感器数字变送器304、12V直流开关电源305、RS-485接口306以及伺服电机转向控制部件307，上述各部件的电气连接方式为伺服电机202的编码电缆连接到伺服电机控制驱动302的CN2接口 ；伺服电机202的动力电缆根据其三股电线的标注分别连接到伺服电机控制驱动302的U、V、W接口 ；伺服电机控制驱动302上的U、L1C与L2、L2C接口分别连接至两个220V AC三角插头的火线端和零线端，该两个三角插头共接地；伺服电机控制驱动302的CNl接口上1、2号针共接地、5号针与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的中间触点相连接；伺服电机控制驱动302的CNl接口上6号针一路与USB数据采集卡303的13号接口相连接，另一路连接上一个15V DC的五号电池之后再与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的倒转触点相连接；伺服电机控制驱动302的CNl接口上的32号针与SN75175芯片控制主电路301的I号管脚相连接、33号针与SN75175芯片控制主电路301的2号管脚相连接；SN75175芯片控制主电路301的3号管脚与USB数据采集卡303的29号接口相连接、4、6号管脚线路合并后与USB数据采集卡303的31号接口相连接、8号管脚与USB数据采集卡303的32号接口相连接并接地；伺服电机控制驱动302的CN7接口与左上针所连接的黑线以及与左下针所连接的红线分别与USB数据采集卡303的1、2号接口相连接；USB数据采集卡303的5号接口与力学传感器数字变送器304蓝线对应的输出接口相连接；USB数据采集卡303的14号接口与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的正转触点相连接；USB数据采集卡303的USB 2. O接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；力学传感器数字变送器304红线对应的正端接口与12V直流开关电源305的电压输出正端V+接口相连接；力学传感器数字变送器304黑线对应的正端接口与12V直流开关电源305的电压输出负端COM接口以及USB数据采集卡303的6号接口同时相连接并接地；力学传感器数字变送器304黄线对应的RSA接口与RS-485接口 306的上端第一个接线柱相连接；力学传感器数字变送器304白线对应的RSB接口与RS-485接口 306的上端第二个接线柱相连接；力学传感器数字变送器304的五脚插口与拉压双向力学传感器203的信号传输线相连接；RS-485接口 306的USB 2. O接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；12V直流开关电源305的N、L、地线接口分别与一个220V AC三角插头的火线端、零线端和地线端相连接；所述实验操作记录系统包括相互连接的输入控制单元、实时数据监控单元和图像处理显示单元。当样品为普通样品时，所述特殊样品移动端固定夹具207用普通样品移动端固定夹具209替代，所述特殊样品固定端固定夹具208用普通样品固定端固定夹具210替代。所述特殊样品移动端固定夹具207包括位于上方的移动端缠绕部207-1和位于下方的移动端承接部207-2，所述移动端缠绕部207-1为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述移动端承接部207-2为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77° -80°、下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；移动端缠绕部207-1的下底面与移动端承接部207-2的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，移动端缠绕部(207-1)通过一个螺孔与所述移动端夹具支座205相固定。所述特殊样品固定端固定夹具208包括位于上方的固定端缠绕部208-1和位于下方的固定端承接部208-2，所述固定端缠绕部208-1为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述固定端承接部208-2为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77° -80°、下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；固定端缠绕部208-1的下底面与固定端承接部208-2的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，固定端缠绕部(208-1)通过一个螺孔与所述固定端夹具支座204相固定。