CN108717025A - 一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置 - Google Patents

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沈丹平
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Abstract

本发明涉及记忆合金测试装置领域，公开了一种双程形状记忆合金热‑机械功能疲劳特性测试装置，包括数据采集控制***、机械加载组件、夹持组件和电源控制***，机械加载组件包括丝杠滑台和用于驱动丝杠的步进电机，夹持组件包括第一夹块和第二夹块，第一夹块与丝杠连接，数据采集控制***包括单片机以及与其电连接的拉力传感器、温度传感器、位移传感器和电阻率测试模块，第二夹块与拉力传感器连接，电阻率测试模块与被测件电连接，电源控制***包括恒流电源和与恒流电源连接的继电器，恒流电源与被测件电连接，继电器、步进电机与单片机电连接。本发明可以定量地评价双程形状记忆合金试件在循环加载下热‑机械功能疲劳特性。

Description

一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置
技术领域
本发明涉及记忆合金测试装置领域，具体而言，涉及一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置。
背景技术
形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一类能够“记忆”其初始形状的合金材料，由于同时具有传感和驱动功能，是一种智能材料。其主要功能性质包括单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和超弹性。其中双程形状记忆效应是指形状记忆合金加热时恢复高温相(奥氏体相)形状，冷却时又能恢复低温相(马氏体相)形状的现象。
双程形状记忆合金的制备通常需要经过一定的热机械循环训练。在双程形状记忆合金产品的实际使用过程中，往往会承受热机械循环载荷作用，发生长时间的马氏体(逆)相变循环，长时间的相变循环将导致SMA功能特性的退化或改变。例如，随着相变循环的增加SMA可能会发生相变温度改变、相变滞后增大、相变临界应力降低等现象，进而产生功能疲劳。功能疲劳不仅影响双程形状记忆合金产品在功能实现方面的寿命，还会进一步引发合金显微组织变化以及结构损伤或断裂，大大降低了其使用寿命。
因此，设计一种可靠、安全的测试***对双程形状记忆合金热-机械疲劳特性进行定量研究是其进一步工程化应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，可对不同长度的双程形状记忆合金试件进行稳定的机械加载和热循环加载，其使用单片机编写控制程序，并对加载过程中应力、应变、温度、电阻率等数据进行实时采集，可以定量地评价双程形状记忆合金试件在循环加载下热-机械功能疲劳特性。
本发明的实施例是这样实现的：
一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，包括机架、数据采集控制***、机械加载组件、夹持组件和电源控制***；机架包括底板和相对设置于底板一侧的两个侧板；机械加载组件包括丝杠滑台和步进电机，丝杠滑台设置于两个侧板之间，底板、侧板和丝杠滑台围合成测试空间，丝杠滑台的丝杠延伸至测试空间，步进电机与丝杠滑台连接用于驱动丝杠；夹持组件设置于测试空间，夹持组件包括用于夹持被测件一端的第一夹块和用于夹持被测件另一端的第二夹块，第一夹块通过轴承与丝杠连接。
数据采集控制***包括单片机，以及与单片机电连接的拉力传感器、温度传感器、位移传感器和电阻率测试模块,单片机与PC端上位机电连接；拉力传感器设置于底板，第二夹块通过偏置弹簧与拉力传感器连接，丝杠、被测件和拉力传感器位于同一轴向；温度传感器安装于侧板靠近测试空间的一侧且位于第一夹块和第二夹块之间；位移传感器安装于测试空间用于监测被侧件的位移；电阻率测试模块与被测件电连接；步进电机与单片机电连接；电源控制***包括恒流电源和与恒流电源连接的继电器，恒流电源与被测件电连接，继电器与单片机电连接。
进一步地，还包括冷却风扇，冷却风扇设置于测试空间且位于第一夹块与第二夹块之间，冷却风扇与单片机电连接。
进一步地，电阻率测试模块包括沿被测件的轴向依次排布的四个电极，内侧的两个电极与电压计电连接，外侧的两个电极与电流计电连接，电流计、电压计均与单片机电连接。
