一种低温自动化霍普金森杆实验装置的制作方法

本实用新型涉及液氮制冷低温实验技术领域，特别是涉及一种低温自动化霍普金森杆实验装置。

背景技术：

分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB)及分离式霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar，简称SHTB)组成的分离式霍普金森杆测试系统是研究材料高应变率的力学响应的典型设备，对于材料结构设计及研究有重要的意义。其核心思想是在实验中把应力波效应和应变率效应进行解耦，从而建立材料在高应变率下的应力应变关系。

经典的霍普金森杆实验技术可以有效测量材料在高应变率下的动态力学行为，但是由于科技的发展以及人类对自然探索不断深化，目前的工程材料的使用环境不再仅仅涉及高应变率、大变形等极端条件，同时还涉及到低温、超低温等非常规条件，比如人类对两极地区的资源开发，对外太空的探索以及现在的低温储运等，在这些过程中材料难免会受到冲击载荷的作用。因此，低温下材料的动态力学行为成为人们普遍关心的科学问题，而经典的霍普金森杆实验技术无法满足测量要求。

目前还没有十分可行的专门用于低温加载的霍普金森杆实验技术，在现有的少数可模拟低温环境的霍普金森杆实验装置中，无论是在原理设计还是实验操作上都存在不足，主要是实验装置设计过于复杂，实验操作繁琐，制冷能力不强，低温恒温效果差等。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何满足霍普金森杆在低温环境下的各种实验要求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种低温自动化霍普金森杆实验装置，其包括：液氮供给系统、温控系统、保温系统和实验加载系统；

所述液氮供给系统包括：自增压液氮罐和液氮供给管道；

所述温控系统包括：温控仪、电磁阀和温度传感器；

所述保温系统包括：保温箱；

所述实验加载系统包括：发射机构、入射杆、透射杆和样品；

所述液氮供给管道的一端延伸进所述自增压液氮罐内的液氮内，其另一端延伸进所述保温箱内，所述电磁阀设于所述液氮供给管道上，所述温度传感器设于所述保温箱内，所述温度传感器、电磁阀和发射机构均通过导线与所述温控仪连接，所述入射杆和透射杆相对穿插于所述保温箱的相应侧壁，所述样品夹设在所述入射杆和透射杆之间，所述发射机构设于所述入射杆的外侧。

其中，所述保温箱包括保温箱体和保温盖，所述保温盖盖设于所述保温箱体上。

其中，所述保温箱体和保温盖的外部壳体由不锈钢材料制成，其内部均填充有保温材料。

其中，所述保温箱内还设有雾化器和小风扇，所述雾化器安装于所述液氮供给管道的出口处，所述小风扇通过传动轴由保温盖外部的马达驱动。

其中，所述保温箱的侧壁用于安装所述入射杆和透射杆处分别设有通孔，所述通孔的直径大于所述入射杆和透射杆的直径，以形成间隙。

其中，所述温控仪由控制面板、继电器、温控模块以及电源模块构成，所述电源模块、继电器、控制面板均与温控模块连接。

其中，所述自增压液氮罐包括密封罐体，所述密封罐体由室温加热，通过蒸发密封罐体内的部分液氮来提高密封罐体内部的压力，从而将密封罐体内的液氮向液氮供给管道内排出。

其中，所述透射杆固定设置，所述入射杆为空心杆，所述发射机构的发射弹从所述空心杆中穿出撞击所述样品。

其中，所述液氮供给管道外包裹有保温材料。

其中，所述保温箱体的中部设有空腔，用于取放所述样品。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的一种低温自动化霍普金森杆实验装置，在现有实验设备的基础上，采用自增压液氮罐提供液氮，通过自增压液氮罐蒸发罐体内的部分液氮来提高自增压液氮罐内部的压力，从而将自增压液氮罐内的液氮向外排出，且罐内压力可调，可以控制液氮的外排速度，且当罐体内部压力超过电磁阀的临界压力时，安全阀自行泄压，保证实验绝对安全。本实用新型与经典的SHPB相结合，能够实现在低温条件下对材料进行动态加载，研究材料的低温动态力学性能，拓宽了SHPB实验技术的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型一种低温自动化霍普金森杆实验装置的连接关系示意图；

图2为本实用新型一种低温自动化霍普金森杆实验装置的结构示意图；

图3为本实用新型一种低温自动化霍普金森杆实验装置中的温控仪的原理图；

图中：1：透射杆；2：保温箱体；3：雾化器；4：小风扇；5：电磁阀；6：液氮供给管道；7：马达；8：保温盖；9：样品；10：入射杆；11：温度传感器；12：锁扣；13：温控仪；14：控制面板；15：继电器；16：温控模块；17：电源模块；18：保温材料；19：发射机构；20：自增压液氮罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1和图2所示，为本实用新型实施例提供的一种低温自动化霍普金森杆实验装置，其可以包括：液氮供给系统、温控系统、保温系统和实验加载系统；