所述普通样品移动端固定夹具209包括位于上方的移动端夹座A209-1、移动端夹座B209-2和位于下方的移动端支撑杆209-3，所述移动端夹座A209-1由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述移动端夹座B209-2与所述移动端夹座A209-1上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和移动端夹座A209-1相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述移动端夹座A209-1的螺孔完全贯通拧紧；所述移动端支撑杆209-3通过一个螺孔与所述移动端夹座A 209-1相固定，并通过一个螺孔与所述移动端夹具支座205相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述移动端夹座A 209-1与移动端夹座B209-2固定起来。所述普通样品固定端固定夹具210包括位于上方的固定端夹座A 210-1、固定端夹座B 210-2和位于下方的固定端支撑杆210-3，所述固定端夹座A 210-1由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述固定端夹座B 210-2与所述固定端夹座A 210-1上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和固定端夹座A 210-1相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述固定端夹座A210-1的螺孔完全贯通拧紧；所述固定端支撑杆210-3通过一个螺孔与所述固定端夹座A 210-1相固定，并通过一个螺孔与所述固定端夹具支座204相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述固定端夹座A 210-1与固定端夹座B210-2固定起来。所述测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置的测量方法，包括如下步骤I)打开实验运行采集系统与实验控制处理系统的各部件电源，打开实验控制处理系统，使得整台设备处于全通电状态；2)从样品保存容器中取出实验样品，首先利用游标卡尺或螺旋测微器测出样品的横截面圆直径或者正方形边长，将其输入到实验控制处理系统软件中并选择截面类型即圆形或方形；3)根据样品的不同性质选取不同的夹具，并将其固定在夹具上，对于软性材料或超塑性材料样品，通过特殊样品移动端固定夹具207和特殊样品固定端固定夹具208采用双股固定；对于普通硬质样品，通过普通样品移动端固定夹具209和普通样品固定端固定夹具210采用单股固定，再将固定端固定夹具208和移动端固定夹具207分别固定在仪器的固定端和移动端，通过测量移动端标尺211、固定端标尺212两尖端之间的标尺长度读出样品原长，将其输入实验控制处理系统软件，并选择固定类型即双股固定或单股固定；具体固定方法为如下软性材料或超塑性材料样品，采用双股固定I在特殊样品铺垫装置215上均匀添加润滑剂；II将事先制备好的环状样品的两端分别绕在特殊样品移动端固定夹具207的移动端缠绕部207-1与特殊样品固定端固定夹具208的固定端缠绕部208-1上；III通过预估原长，将特殊样品移动端固定夹具207移动到合适的位置，即使得样品能够处于自然状态的长度上；IV将特殊样品移动端固定夹具207与特殊样品固定端固定夹具208分别固定在移动端夹具支座205与固定端夹具支座204上，通过局部调整样品各部分位置，使其达到最佳的均匀静止状态，并用配套的螺钉拧紧。普通硬质样品，采用单股固定I取出事先准备好的样品，分别将其两端放置在普通样品移动端固定夹具209的夹座A 209-1与夹座B 209-2以及普通样品固定端固定夹具210的夹座A 210-1与夹座B210-2之间的夹缝中，调整好水平放置之后，用配套螺钉拧紧将样品两端固定紧；II通过预估原长，将普通样品移动端固定夹具209移动到合适的位置，即使得样品能够处于自然状态的长度上；III将普通样品移动端固定夹具209与普通样品固定端固定夹具210分别固定在移动端夹具支座205与固定端夹具支座204上，并用配套的螺钉拧紧；4)读取仪器中的温湿度传感器上显示的环境温度与湿度，记录并输入到实验控制处理系统软件中，对于已知泊松比的材料，将试样的泊松比数值输入到实验控制处理系统软件中，对于泊松比未知的材料，将其数值保持为默认值O. 5 ；5)将实验操作记录系统中的伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关打到正向运行的位置，在实验控制处理系统软件中设置好初始运行速度，点击“开始”按钮开始运行并采集数据；[0033]6)在运动过程中，可随时根据实验需求调整运行速度，实验结束时，在实验控制处理系统软件中点击“停止”按钮结束本次实验，此时相关力学性能图像会显示在实验控制处理系统软件的X-Y图表上，并且原始数据能够直接被存储为文本文档格式的文件；7)取下样品，并妥善保存以备后续分析，将实验操作记录系统中的伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关打到反向运行的位置，使其运行到下次实验所需要的合适位置，本次实验过程结束。