用于中子散射实验的动态应力加载和同步应变测量装置

摘要

本申请公开了一种用于中子散射实验的动态应力加载和同步应变测量装置。本申请装置包括动态应力加载组件、同步应变测量组件和导向杆组件；动态应力加载组件包括第一和第二动态应力加载电机；导向杆组件包括若干平行导向杆，两个电机的后端分别固定安装在两个弹簧板上，两个电机的活动端相向设置，且滑动安装在导向杆上；两个电机的活动端分别设有夹具；同步应变测量组件包括应力传感器和应变片，分别安装在两个夹具上。本申请装置，采用两个相向设置的应力加载电机，实现双向动态应力加载，结构简单，使用方便，能在各不同中子源的中子散射谱仪上通用，满足原位中子散射实验中使用环境的需求；通过弹簧板施加预应力，避免应力加载方向发生变形。

说明书

技术领域

本申请涉及中子散射实验辅助设备领域，特别是涉及一种用于中子散射实验的动态应力加载和同步应变测量的装置。

背景技术

散裂中子源在进行中子散射实验时，会有不同的样品环境需求；其中一项是在中子散射实验过程中，需要对样品进行动态应力加载和同步应变测量。通过动态应力加载和同步应变测量，可用于测量不同应力及不同频率下的样品的微观结构变化信号，及其同步发生宏观应变变化，获得应力-应变-结构的数据。

随着科学技术的发展，对安全生产和运输应用过程中载体机械部件的承载能力和可靠性提出了更高的要求，在岩石工程、高层建筑、矿山工程、水利水电工程、核电站工程、铁路和公路工程中需要有较强的承受循环载荷的能力，所以对器件材料进行动态的应力加载和同步应变测量是很有必要的。以造船用桥式双梁起重机现场检测评估为例，通过对其箱型主梁进行应力应变测试，对各典型使用载荷下的应力响应测试数据分别从静态和动态响应进行分析，为箱型主梁全面安全评估提供可靠的数据特征指数。动态应力加载和同步应变测量也可以广泛地应用于混凝土、岩石等介质的动态性能试验及结构的动态响应测试中，通过室内混凝土边坡模型试验，利用动态应变测试技术，可以对爆炸载荷作用下岩质边坡的动力特性进行分析研究。此外，采用动态应变测试系统，还可以实测小药量条形药包在岩石模型中爆炸产生的应变波，对测试到加载条件下介质产生的轴向和切向爆炸应变波信号进行分析。在不同频率、不同应力水平下，对红砂岩进行循环加卸载试验，探讨红砂岩在循环加载和循环卸载过程中阻尼比、阻尼系数、动弹模量、滞回环宽度等参数与幅值应力和加载频率的关系。在医疗研究方面，通过三维有限元方法建立胫骨骨折仿真模型，分析不同频率与大小组合的轴向应力促进骨折愈合过程，从而获得最佳理论参数。在材料研究工作里，在不同频率和恒定剪切应变幅值下考察Al-Mg合金经低频扭转振荡和时效处理后的显微组织和力学性能等。

综上所述，动态应力加载和同步应变测量装置在科研界具有举足轻重的作用，同时它也可以作为各种器件的组件，如驱动器、传感器、应变仪等为我们服务，可以为器件的生产与设计提供精确的数据参考以及对材料的性能进行探究和测试。

中子的独特性质使其在揭示物质从微观、介观到宏观尺度的结构和动力学行为方面都具有不可替代性，从而使得依托于高强度中子源的中子散射技术广泛应用于物理、化学、材料、地质、生物和医学等领域，逐渐发展为一种大型科学平台。动态应力加载和同步应变测量装置在中子散射测试中可用于测量不同应力及不同频率下的样品在中子散射中的信号，同步进行应变变化测量，收集应力-应变数据。目前，关于中子散射的动态应力加载和同步应变测量装置的文献或报道尚未涉及此装置的相关内容。而且即使有类似的相关装置，也存在体积庞大，拆卸运输困难，无法在各不同中子源的中子散射谱仪上通用。因此，急需研制一种便携式的通用型动态应力加载装置，并可与磁场、温度等样品环境装置配合使用，能实现在多场加载下开展原位中子散射实验观测。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于中子散射实验的动态应力加载和同步应变测量的装置。