所述液氮供给系统包括：自增压液氮罐20和液氮供给管道6，所述自增压液氮罐20具体包括密封罐体，所述密封罐体由具有一定导热率的导热材料制成，密封罐体置于室内，由室温加热，通过蒸发密封罐体内的部分液氮来提高密封罐体内部的压力，从而将密封罐体内的液氮向液氮供给管道6内排出；

所述温控系统包括：温控仪13、电磁阀5和温度传感器11；

所述保温系统包括：保温箱；

所述实验加载系统包括：发射机构19、入射杆10、透射杆1和样品9；

具体地，所述液氮供给管道6的一端延伸进所述自增压液氮罐20内的液氮内，其另一端延伸进所述保温箱内，所述电磁阀5设于所述液氮供给管道6上，所述温度传感器11设于所述保温箱内，所述温度传感器11、电磁阀5和发射机构19均通过导线与所述温控仪13连接，所述入射杆10和透射杆1相对穿插于所述保温箱的相应侧壁，所述样品9夹设在所述入射杆10和透射杆1之间，所述发射机构19设于所述入射杆10的外侧，以实现当温度达到设定温度且保温到预定时间后，由温控仪13向发射机构19发出信号，实现自动发射，撞击样品9。

其中，所述保温箱包括保温箱体2和保温盖8，所述保温盖8盖设于所述保温箱体2上，保温箱体2的中部设有空腔，用于取放样品9，相应地，在保温盖8的下方设有与空腔大小相匹配的凸起，用于卡设在空腔的上部，实现较好的密封，具体地，保温箱体2和保温盖8前后两面都装有锁扣12，通过锁扣12实现闭合，打开或关闭方便。

本实用新型的实施例中，所述保温箱体2和保温盖8的外部壳体由不锈钢材料制成，其内部均填充有保温材料18，保证足够的强度和较好的保温效果。

其中，所述保温箱内还设有雾化器3和小风扇4，所述雾化器3安装于所述液氮供给管道6的出口处，所述小风扇4通过传动轴由保温盖8外部的马达7驱动，能够加强保温箱内部的热交换，使内部温度均匀。

其中，所述保温箱的侧壁用于安装所述入射杆10和透射杆1处分别设有通孔，所述通孔的直径大于所述入射杆10和透射杆1的直径，以形成间隙，间隙在1～2mm，以便氮气排出，保持保温箱内部压力为常压。

如图3所示，所述温控仪13由控制面板14、继电器15、温控模块16以及电源模块17构成，电源模块17、继电器15、控制面板14均与温控模块16连接；另外，电磁阀5与继电器15连接，电磁阀5固定在保温箱的后面支撑板上，温度传感器11与温控模块16连接。

其中，所述透射杆1固定设置，所述入射杆10为空心杆，两者水平相对设置，所述发射机构19的发射弹从所述空心杆中穿出撞击所述样品9，进行动态实验。

其中，所述液氮供给管道6外包裹有保温材料18，极大地降低液氮损耗。

本实用新型的具体操作过程:

1)首先将入射杆10和透射杆1伸入保温箱内，将样品9安装好，准备发射系统进入待发射状态。

2)将液氮供给管道6与自增压液氮罐20和电磁阀5相连，将温控仪13与电磁阀5、温度传感器11及发射系统相连，调节自增压液氮罐20压力至0.05Mpa左右，打开自增压液氮罐20，让液氮从自增压液氮罐20排出进入管道，预冷实验装置。

3)接通小风扇4的马达7电源让小风扇4工作，保证内部温度均匀。

4)打开温控仪13的电源开关，在操作面板上设定需要制冷温度，然后温控系统会通过温度传感器11实时测量保温箱内部的温度，然后控制电磁阀5向保温箱内供冷；接着将温控仪13调到自整定模式，此时温控仪13会开始基于PID控制原理的自行采样计算，来确定当前保温装置的保温能力以及冷源的制冷能力，采样结束后，温控仪13会自行设定最适合当前实验装置的参数，当保温箱内部的温度达到设定温度后，温控仪13控制电磁阀5断续开合来控制液氮的供给使保温箱体2内部达到恒温效果。

5)当保温到设定时间后，由温控系统向发射机构19发出信号，发射机构19收到信号后释放高压气体推动发射弹撞击样品9，从而实现材料的低温加载。

如果每次实验自增压液氮罐20的压力都调到0.05Mpa左右，在第一次执行上面步骤后，后续实验过程可省略步骤4)中的温控仪13自整定过程，温控仪13会自行执行上一次实验的参数。

由以上实施例可以看出，本实用新型适用于霍普金森杆实验的精准自动化控制，满足了霍普金森杆在低温环境下的各种实验要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。