基于洛伦兹力的金属电磁加载系统的制作方法

本发明涉及一种金属加载系统技术领域，具体涉及一种基于洛伦兹力的金属电磁加载系统。

背景技术：

目前金属材料在各种工程结构中应用十分广泛，这些金属部件的结构性能及安全状态直接影响着设备的安全运行。金属材料受到载荷应力、温度应力、残余应力等因素影响会产生缺陷，甚至是裂纹和断裂，造成严重后果。为了研究应力状态下金属材料的性能，常需要对金属材料进行加载(即施加力，包括拉力和压力)。传统材料试验机采用电动机或液压驱动，使用齿轮、丝杠传动，在使用时需要把工件夹住进行拉伸，从外部对工件施力，试验机体积庞大，价格昂贵，维护成本高；并且其对试件使用夹头进行固定，不可避免地会对材料表面造成损伤。

技术实现要素：

为了克服现有机械加载装置体积庞大、与试件直接接触的缺点，本发明提供一种基于洛伦兹力的金属电磁加载系统，该系统将电磁力用于金属试件拉伸之中，具有作用力均匀，与工件非接触，操作快捷，便于携带的优点。

本发明所采用的技术方案是，提供一种基于洛伦兹力的金属电磁加载系统，其特征在于该系统包括可调稳压电源、储能电容、可控硅、单片机及四个加载头；所述可调稳压电源的输出端依次与储能电容、可控硅和四个加载头连接，可控硅的控制端口与单片机连接，通过单片机触发可控硅导通；可调稳压电源用于将工频电源进行整流和升压并为储能电容充电；储能电容用于储存电能，并向加载头放电，可控硅用于控制储能电容的放电；所述四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；所述每个加载头均包括激励线圈和永磁体，所述激励线圈与可控硅的输出端连接，在激励线圈上部的左半边区域和/或右半边区域固定一个永磁体。

本发明加载系统的特点：

1.本发明采用电磁感应原理，不从外部对工件施力，而是使工件从内部受力，使得试件内应力分布更加均匀；

2.机械拉伸机中使用夹头固定工件，夹头的压力和其上的防滑纹会对工件表面造成损伤。本发明加载头不与工件直接接触，而是通过磁场作用于工件，避免了对工件试件表面的损伤；

3.系统体积小重量轻，便于携带，装卸方便，可在被测试件处于服役状态下进行加载，方便技术人员现场操作。

传统拉伸机体积庞大不能移动，欲对试件进行检测需将该零件从设备上拆卸下来，然后送至实验室进行研究，过程比较繁琐。本发明系统设备轻便可以带到户外，方便技术人员现场操作，克服了现有拉伸机体积庞大价格昂贵的问题。

附图说明

图1是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统的结构框图；

图2是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统加载头主视结构示意图；

图3是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统加载头主观剖面示意图；

图4是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统使用时加载头与金属板的安装结构主视结构示意图；

图5是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统使用时加载头与金属板的安装结构俯视结构示意图；

图6是本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统使用时原理示意图。

图7是实施例2的加载头与金属板的安装结构主视结构示意图。

图8是实施例3的加载头与金属板的安装结构主视结构示意图。

图中，1.可调稳压电源，2.储能电容，3.可控硅，4.单片机，5.激励线圈，6.金属板，7.永磁体，8.激励电流，9.感应涡流，10.静磁场，11.电磁力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于洛伦兹力的金属电磁加载系统(简称系统，参见图1，4，5)包括可调稳压电源1、储能电容2、可控硅3、单片机4及四个加载头；所述可调稳压电源1的输出端依次与储能电容2、可控硅3和四个加载头连接，可控硅的控制端口与单片机4连接，通过单片机4触发可控硅导通；可调稳压电源1用于将工频电源进行整流和升压并为储能电容充电，电压输出范围为0～800v可调；储能电容2用于储存电能，并向加载头放电，最高耐压值为1200v，容量为3500uf，可控硅3用于控制储能电容的放电，最高耐受电压为1400v，工作电流为800a；

四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；所述每个加载头均包括激励线圈5和永磁体7，所述激励线圈5与可控硅3的输出端连接，在激励线圈上部的左半边区域和/或右半边区域固定一个永磁体。

本发明的进一步特征在于每个加载头均包括两个永磁体7和一个激励线圈5，永磁体7采用钕铁硼n52强磁材料，形状为u型，同一加载头上的两个永磁体7极性相反，互相吸合形成e形结构；激励线圈5采用空心长方形骨架，激励线圈5嵌入永磁体7形成的e形结构的空隙中，组合成加载头。

本发明的进一步特征在于所述激励线圈5上的导线采用直径为0.5-2mm漆包铜导线，缠绕匝数为150-300匝。

优选激励线圈5上的导线采用直径为0.8-1.2mm漆包铜导线，缠绕匝数为200-250匝。

本发明加载系统的工作原理及过程是：

首先将四个加载头分成两组放置在金属板6的两端，每组两个加载头，两个加载头呈上下对称结构布置在金属板的上下表面，如图4所示。然后使用可调稳压电源1对储能电容2充电，充电完毕后通过单片机4触发可控硅3导通，储能电容2对四个激励线圈5放电，激励线圈5中产生激励电流8，夹在两个激励线圈5中间的金属板6中会感生出电流方向与激励电流8相反的感应涡流9(参见图6)，用u型永磁体7包裹激励线圈5只与施力方向垂直两个作用边(激励线圈共有四个边，其中只有与施力方向垂直的两个边对产生力有作用，称这两个边为作用边，只在这两个边上安放永磁体)，在永磁体7产生的静磁场10作用下，金属板6两端的感应涡流9将受到方向相背的洛伦兹力11作用，对金属板6产生拉伸作用。通过调节激励线圈5中电流流动方向，可以实现拉伸和压缩两种加载效果的变换。图6中“☉”表示电流垂直纸面向里，表示电流垂直纸面向外。

