一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置的制作方法

文档序号:17917554发布日期:2019-06-14 23:53
一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置的制作方法

本发明属于核电结构安全分析技术领域,具体是涉及一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置。



背景技术:

在核电领域,主要关键零件处在高温高压水环境中,其焊接接头处由于应力腐蚀容易产生裂纹,监测裂纹长度并评价机械零件寿命是节约核电成本、降低核电安全事故发生的重要研究技术领域。在国外,MTS公司研发了基于直流电位降法的裂纹测量系统用于疲劳裂纹扩展测量,MATELECT公司研制了一种采用脉冲直流技术的裂纹扩展监测仪用于监测机械测试中金属试样裂纹扩展。但由于技术保密等原因,国外的这些测试仪器技术介绍资料相对较少。国内虽然也有相关研究但由于历史的原因,国内在台式高精度测量仪器方面和国际水平差距很大,市场目前仍然由安捷仑、泰克等国外著名厂商垄断,仪器价格高,致使裂纹测量系统成本居高不下。为打破垄断技术封锁,降低相关仪器的价格,实现仪器的国产化,研发集成度高、精度高、成本低的裂纹监测仪器非常重要。

目前,核电零件的裂纹的监测大多数采用直流电位降法,用直流电位降法测量试样的裂纹长度实质上是测量试样裂纹两端电压信号的变化,当试样两端加上恒定的直流电流时,裂纹两端的电压降随着裂纹的增长逐渐增大,裂纹扩展的电压信号为微伏级信号。因此,在基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研发中需要一个与实际裂纹长度对应的电压信号作为研发仪器的信号源,来对裂纹扩展长度的扩展电压信号来量化标定。但是,由于核电领域的核电零件的裂纹的增长速率很慢,短则几十天,长则十几年,在仪器研发过程中其实验环境实现周期太长,并不适合作为研发测试仪器时的信号源。因此,目前在国内基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研制并没有获得性能稳定、反复使用且有效的裂纹扩展信号来量化标定。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足,提供一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其为国内基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研制提供了有效的裂纹扩展信号的量化标定,具有结构简单、性能稳定、可反复使用和智能控制的优点,大大降低了裂纹监测仪器的制造成本。

为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:包括底座、金属导体、风扇、保温瓶和能够设定及显示保温瓶内水的温度且当水的温度超过设定温度时进行报警的控温装置,所述保温瓶包括瓶身和位于瓶身上部的瓶盖,所述瓶身的下部设置在底座内,所述风扇设置在瓶身的底部且当水的温度超过设定温度时能够对瓶身进行散热,所述金属导体设置在瓶身内且浸泡在水中,所述金属导体的两端均连接有电流输入导线和电压信号输出导线,所述瓶身的底部内壁上设置有用于测量瓶身下部水温的第一温度传感器,所述瓶身的上部内壁上设置有用于测量瓶身上部水温的第二温度传感器,所述瓶身的底部内壁上设置有用于对瓶身下部的水加热的第一加热电阻丝,所述瓶身的上部内壁上设置有用于对瓶身上部的水加热的第二加热电阻丝,所述第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热电阻丝、第二加热电阻丝和风扇均与所述控温装置相接且由控温装置控制工作。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述标定装置应用于裂纹监测仪器对304钢试样的裂纹扩展信号的标定,所述裂纹监测仪器为基于直流电位降法的裂纹监测仪器。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述控温装置包括主控模块、用于设置瓶身中水的加热温度的设定模块、用于显示水温的显示模块、用于当瓶身中水温超过设定温度时进行报警的报警模块、用于将主控模块数据恢复到初始状态的复位模块和用于为系统各用电单元进行供电的供电模块,所述第一温度传感器、第二温度传感器、设定模块和复位模块均与主控模块的输入端连接,所述显示模块、报警模块、第一加热电阻丝、第二加热电阻丝和风扇均与主控模块的输出端连接。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述主控模块包括微处理芯片和四个电容值均为100nF的电容C22、电容C23、电容C24、电容C25,所述微处理芯片为型号是STM32F103C8T6的微处理芯片,所述电容C22的两端分别与微处理芯片的VDD-1端和VSS-1端连接且VSS-1端接地,所述电容C23的两端分别与微处理芯片的VDD-2端和VSS-2端连接且VSS-2端接地,所述电容C24的两端分别与微处理芯片的VDD-3端和VSS-3端连接且VSS-3端接地,所述电容C25的两端分别与微处理芯片的VDDA端和VSSA端连接且VSSA端接地,所述微处理芯片的VDD-1端、VDD-2端、VDD-3端和VDDA端分别接入供电模块提供的3.3V电压;所述微处理芯片与第一加热电阻丝、第二加热电阻丝和风扇均连接且由微处理芯片控制工作;