进一步地，丝杠滑台包括滑台板和设置于滑台板的丝杆螺母组件，步进电机安装于滑台板，丝杆螺母组件的螺母通过齿轮组件与步进电机的驱动轴啮合。
进一步地，位移传感器包括传感器本体、第一导向轴和第二导向轴，第一导向轴和第二导向轴沿被测件的轴向分别设置于被测件的两侧，第一导向轴设有第一滑块、第二滑块，第二导向轴设有第三滑块、第四滑块，第一滑块与第三滑块之间连接有安装板，安装板与被测件的轴向垂直，安装板与第一夹块固定连接，第二滑块与第四滑块之间连接有接收板，接收板与被测件的轴向垂直，接收板与第二夹块固定连接，传感器本体采用光电式位移传感器。
进一步地，第一夹块、第二夹块均设有耐高温绝缘套。
进一步地，温度传感器为红外测温仪。
进一步地，轴承为空气轴承。
本发明实施例的有益效果是：
1.双程形状记忆合金在功能疲劳测试过程中要历经如下的循环过程：初始形状—机械加载变形—升温至马氏体转变结束温度Af以上—恢复高温相形状—冷却至奥氏体转变结束温度Mf以下—恢复低温相形状。申请人研究发现：形状记忆合金在发生相变时，电阻率是反应合金内部结构变化的敏感物理量之一，充分了解材料电阻率和力学性能的关系可以方便迅速地反应其功能疲劳特性。例如，通过监测SMA的电阻率变化可以感知材料内部应变和裂纹、空洞等缺陷状态，从而推测SMA元件的功能损伤程度，进而动态调整输入电流和电阻热，以实现相变的反馈控制。本发明与现有测试方案相比，引入了电阻率测量模块，在双程形状记忆合金被测件热-机械循环加载过程中实现了对温度、位移、力、电阻率数据的实时采集和存储，并提供电阻热输入的动态调整依据，控制相变完成程度。
2.本发明采用单片机作为***的控制模块，通过串口将采集到的数据发送到PC端上位机，并于PC端上位机编写了用户控制指令，操作简便，易于控制，可靠性高；本发明单片机连接有拉力传感器、温度传感器、位移传感器和电阻率测量模块，在双程形状记忆合金被测件热-机械循环加载过程中实现了对力、温度、位移、电阻率数据的实时采集和存储，并提供电阻热输入的动态调整依据，控制相变完成程度。
3.本发明的试件夹持装置可以通过调节步进电机以满足固定不同长度合金试件的需要，控制精度高，降低了安装误差；
4.本发明采用一体化的结构设计，无需借助其他实验设备即可完成测试需要，结构可扩展性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的位移传感器结构示意图。
图标：100-被测件，200-机架，210-底板，220-侧板，230-测试空间，300-数据采集控制***，310-单片机，320-拉力传感器，321-偏置弹簧，330-温度传感器，340-位移传感器，341-传感器本体，342-第一导向轴，343-第二导向轴，342a-第一滑块，342b-第二滑块，343a-第三滑块，343b-第四滑块，344-安装板，345-接收板，350-电阻率测试模块，351-电极，360-PC端上位机，400-机械加载组件，410-丝杠滑台，411-滑台板，412-丝杠，413-螺母，420-步进电机，430-齿轮组件，510-第一夹块，520-第二夹块，521-轴承，610-恒流电源，620-继电器，700-冷却风扇。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1，本实施例提供一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，包括机架200、数据采集控制***300、机械加载组件400、夹持组件和电源控制***。机架200包括底板210和相对设置于底板210一侧的两个侧板220。机械加载组件400包括丝杠滑台410和步进电机420，丝杠滑台410设置于两个侧板220之间，底板210、侧板220和丝杠滑台410围合成测试空间230，丝杠滑台410的丝杠412延伸至测试空间230，步进电机420与丝杠滑台410连接用于驱动丝杠412。夹持组件设置于测试空间230，夹持组件包括用于夹持被测件100一端的第一夹块510和用于夹持被测件100另一端的第二夹块520，第一夹块510通过轴承521与丝杠412连接。通过设置轴承521，将丝杠412的旋转、上下运动转换为第一夹块510的上下运动。轴承521采用空气轴承521，将磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定。本实施例中，为了避免夹持处局部温度过高，第一夹块510、第二夹块520均设有耐高温绝缘套，在与被测件110接触部位进行了绝缘处理。