本实用新型和现有技术相比，具有如下技术效果I)本实用新型中所提出的主要由特殊样品移动端固定夹具207、特殊样品固定端固定夹具208、特殊样品铺垫装置215构成的针对软性材料与超塑性材料在宏观尺度下的力学性能测试手段与装置，能够有效的在实验过程中克服上述特殊材料所容易出现的诸如不易固定和拉伸下坠等实际问题，能够实现对上述材料力学性能的全面的精确的测定与分析。2)本实用新型中的宏观尺度力学性能实验装置，实现了低成本搭建、高精度运行和高效率操作三方面的技术进步，尤其是采用本实用新型实验运行采集系统、实验控制处理系统、实验操作记录系统，将宏观力学测试的实用性、直观性与简易性大大加强，为材料科学领域的实验技术人员提供了一种切实可行、简便可靠的宏观尺度力学性能测试的思路。3)本实用新型在整个思路构建、部件设计、安装调试各个阶段都考虑到了为使用者提供更简便的实验手段与方法。因此，基于这点优势，本实用新型可以作为高校与科研院所在材料力学性能方面的教学工具使用。

图1是本实用新型所述的实验装置的结构三维总示意图。图2是本实用新型的特殊样品夹具与夹具支座装配图。图3是本实用新型的普通样品夹具与夹具支座装配图。图4是本实用新型的特殊样品移动端固定夹具的结构示意图。图5是本实用新型的特殊样品固定端固定夹具的结构示意图。图6是本实用新型的普通样品移动端固定夹具的结构示意图。图7是本实用新型的普通样品固定端固定夹具的结构示意图。图8是本实用新型的硬件电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新型一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，包括实验运行采集系统，对实验运行采集系统进行控制的实验控制处理系统，对实验运行采集系统采集的数据进行记录的实验操作记录系统，对实验运行采集系统、实验控制处理系统以及实验操作记录系统进行整合、固定、防护的实验支撑防护系统；实验支撑防护系统包括由多个方管焊接而成的支架101，所述支架101底部由多根平行放置的短方管101-1以及固定在多根平行放置的短方管101-1两端上部并和其垂直的多根平行长方管101-2构成,在底部一侧的长方管101-2内侧竖直固定有多根竖直短方管101-3,在多根竖直短方管101-3上部固定有横向长方管101-4,在横向长方管101-4和短方管101-1间斜向固定有斜向方管101-5或横向长方管101-4和短方管101-1间间隔斜向固定有斜向方管101-5,在竖直短方管101-3间固定有金属薄板,在斜向方管101-5间也固。有金属薄板。如图1和图2所示，实验运行采集系统包括固定在支架101远离竖直短方管101-3一端的长方管101-2上部的直线运动滚珠丝杠导轨201，固定在直线运动滚珠丝杠导轨201一端且长方管101-2上部的伺服电机202，始端支撑座213与尾端支撑座214分别固定在直线运动滚珠丝杠导轨201行程两端上方的螺孔中；固定端夹具支座204固定在始端支撑座213相匹配的螺孔中，移动端夹具支座205固定在尾端支撑座214相匹配的螺孔中；力学传感器支座206固定在直线运动滚珠丝杠导轨201滑块上的一对外侧的螺孔中；拉压双向力学传感器203 —端插入力学传感器支座206的方槽内并用匹配螺孔固定、另一端插入固定端夹具支座204的方槽内并用匹配螺孔固定；特殊样品移动端固定夹具207插入移动端夹具支座205的长槽内并用螺钉固定；特殊样品固定端固定夹具208插入固定端夹具支座204的长槽内并用螺钉固定；特殊样品铺垫装置215两端分别由始端支撑座213和尾端支撑座214上方的螺孔与其上通孔相匹配固定；移动端标尺211固定在直线运动滚珠丝杠导轨201滑块上的一对内侧的螺孔中；固定端标尺212固定在特殊样品铺垫装置215始端外侧的一个通孔上用螺钉拧紧；其中直线运动滚珠丝杠导轨201采用THK公司生产的球保持器线性滚珠丝杠导轨，型号为KR45H-0800P0010，其最大行程为940mm，配备单个长型滑块之后有效行程为800mm,其滚珠丝杠螺距为IOmm,设计最大线性速度为400mm/s。拉压双向力学传感器203米用金诺传感器公司生产的S型拉力传感器,规格为JLBS-5,最大拉压力为49N (5kg)，分辨率为O. 05%。伺服电机202采用YASKAWA公司生产的Σ-V型伺服驱动电机，型号为SGMJV-04AAA61，额定功率为400W，额定转速3000rpm，在额定转速以下运行时的额定转矩为1. 27N · m，额定 电流2· 7A。