本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种用于中子散射试实验的动态应力加载和同步应变测量的装置，包括动态应力加载组件、同步应变测量组件和导向杆组件；其中，动态应力加载组件包括第一动态应力加载电机和第二动态应力加载电机；导向杆组件包括若干个平行设置的导向杆，第一动态应力加载电机的后端固定安装在第一弹簧板上，第二动态应力加载电机的后端固定安装在第二弹簧板上；并且，第一弹簧板和第二弹簧板分别固定安装在导向杆的两端；第一动态应力加载电机和第二动态应力加载电机的活动端相向设置，且两个动态应力加载电机的活动端都滑动安装在导向杆上；第一动态应力加载电机的活动端设置有第一夹具，第二动态应力加载电机的活动端设置有第二夹具；同步应变测量组件包括应力传感器和应变片，应力传感器安装在第一夹具和第二夹具中的一个夹具上，应变片安装在另一个夹具上。其中，本申请的夹具只对样品或被夹持物件有导向及保持作用，不会产生额外能量损耗，使应力传感器能够真实反映样品的受力情况。

需要说明的是，本申请用于中子散射实验的动态应力加载和同步应变测量的装置，通过相向设置的第一动态应力加载电机和第二动态应力加载电机，实现双向动态应力加载，结构简单，使用方便，能够在各不同中子源的中子散射谱仪上通用，满足在原位中子散射实验中使用环境的需求。

还需要说明的是，由于待测样品在受力后，沿应力加载方向发生变形，动态应力加载电机的应力值也相应会因为接触变紧或松弛而发生变化；为了使待测样品在进行中子散射实验时始终受力，本申请创造性的采用弹簧板固定电机后端，通过弹簧施加预应力，以确保动态应力加载电机与待测样品始终处于的接触状态。装配待测样品时，弹簧板的设置会对待测样品有一定的预压力，以便于对待测样品进行固定及后续测试过程中的应力加载。

本申请的一种实现方式中，第一弹簧板和第二弹簧板采用的弹簧均为无磁弹簧。

需要说明的是，本申请的中子散射实验动态应力加载和同步应变测量装置，由于考虑要能与磁场联用，因此，优选采用无磁弹簧，例如青铜或无磁钢等材料制备的弹簧。

还需要说明的是，本申请可以按照不同的变形量、材质、中径等参数选择弹簧，按照公式F＝(f×G×d

本申请的一种实现方式中，本申请用于中子散射实验动态应力加载和同步应变测量的装置还包括第一位移放大器和第二位移放大器，第一位移放大器设置于第一动态应力加载电机的活动端与第一夹具之间，第二位移放大器设置于第二动态应力加载电机的活动端与第二夹具之间。

需要说明的是，第一位移放大器和第二位移放大器的作用是用于放大加载的应力，以满足所需应力加载的使用要求，同时也便于应力传感器能够更灵敏的检测应力加载。可以理解，位移放大器能够放大应力的程度是可以根据需求设定的，在此不作具体限定。

本申请的一种实现方式中，导向杆组件由四个平行设置的导向杆组成，四个导向杆分别固定弹簧板、夹具和位移放大器的四个角落。

可以理解，导向杆的作用就是用于安装各组件，并为应力加载提供导向；四个导向杆能够较好的稳定各个部件，并确保应力加载的流畅性；在本申请的发明构思下，不排除还可以采用其他方式的导向杆或者更多数量的导向杆，在此不作具体限定。

本申请的一种实现方式中，第一动态应力加载电机和第二动态应力加载电机均为压电陶瓷电机。

优选的，压电陶瓷电机的加载精度为0.01mm，最大加载压力范围为0～1000N，频率范围为0～100Hz。

本申请的有益效果在于：

本申请中子散射实验动态应力加载和同步应变测量的装置，采用两个相向设置的动态应力加载电机，实现双向动态应力加载，结构简单，使用方便，能够在各不同中子源的中子散射谱仪上通用，满足在原位中子散射实验中使用环境的需求。并且，采用弹簧板固定电机后端，通过弹簧板施加预应力，确保动态应力加载电机与待测样品始终处于的接触状态，避免应力加载方向发生变形，确保了应力加载和应变测量的准确性。