数据采集控制***300包括单片机310，以及与单片机310电连接的拉力传感器320、温度传感器330、位移传感器340和电阻率测试模块350,单片机310与PC端上位机360电连接。拉力传感器320设置于底板210，第二夹块520通过偏置弹簧321与拉力传感器320连接，丝杠412、被测件100和拉力传感器320位于同一轴向。温度传感器330安装于侧板220靠近测试空间230的一侧且位于第一夹块510和第二夹块520之间，本实施例中，温度传感器330为红外测温仪，在本发明的其它实施例中，也可以采用其它非接触式的温度传感器。位移传感器340安装于测试空间230用于监测被侧件的位移。电阻率测试模块350与被测件100电连接。步进电机420与单片机310电连接。电源控制***包括恒流电源610和与恒流电源610连接的继电器620，恒流电源610与被测件100电连接，继电器620与单片机310电连接。
工作原理是：本装置采用电加热的方式对形状记忆合金试件进行升温加热到马氏体相变温度，通过单片机310控制温度传感器330、位移传感器340、拉力传感器320和电阻率测试模块350对热量和机械加载过程中的数据进行采集。具体地，测试***可选择意法半导体STM32F4系列单片机作为主控MCU，并编写了用于接受数据和发送指令的上位机程序，用户可以在PC端上位机360界面对测试装置进行调试并完成一系列的测试。红外温度传感器330固定在被测件100的一侧用于对被测件100进行实时的温度测量，位移传感器340对被测件100在加载过程中的变形量进行实时监测，拉力传感器320与被测件100相连用于对拉力进行实时监测。温度传感器330、拉力传感器320和位移传感器340将采集到的数据输入到单片机310进行存储，单片机310通过串口通信的方式发送到PC端上位机360。
请参照图2，本实施例中，位移传感器包括传感器本体341、第一导向轴342和第二导向轴343，第一导向轴342和第二导向轴343沿被测件100的轴向分别设置于被测件100的两侧，第一导向轴342设有第一滑块342a、第二滑块342b，第二导向轴343设有第三滑块343a、第四滑块343b，第一滑块342a与第三滑块343a之间连接有安装板344，安装板344与被测件100的轴向垂直，安装板344与第一夹块540固定连接，第二滑块342b与第四滑块343b之间连接有接收板345，接收板345与被测件100的轴向垂直，接收板345与第二夹块520固定连接。传感器本体341采用光电式位移传感器，其产生的光量被接收板阻挡，从而确定位移，随着被测件形状发生改变，传感器本体和接受板之间的距离实时发生改变，从而实现被测件形变(位移)的实时监测。
夹持组件用于固定形状记忆合金被测件100，测试时用户通过PC端上位机360发送控制指令到单片机310，单片机310接受到控制指令后控制步进电机420的正转与反转对丝杠412进行单轴双向控制，完成对被测件100的机械加载(拉伸或卸载)。通过控制步进电机420满足不同长度形状记忆合金试件能处于预夹紧状态。
电源控制***中，由单片机310经继电器620控制恒流电源610的通断对被测件100进行输入电流调整和温度保持。为了准确地得到被测件100在加载过程中电阻率的变化曲线，本测试装置采用四电极法对电阻率进行测量，电阻率测试模块350包括沿被测件100的轴向依次排布的四个电极351，内侧的两个电极351与电压计电连接，外侧的两个电极351与电流计电连接，电流计、电压计均与单片机310电连接，采用四电极法测量电阻率可以大大减少接头的接触电阻造成的误差。
综上，单片机310除了对各个传感器的数据进行采集以外，还负责对被测件100施加机械载荷并控制电源的通断实现升温降温循环，通过本发明的技术方案和测试装置，可以实现双程形状记忆合金电-热-机械功能疲劳的自动化测试，获得双程形状记忆合金试件热-机械循环过程中应力、应变、温度、电阻率的数据变化曲线，为评价其热-机械功能疲劳特性提供参考。
本装置还设置有冷却风扇700，冷却风扇700设置于测试空间230且位于第一夹块510与第二夹块520之间，冷却风扇700位于被测件100的一侧，冷却风扇700与单片机310电连接，恒流电源610、继电器620、冷却风扇700与被测件100串联组成加热-冷却回路。
本实施例，丝杠滑台410的具体结构为：丝杠滑台410包括滑台板411和设置于滑台板411的丝杆螺母组件，步进电机420安装于滑台板411，丝杆螺母组件的螺母413通过齿轮组件430与步进电机420的驱动轴啮合，采用上述结构，本装置整体结构更紧凑，节约安装空间。
具体实施方式为：首先根据图1安装好各个模块，将形状记忆合金被测件100两端固定在夹持组件上并与偏置弹簧321相连，恒流电源610与被测件100电连接，安装好电阻率测量模块的四个电极351，接通电源后，在PC端上位机360界面调节步进电机420，步进电机420驱动丝杠412使被测件100处于预夹紧状态，完成实验的前期准备。