如图1和图8所示，实验控制处理系统包括SN75175芯片控制主电路301、伺服电机控制驱动302、USB数据采集卡303、力学传感器数字变送器304、12V直流开关电源305、RS-485接口 306以及伺服电机转向控制部件307，上述各部件的电气连接方式为伺服电机202的编码电缆连接到伺服电机控制驱动302的CN2接口 ；伺服电机202的动力电缆根据其三股电线的标注分别连接到伺服电机控制驱动302的U、V、W接口 ；伺服电机控制驱动302上的LpL1C与L2、L2C接口分别连接至两个220V AC三角插头的火线端和零线端，该两个三角插头共接地；伺服电机控制驱动302的CNl接口上1、2号针共接地、5号针与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的中间触点相连接；伺服电机控制驱动302的CNl接口上6号针一路与USB数据采集卡303的13号接口相连接，另一路连接上一个15V DC的五号电池之后再与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的倒转触点相连接；伺服电机控制驱动302的CNl接口上的32号针与SN75175芯片控制主电路301的I号管脚相连接、33号针与SN75175芯片控制主电路301的2号管脚相连接；SN75175芯片控制主电路301的3号管脚与USB数据采集卡303的29号接口相连接、4、6号管脚线路合并后与USB数据采集卡303的31号接口相连接、8号管脚与USB数据采集卡303的32号接口相连接并接地；伺服电机控制驱动302的CN7接口与左上针所连接的黑线以及与左下针所连接的红线分别与USB数据采集卡303的1、2号接口相连接；USB数据采集卡303的5号接口与力学传感器数字变送器304蓝线对应的输出接口相连接；USB数据采集卡303的14号接口与伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关的正转触点相连接；USB数据采集卡303的USB 2. O接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；力学传感器数字变送器304红线对应的正端接口与12V直流开关电源305的电压输出正端V+接口相连接；力学传感器数字变送器304黑线对应的正端接口与12V直流开关电源305的电压输出负端COM接口以及USB数据采集卡303的6号接口同时相连接并接地；力学传感器数字变送器304黄线对应的RSA接口与RS-485接口 306的上端第一个接线柱相连接；力学传感器数字变送器304白线对应的RSB接口与RS-485接口 306的上端第二个接线柱相连接；力学传感器数字变送器304的五脚插口与拉压双向力学传感器203的信号传输线相连接；RS-485接口 306的USB 2. O接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；12V直流开关电源305的N、L、地线接口分别与一个220V AC三角插头的火线端、零线端和地线端相连接；SN75175芯片控制主电路301的核心部分为电子芯片SN75175，主要负责对伺服电机控制驱动302所输出的原始信号加以调制处理之后将其转化为USB数据采集卡303可以接受的信号。USB数据采集卡303采用的是National Instruments公司生产的USB 6009，具有8路模拟输入通道(14位分辨率，48kS/s)，2路模拟输出通道(12位分辨率，150S/s)，12条数字I/O线，32分辨率计数器。通过12V直流开关电源305供电的力学传感器数字变送器304经过RS-485接口 306之后，可输出线性的4_20mV的电压信号。伺服电机控制驱动302型号为S⑶V-2R8A01A，通过伺服电机控制驱动302可得到输出位移的编码器计数器信号以及输出转速的0-5mA模拟电压信号。伺服电机转向控制部件307为连接在SN75175芯片控制主电路301与USB数据采集卡303之间的高精度单刀双掷开关，通过本开关可十分简易的实现对电机转动方向的任意控制。所述实验操作记录系统包括相互连接的输入控制单元、实时数据监控单元和图像处理显示单元。由于在控制处理系统中所采用的是National Instruments所生产的USB数据采集卡303，考虑到整个系统的控制协调性和程序简易性，故实验操作记录系统的主体是由National Instruments开发的图形化程式编译平台LabVIEW软件所编写而成,其所采用的软件版本名称为2011 Service Pack 1，版本号为11. O.1。整个系统操作界面由输入控制单元、实时数据监控单元和图像处理显示单元三部分构成。