本发明加载系统可应用于以下两个领域：

1.金属材料的力学性能研究：测试金属材料的抗拉强度，逐渐提高所施加电磁力，观察材料在多大受力范围内发生塑性形变，超出多大受力范围会发生不可恢复的非塑性形变，到达什么受力极限时会发生断裂。

2.金属内部应力的无损检测：

①可进行金属声弹性系数的在线测量。

②提高无损检测的空间分辨率：对于较微小、难以检测到的金属应力，可使用此系统将应力扩大，得到更明显的检测结果。例如使用超声应力检测方法时，金属中存在的应力较小，需要测量4cm距离上的超声波传播时间，才能采集到明显的波速变化；若使用此系统将应力扩大，可能只需要在2cm距离就能采集到明显的声速变化，这就缩小了检测所需的空间，更能反映某一点的应力状况，提高了检测的空间分辨率。

实施例1

本实施例基于洛伦兹力的金属电磁加载系统包括可调稳压电源1、储能电容2、可控硅3、单片机4及四个加载头；所述可调稳压电源1的输出端依次与储能电容2、可控硅3和四个加载头连接，可控硅的控制端口与单片机4连接，通过单片机4触发可控硅导通；可调稳压电源1用于将工频电源进行整流和升压并为储能电容充电；储能电容2用于储存电能，并向加载头放电，可控硅3用于控制储能电容的放电；

四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；每个加载头均包括两个永磁体7和一个激励线圈5，所述激励线圈5与可控硅3的输出端连接；所述永磁体7形状为u型，同一加载头上的两个永磁体7极性相反，互相吸合形成e形结构；激励线圈5采用空心长方形骨架，激励线圈5嵌入永磁体7形成的e形结构的空隙中，组合成加载头。

本实施例所述激励线圈5上的导线采用直径为0.8mm漆包铜导线，缠绕匝数为200匝，所述永磁体采用钕铁硼n52强磁材料。可调稳压电源1的电压输出范围为0～800v可调；储能电容2的最高耐压值为1200v，容量为3500uf；可控硅3最高耐受电压为1400v，工作电流为800a。

为了验证本实施例加载系统的可行性，使用超声应力检测方法对所产生电磁力进行测量。本实施例的待加载的金属板为纯铝试件。

理论计算得到，在储能电容充电至600v时，加载系统将能对纯铝试件产生2兆帕的电磁拉应力。

在试件处于自由状态时，测量试件中的超声波速，测量结果为6458.3m/s；将储能电容充电至600v，对纯铝试件进行电磁拉伸，并同时测量超声波声速，测量结果为6457.6m/s。根据纯铝板材料中应力与声速的比例系数，可得到超声波速变化所对应的应力为2兆帕，该测量结果与理论计算结果相同，从而证明了本发明加载系统的实用性和精确性。

实施例2

本实施例基于洛伦兹力的金属电磁加载系统包括可调稳压电源1、储能电容2、可控硅3、单片机4及四个加载头；所述可调稳压电源1的输出端依次与储能电容2、可控硅3和四个加载头连接，可控硅的控制端口与单片机4连接，通过单片机4触发可控硅导通；可调稳压电源1用于将工频电源进行整流和升压并为储能电容充电；储能电容2用于储存电能，并向加载头放电，可控硅3用于控制储能电容的放电；所述四个加载头结构相同，两个加载头为一组，每组呈上下对称结构布置在待加载的金属板的上下表面；所述每个加载头均包括一个激励线圈5和一个永磁体7，所述激励线圈5与可控硅3的输出端连接，在激励线圈上部的右半边区域固定一个永磁体。

本实施例的永磁体为长方形(参见图7)。所述激励线圈5上的导线采用直径为0.8mm漆包铜导线，缠绕匝数为200匝，所述永磁体采用钕铁硼n52强磁材料。

将储能电容充电至600v，对纯铝试件进行电磁拉伸，并进行超声应力检测，电磁力检测结果为0.45兆帕。

实施例3

本实施例基于洛伦兹力的金属电磁加载系统各部分连接同实施例2，不同之处在于所述永磁体7形状采用u形，包裹在激励线圈5上部的右半边区域(参见图8)。

将储能电容充电至600v，对纯铝试件进行电磁拉伸，并进行超声应力检测，电磁力检测结果为1兆帕。

通过实施例2与实施例3的对比，当其他条件全部相同时，采用u形永磁体产生的电磁力比采用长方形永磁体的效果好两倍以上，说明u形永磁体能形成更好的磁场分布，产生更大的电磁力。

通过实施例1与实施例2的对比，在激励线圈5的两个作用边上同时安装极性相反的永磁体时，所产生的电磁力是只在一个作用边上安装用磁体时的两倍，这表明双永磁体的结构对电能进行了更充分的利用，避免了能量的浪费。

上述的储能电容、单片机、可控硅均可商购获得。

本发明未述及之处适用于现有技术。