以一个循环过程为例，测试时，首先对被测件100进行机械加载，在PC端上位机360界面输入所需拉伸应变，由单片机310控制步进电机420从而通过丝杠412将被测试件拉伸至给定应变，然后在PC端用户界面中设置热加载的预设温度，单片机310收到控制指令后控制电源控制***对被测件100进行电加热，当加热到相变温度以上时被测件100开始产生回复力恢复到高温相形状，当红外测温器检测到温度达到预测温度时，停止加热，***进入温度保持状态，温度低于预设温度后立刻恢复通电。加热结束时，电源控制***关闭，冷却风扇700开始工作，对被测件100进行快速降温，被测件100开始恢复低温相形状。
实验中，单片机310会对热机循环过程中应力、应变、温度、电阻率数据进行实施采样并发送到PC端进行存储，用户可以对数据进行实时观测。通过对获得的数据进行统计和量化分析，可以为评价双程形状记忆合金的热机械功能疲劳特性提供有效的参考。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，包括机架、数据采集控制***、机械加载组件、夹持组件和电源控制***；
所述机架包括底板和相对设置于底板一侧的两个侧板；
所述机械加载组件包括丝杠滑台和步进电机，所述丝杠滑台设置于两个所述侧板之间，所述底板、侧板和丝杠滑台围合成测试空间，所述丝杠滑台的丝杠延伸至所述测试空间，所述步进电机与所述丝杠滑台连接用于驱动所述丝杠；；
所述夹持组件设置于所述测试空间，所述夹持组件包括用于夹持被测件一端的第一夹块和用于夹持被测件另一端的第二夹块，所述第一夹块通过轴承与所述丝杠连接；
所述数据采集控制***包括单片机，以及与所述单片机电连接的拉力传感器、温度传感器、位移传感器和电阻率测试模块,所述单片机与PC端上位机电连接；所述拉力传感器设置于所述底板，所述第二夹块通过偏置弹簧与所述拉力传感器连接，所述丝杠、所述被测件和所述拉力传感器位于同一轴向；所述温度传感器安装于所述侧板靠近所述测试空间的一侧且位于所述第一夹块和所述第二夹块之间；所述位移传感器安装于所述测试空间用于监测被侧件的位移；所述电阻率测试模块与所述被测件电连接；所述步进电机与所述单片机电连接；
所述电源控制***包括恒流电源和与所述恒流电源连接的继电器，所述恒流电源与被测件电连接，所述继电器与所述单片机电连接。
2.如权利要求1所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，还包括冷却风扇，所述冷却风扇设置于所述测试空间且位于所述第一夹块与所述第二夹块之间，所述冷却风扇与所述单片机电连接。
3.如权利要求1所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述电阻率测试模块包括沿被测件的轴向依次排布的四个电极，内侧的两个所述电极与电压计电连接，外侧的两个所述电极与电流计电连接，所述电流计、所述电压计均与所述单片机电连接。
4.如权利要求1所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述丝杠滑台包括滑台板和设置于所述滑台板的丝杆螺母组件，所述步进电机安装于所述滑台板，所述丝杆螺母组件的螺母通过齿轮组件与所述步进电机的驱动轴啮合。
5.如权利要求1所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述位移传感器包括传感器本体、第一导向轴和第二导向轴，所述第一导向轴和所述第二导向轴沿所述被测件的轴向分别设置于所述被测件的两侧，所述第一导向轴设有第一滑块、第二滑块，所述第二导向轴设有第三滑块、第四滑块，所述第一滑块与所述第三滑块之间连接有安装板，所述安装板与所述被测件的轴向垂直，所述安装板与所述第一夹块固定连接，所述第二滑块与所述第四滑块之间连接有接收板，所述接收板与所述被测件的轴向垂直，所述接收板与所述第二夹块固定连接，所述传感器本体采用光电式位移传感器。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述第一夹块、所述第二夹块均设有耐高温绝缘套。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述温度传感器为红外测温仪。
8.如权利要求1至5中任意一项所述的双程形状记忆合金热-机械功能疲劳特性测试装置，其特征在于，所述轴承为空气轴承。
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