附图说明

图1是本申请实施例中用于中子散射动态应力加载和同步应变测量的装置的正面结构示意图；

图2是本申请实施例中用于中子散射动态应力加载和同步应变测量的装置的侧面结构示意图；

图3是本申请实施例中用于中子散射动态应力加载和同步应变测量的装置的分解结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例用于中子散射动态应力加载和同步应变测量的装置，如图1、图2和图3所示，包括动态应力加载组件、同步应变测量组件和导向杆组件；其中，动态应力加载组件包括第一动态应力加载电机11和第二动态应力加载电机12；导向杆组件包括四个平行设置的导向杆21，第一动态应力加载电机11的后端固定安装在第一弹簧板111上，第二动态应力加载电机12的后端固定安装在第二弹簧板121上；并且，第一弹簧板111和第二弹簧板121分别固定安装在导向杆的两端；第一动态应力加载电机11和第二动态应力加载电机12的活动端相向设置，且两个动态应力加载电机的活动端都滑动安装在导向杆上；第一动态应力加载电机11的活动端设置有第一夹具112，第二动态应力加载电机12的活动端设置有第二夹具122；同步应变测量组件包括应力传感器31和应变片32，应力传感器31安装在第二夹具122上，应变片32安装在第一夹具112上。

本例的第一动态应力加载电机11和第二动态应力加载电机12均为压电陶瓷电机。并且，压电陶瓷电机的加载精度为0.01mm，最大加载压力范围为0～1000N，频率范围为0～100Hz。两个动态应力加载电机沿导向杆的方向施加应力。

本例的装置中，待测样品01与应力传感器通过夹具联接，夹具只对待测样品01有导向及保持作用，不会对样品产生额外能量损耗，使应力传感器能够真实反映待测样品的受力情况。

由于待测样品在受力后，沿应力加载方向发生变形，加载器的应力值也相应会因为接触变紧或松弛而发生变化。为了使待测样品在进行中子散射实验时始终受力，本例分别采用第一弹簧板111和第二弹簧板121固定第一动态应力加载电机11和第二动态应力加载电机12的后端。使用弹簧板施加预应力，保证应力加载装置与样品间的接触状态。此外，由于本例的装置要能与磁场联用，第一弹簧板111和第二弹簧板121采用的弹簧优先选择青铜或无磁钢等材料来加工。按照不同的变形量、材质、中径来选择弹簧，按照公式F＝(f×G×d

本例的装置，在固定待测样品时，会有一定的预应力，此时弹簧处于压缩状态，应力传感器进行标定。本例具体采用的应力传感器为futek model LLB400型应力传感器。

本例的一种改进方案中，本例用于中子散射实验动态应力加载和同步应变测量的装置还包括第一位移放大器41和第二位移放大器42，第一位移放大器41设置于第一动态应力加载电机11的活动端与第一夹具112之间，第二位移放大器42设置于第二动态应力加载电机12的活动端与第二夹具122之间。四个平行设置的导向杆分别固定弹簧板、夹具和位移放大器的四个角落。

本例中子散射实验动态应力加载和同步应变测量装置的工作过程如下：

本例用于中子散射实验动态应力加载和同步应变测量的装置使用2个压电陶瓷电机进行力的加载；使用等高块调节样品高度放置于中子场中。通过应力传感器测量压力及加载频率。同时通过贴应变片，测量样品的应变。本例的装置，可对直径为8mm的长方体标准样品进行动态应力加载和同步应变测量，在不同的应力下，调节不同的频率达到实验所需数值，配合中子散射谱仪使用，可以开展中子散射同步应变测量。

本例用于中子散射动态应力加载和同步应变测量的装置，在进行动态应力加载的同时，可进行同步应变测量的原位样品环境实验。能够在各不同中子源的中子散射谱仪上通用，满足在原位中子散射实验中使用环境的需求。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。