其中输入控制单元能够依照实验的真实状况将配套温湿度计所得出的实验环境温湿度输入到系统中，还能够依照样品的实际状况将其初始长度、初始截面尺寸、已知的泊松比输入到系统中，该单元同时负责实验过程的启动与停止，以及样品移动速度的实时输入给定(所能给定的速度范围为0-400_/S)，并同时实现多种实验模式的切换；实时数据监控单元具有将装置运动速度、装置运动位移和样品所承载的力的实时图象绘制出来，并可以将每次实验的原始电学信号的值以及经过处理计算之后的力、位移、速度等以时间为单位自动保存为可用文本方式打开的Ivm格式文件，以满足实验之后各阶段对数据的需要；图像处理显示单元可以依照实验前所输入的样品力学状态参量和实验过程中所采集的数据绘制出力(N)-运动位移(_)、工程应力(MPa)-工程应变、真实应力(MPa)-真实应变(部分置信)、以及应变速率敏感指数_运动位移(mm)共四条曲线，为实验中的即时分析与演示提供条件。如图3所示，当样品为普通样品时，所述特殊样品移动端固定夹具207用普通样品移动端固定夹具209替代，所述特殊样品固定端固定夹具208用普通样品固定端固定夹具210替代。如图4所示,特殊样品移动端固定夹具207包括位于上方的移动端缠绕部207-1和位于下方的移动端承接部207-2，所述移动端缠绕部207-1为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述移动端承接部
207-2为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77°-80°、下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；移动端缠绕部207-1的下底面与移动端承接部207-2的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，移动端缠绕部(207-1)通过一个螺孔与所述移动端夹具支座205相固定。如图5所示，特殊样品固定端固定夹具208包括位于上方的固定端缠绕部208-1和位于下方的固定端承接部208-2，所述固定端缠绕部208-1为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述固定端承接部
208-2为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77°-80°、下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；固定端缠绕部208-1的下底面与固定端承接部208-2的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，固定端缠绕部(208-1)通过一个螺孔与所述固定端夹具支座204相固定。如图6所示,普通样品移动端固定夹具209包括位于上方的移动端夹座A209-1、移动端夹座B209-2和位于下方的移动端支撑杆209-3，所述移动端夹座A209-1由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述移动端夹座B209-2与所述移动端夹座A209-1上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和移动端夹座A209-1相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述移动端夹座A209-1的螺孔完全贯通拧紧；所述移动端支撑杆209-3通过一个螺孔与所述移动端夹座A209-1相固定，并通过一个螺孔与所述移动端夹具支座205相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述移动端夹座A209-1与移动端夹座B209-2固定起来。如图7所示，普通样品固定端固定夹具210包括位于上方的固定端夹座A210-1、固定端夹座B 210-2和位于下方的固定端支撑杆210-3,所述固定端夹座A 210-1由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述固定端夹座B 210-2与所述固定端夹座A210-1上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和固定端夹座A210-1相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述固定端夹座A 210-1的螺孔完全贯通拧紧；所述固定端支撑杆210-3通过一个螺孔与所述固定端夹座A 210-1相固定，并通过一个螺孔与所述固定端夹具支座204相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述固定端夹座A 210-1与固定端夹座B 210-2固定起来。本实用新型一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置的测量方法，包括如下步骤I)打开实验控制处理系统软件，将实验运行采集系统与控制处理系统中的伺服电机202、伺服电机202驱动器的22V AC电源插头通电，将USB数据采集卡303的传输线与力学传感器数字变送器304的USB数据传输线连接在装有实验控制处理系统软件的电子计算机上，使得整台设备处于全通电状态；2)从样品保存容器中取出实验样品，首先利用游标卡尺或螺旋测微器测出样品的横截面圆直径或者正方形边长，将其输入到实验控制处理系统软件中并选择截面类型即圆形或方形；3)根据样品的不同性质选取不同的夹具，并将其固定在夹具上，对于软性材料或超塑性材料样品，通过特殊样品移动端固定夹具207和特殊样品固定端固定夹具208采用双股固定；对于普通硬质样品，通过普通样品移动端固定夹具209和普通样品固定端固定夹具210采用单股固定，再将固定端固定夹具208和移动端固定夹具207分别插入固定端夹具支座204和移动端夹具支座205的长槽内并用螺钉固定，随后将固定端夹具支座204和移动端夹具支座205固定在装直的固定端和移动端，通过测量移动端标尺211、固定端标尺212两尖端之间的自带标尺长度读出样品原长，将其输入实验控制处理系统软件，并选择固定类型即双股固定或单股固定；具体固定方法为如下软性材料或超塑性材料样品，采用双股固定I在特殊样品铺垫装置215上均匀添加润滑剂，使夹具上空载时往返运动的摩擦力监测值在O附近做合理浮动；II将事先制备好的环状样品的两端分别绕在特殊样品移动端固定夹具207的移动端缠绕部207-1与特殊样品固定端固定夹具208的固定端缠绕部208-1上；III通过预估原长，将特殊样品移动端固定夹具207移动到合适的位置，即使得样品能够处于自然状态的长度上；IV将特殊样品移动端固定夹具207与特殊样品固定端固定夹具208分别固定在移动端夹具支座205与固定端夹具支座204上，通过局部调整样品各部分位置，使其达到最佳的均匀静止状态，并用配套的螺钉拧紧。普通硬质样品，采用单股固定I取出事先准备好的样品，分别将其两端放置在普通样品移动端固定夹具209的夹座A 209-1与夹座B 209-2以及普通样品固定端固定夹具210的夹座A 210-1与夹座B210-2之间的夹缝中，调整好水平放置之后，用配套螺钉拧紧将样品两端固定紧；II通过预估原长，将普通样品移动端固定夹具209移动到合适的位置，即使得样品能够处于自然状态的长度上；III将普通样品移动端固定夹具209与普通样品固定端固定夹具210分别固定在移动端夹具支座205与固定端夹具支座204上，并用配套的螺钉拧紧；4)读取仪器中的温湿度传感器上显示的环境温度与湿度，记录并输入到实验控制处理系统软件中，对于已知泊松比的材料，将试样的泊松比数值输入到实验控制处理系统软件中，对于泊松比未知的材料，将其数值保持为默认值O. 5 ；5)将实验操作记录系统中的伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关打到正向运行的位置，在实验控制处理系统软件中设置好初始运行速度，点击“开始”按钮，控制处理系统软件操作面板上的绿色运行指示灯将会亮起，整个设备开始运行并采集数据；6)在运动过程中，可随时根据实验需求调整运行速度，并且实时监测数据记录情况，实验结束时，在实验控制处理系统软件中点击“停止”按钮结束本次实验，此时相关力学性能图像会显示在实验控制处理系统软件的X-Y图表上，并且原始数据能够直接被存储为文本文档格式的文件；另外需要指出的是，本实用新型的实验控制处理系统除了可以通过上述步骤中所设定的自动停止移动距离来实现自主停止之外，为了防止出现高速冲撞高精度直线运动滚珠丝杠导轨201的情况发生，还加入了运行警报和强制停止运行的控制机制。当高速冲撞直线运动滚珠丝杠导轨201运行总位移(即样品原长与移动实验长度之和)达到770mm时，控制处理系统软件操作面板上的红色警报灯将会亮起，提醒实验人员应立即停止实验运行；当高速冲撞直线运动滚珠丝杠导轨201运行总位移达到800mm (即直线运动滚珠丝杠导轨201最大有效行程)时，控制处理系统将自动将伺服电机202转速强制归零，实验控制处理系统软件操作面板上的绿色运行指示灯同时熄灭，实验停止运行与采集数据，以保护整个设备的安全与运行寿命；7)取下样品，并妥善保存以备后续分析，将实验操作记录系统中的伺服电机转向控制部件307的高精度单刀双掷开关打到反向运行的位置，使其运行到下次实验所需要的合适位置，本次实验过程结束。
权利要求1.一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于包括实验运行采集系统，对实验运行采集系统进行控制的实验控制处理系统，对实验运行采集系统采集的数据进行记录的实验操作记录系统，对实验运行采集系统、实验控制处理系统以及实验操作记录系统进行整合、固定、防护的实验支撑防护系统； 所述实验支撑防护系统包括由多根方管焊接而成的支架(101)，所述支架(101)底部由多根平行放置的短方管(101-1)以及固定在多根平行放置的短方管(101-1)两端上部并和其垂直的多根平行长方管(101-2)构成，在底部一侧的长方管(101-2)内侧竖直固定有多根竖直短方管(101-3),在多根竖直短方管(101-3)上部固定有横向长方管(101-4),在横向长方管(101-4)和短方管(101-1)间斜向固定有斜向方管(101-5)或横向长方管(101-4)和短方管(101-1)间间隔斜向固定有斜向方管(101-5)，在竖直短方管(101-3)间固定有金属薄板，在斜向方管(101-5)间也固定有金属薄板； 所述实验运行采集系统包括固定在支架(101)远离竖直短方管(101-3) 一端的长方管(101-2)上部的直线运动滚珠丝杠导轨(201)，固定在直线运动滚珠丝杠导轨(201) —端且长方管(101-2)上部的伺服电机(202)，始端支撑座(213)与尾端支撑座(214)分别固定在直线运动滚珠丝杠导轨(201)行程两端上方的螺孔中；固定端夹具支座(204)固定在始端支撑座(213)相匹配的螺孔中，移动端夹具支座(205)固定在尾端支撑座(214)相匹配的螺孔中；力学传感器支座(206)固定在直线运动滚珠丝杠导轨(201)滑块上的一对外侧的螺孔中；拉压双向力学传感器(203) —端插入力学传感器支座(206)的方槽内并固定,另一端插入固定端夹具支座(204)的方槽内并固定；特殊样品移动端固定夹具(207)插入移动端夹具支座(205)的长槽内并用螺钉固定；特殊样品固定端固定夹具(208)插入固定端夹具支座(204)的长槽内并用螺钉固定；特殊样品铺垫装置(215)两端分别由始端支撑座(213)和尾端支撑座(214)上方的螺孔与其上通孔相匹配固定；移动端标尺(211)固定在直线运动滚珠丝杠导轨(201)滑块上的一对内侧的螺孔中；固定端标尺(212)固定在特殊样品铺垫装置(215)始端外侧的一个通孔上用螺钉拧紧； 所述实验控制处理系统包括SN75175芯片控制主电路(301)、伺服电机控制驱动(302)、USB数据采集卡(303)、力学传感器数字变送器(304)、12V直流开关电源(305)、RS-485接口(306)以及伺服电机转向控制部件(307)，上述各部件的电气连接方式为伺服电机(202)的编码电缆连接到伺服电机控制驱动(302)的CN2接口 ；伺服电机(202)的动力电缆根据其三股电线的标注分别连接到伺服电机控制驱动(302)的U、V、W接口 ；伺服电机控制驱动(302)上的LpL1C与L2、L2C接口分别连接至两个220V AC三角插头的火线端和零线端，该两个三角插头共接地；伺服电机控制驱动(302 )的CNl接口上1、2号针共接地、5号针与伺服电机转向控制部件(307)的高精度单刀双掷开关的中间触点相连接；伺服电机控制驱动(302)的CNl接口上6号针一路与USB数据采集卡(303)的13号接口相连接，另一路连接上一个15V DC的五号电池之后再与伺服电机转向控制部件(307)的高精度单刀双掷开关的倒转触点相连接；伺服电机控制驱动(302)的CNl接口上的32号针与SN75175芯片控制主电路(301)的I号管脚相连接，33号针与SN75175芯片控制主电路(301)的2号管脚相连接；SN75175芯片控制主电路(301)的3号管脚与USB数据采集卡(303)的29号接口相连接，4、6号管脚线路合并后与USB数据采集卡(303)的31号接口相连接，8号管脚与USB数据采集卡(303)的32号接口相连接并接地；伺服电机控制驱动(302)的CN7接口与左上针所连接的黑线以及与左下针所连接的红线分别与USB数据采集卡(303)的1、2号接口相连接；USB数据采集卡(303)的5号接口与力学传感器数字变送器(304)蓝线对应的输出接口相连接；USB数据采集卡(303)的14号接口与伺服电机转向控制部件(307)的高精度单刀双掷开关的正转触点相连接；USB数据采集卡(303)的USB 2.0接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；力学传感器数字变送器(304)红线对应的正端接口与12V直流开关电源(305)的电压输出正端V+接口相连接；力学传感器数字变送器(304)黑线对应的正端接口与12V直流开关电源(305)的电压输出负端COM接口以及USB数据采集卡(303)的6号接口同时相连接并接地；力学传感器数字变送器(304)黄线对应的RSA接口与RS-485接口(306)的上端第一个接线柱相连接；力学传感器数字变送器(304)白线对应的RSB接口与RS-485接口(306)的上端第二个接线柱相连接；力学传感器数字变送器(304 )的五脚插口与拉压双向力学传感器(203 )的信号传输线相连接；RS-485接口( 306 )的USB 2.0接口与装有实验操作记录系统软件的电子计算机相连接；12V直流开关电源(305)的N、L、地线接口分别与一个220V AC三角插头的火线端、零线端和地线端相连接； 所述实验操作记录系统包括相互连接的输入控制单元、实时数据监控单元和图像处理显示单元。
2.根据权利要求1所述的测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于当样品为普通样品时，所述特殊样品移动端固定夹具(207)用普通样品移动端固定夹具(209 )替代，所述特殊样品固定端固定夹具(208 )用普通样品固定端固定夹具(210 )替代。
3.根据权利要求1所述的测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于所述特殊样品移动端固定夹具(207)包括位于上方的移动端缠绕部(207-1)和位于下方的移动端承接部(207-2)，所述移动端缠绕部(207-1)为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述移动端承接部(207-2)为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77° -80°，下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；移动端缠绕部(207-1)的下底面与移动端承接部(207-2)的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，移动端缠绕部(207-1)通过一个螺孔与所述移动端夹具支座(205)相固定。
4.根据权利要求1所述的测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于所述特殊样品固定端固定夹具(208)包括位于上方的固定端缠绕部(208-1)和位于下方的固定端承接部(208-2)，所述固定端缠绕部(208-1)为L型，其表面涂有润滑剂的硬质铝合金圆柱，其下底面被切削成与水平面成65° -77°的斜面；所述固定端承接部(208-2)为半圆柱体与长方体拼合而成的柱体，其上底面与水平夹角77° -80°、下底面为与水平夹角80° -89°的柱体劈尖；固定端缠绕部(208-1)的下底面与固定端承接部(208-2)的上表面采用改性丙烯酸酯粘胶粘合，固定端缠绕部(208-1)通过一个螺孔与所述固定端夹具支座(204)相固定。
5.根据权利要求2所述的测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于所述普通样品移动端固定夹具(209)包括位于上方的移动端夹座A(209-l)、移动端夹座B(209-2)和位于下方的移动端支撑杆(209-3)，所述移动端夹座A(209-1)由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述移动端夹座B (209-2)与所述移动端夹座A (209-1)上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和移动端夹座A (209-1)相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述移动端夹座A (209-1)的螺孔完全贯通拧紧；所述移动端支撑杆(209-3)通过一个螺孔与所述移动端夹座A( 209-1)相固定，并通过一个螺孔与所述移动端夹具支座(205)相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述移动端夹座A (209-1)与移动端夹座B (209-2)固定起来。
6.根据权利要求2所述的测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，其特征在于所述普通样品固定端固定夹具(210)包括位于上方的固定端夹座A(210-l)、固定端夹座B(210-2)和位于下方的固定端支撑杆(210-3)，所述固定端夹座A (210-1)由方形台柱与上方突出的小长方体块构成，其小长方体块水平方向具有一对相同直径的贯穿螺孔；所述固定端夹座B (210-2)与所述固定端夹座A (210-1)上方突出的小长方体块形状与尺寸完全相同，其水平方向和固定端夹座A(210-l)相应的位置具有一对相同直径的贯穿通孔，该通孔可实现与所述固定端夹座A (210-1)的螺孔完全贯通拧紧；所述固定端支撑杆(210-3)通过一个螺孔与所述固定端夹座A (210-1)相固定，并通过一个螺孔与所述固定端夹具支座(204)相固定；实验使用时利用一对相同的螺钉将所述固定端夹座A (210-1)与固定端夹座B (210-2)固定起来。
专利摘要一种测量宏观尺度特殊材料力学性能的实验装置，该实验装置包括实验运行采集系统，对实验运行采集系统进行控制的实验控制处理系统，对实验运行采集系统采集的数据进行记录的实验操作记录系统，对实验运行采集系统、实验控制处理系统以及实验操作记录系统进行整合、固定、防护的实验支撑防护系统；其测量方法为通过伺服电机带动直线运动导轨来精确控制试样移动速度并同时读取位移与速度实时监测值，另一方面并利用拉压双向传感器直接测量力学数据来得出诸如杨氏模量等重要的力学参量；该装置实现了精确采集特殊材料力学性能数据过程的简易性、控制的方便性以及步骤的可重复性与结果的可靠性。
文档编号G01N3/00GK202886174SQ201220372149
公开日2013年4月17日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者岳源, 单智伟 申请人:西安交通大学