所述复位模块包括一个阻值为10KΩ的电阻R1和一个电容值为100nF的电容C1,所述电阻R1的一端、电容C1的一端均与微处理芯片的7号引脚连接,所述电容C1的另一端接地,所述电阻R1的另一端接入供电模块提供的3.3V电压。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述报警模块包括提示水温超出设定温度并发出声音报警的蜂鸣器电路和提示水温超出设定温度并进行灯光报警的LED电路;所述蜂鸣器电路包括一个阻值为4.7KΩ的电阻R7、一个阻值为10KΩ的电阻R6、一个蜂鸣器和一个型号是S8050的三极管,所述电阻R7的一端、电阻R6的一端与三极管的基极均连接,所述电阻R6的另一端与三极管的发射极连接且接地,所述三极管的集电极与蜂鸣器的负极连接,所述蜂鸣器的正极接入供电模块提供的3.3V电压,所述电阻R7的另一端通过排针与微处理芯片的2号引脚连接;

所述LED电路包括发光二极管H2、发光二极管H3、发光二极管H4、发光二极管H5和四个阻值均为1KΩ的电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15,所述电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15的一端均连接且连接端接入供电模块提供的3.3V电压,所述电阻R12的另一端与发光二极管H2的一端连接,所述电阻R13的另一端与发光二极管H3的一端连接,所述电阻R14的另一端与发光二极管H4的一端连接,所述电阻R15的另一端与发光二极管H5的一端连接,所述发光二极管H2的另一端通过排针与微处理芯片的17号引脚连接,所述发光二极管H3的另一端通过排针与微处理芯片的16号引脚连接,所述发光二极管H4的另一端通过排针与微处理芯片的15号引脚连接,所述发光二极管H5的另一端通过排针与微处理芯片的14号引脚连接。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述设定模块包括按键Key1、按键Key2、按键Key3和按键Key3,所述按键Key1的1号引脚和3号引脚均接地,所述按键Key1的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的7号引脚连接,所述按键Key2的1号引脚和3号引脚接地,所述按键Key2的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的38号引脚连接,所述按键Key3的1号引脚和3号引脚均接地,所述按键Key3的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的37号引脚连接,所述按键Key4的1号引脚和3号引脚接地,按键Key4的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的34号引脚连接;

所述显示模块包括四位LED显示管、两个型号是74HC595的位移缓冲器、两个电容值为均100nF的电容C27和电容C28、两个阻值均为10KΩ的电阻R21和电阻R22、四个阻值均为120Ω的电阻23、电阻R24、电阻R25和电阻R26、四个型号是S8550的三极管V3、三极管V4、三极管V5、三极管V6及四个阻值均为4.7KΩ的电阻R27、电阻R28、电阻R29和电阻R30,所述两个位移缓冲器的14号引脚均通过排针与微处理芯片的13号引脚连接,所述两个位移缓冲器的12号引脚均通过排针与微处理芯片的12号引脚连接,所述两个位移缓冲器的11号引脚均通过排针与微处理芯片的11号引脚连接;其中一个所述位移缓冲器的16号引脚接入供电模块提供的3.3V电压且与电容C27的一端连接,所述电容C27的另一端接地,其中一个所述位移缓冲器的8引脚和13号引脚均接地,其中一个所述位移缓冲器的10号引脚与电阻R21的一端连接且电阻R21的另一端接入供电模块提供的3.3V电压,其中一个所述位移缓冲器的15引脚与四位LED显示管的11号引脚连接、1引脚与四位LED显示管的7号引脚连接、2引脚与四位LED显示管的4号引脚连接、3引脚与四位LED显示管的2号引脚连接、4引脚与四位LED显示管的1号引脚连接、5引脚与四位LED显示管的10号引脚连接、6引脚与四位LED显示管的5号引脚连接、7引脚与四位LED显示管的3号引脚连接;另一个所述位移缓冲器的16号引脚接入供电模块提供的3.3V电压且与电容C28的一端连接,所述电容C28的另一端接地,另一个所述位移缓冲器的8号引脚和13号引脚均接地,另一个所述位移缓冲器的10号引脚与电阻R22的一端连接且电阻R22的另一端接入供电模块提供的3.3V电压,另一个所述位移缓冲器的15号引脚与电阻R27的一端连接,所述电阻R27的另一端与三极管V3的基极连接,所述三极管V3的集电极与四位LED显示管的12号引脚连接,所述三极管V3的发射极与电阻R23的一端连接,另一个所述位移缓冲器的1号引脚与电阻R28的一端连接,所述电阻R28的另一端与三极管V4的基极连接,所述三极管V4的集电极与四位LED显示管的9号引脚连接,所述三极管V4的发射极与电阻R24的一端连接,另一个所述位移缓冲器的2号引脚与电阻R29的一端连接,所述电阻R29的另一端与三极管V5的基极连接,所述三极管V5的集电极与四位LED显示管的8号引脚连接,所述三极管V5的发射极与电阻R25的一端连接,另一个所述位移缓冲器的3号引脚与电阻R30的一端连接,所述电阻R30的另一端与三极管V6的基极连接,所述三极管V6的集电极与四位LED显示管的6号引脚连接,所述三极管V6的发射极与电阻R26的一端连接,所述电阻R23的另一端、电阻R24的另一端、电阻R25的另一端和电阻R26的另一端均接入供电模块提供的3.3V电压。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述第一温度传感器和第二温度传感器均为型号是DS18B20的温度传感器,所述第一温度传感器的数量为三个且均匀设置在瓶身的底部一周内壁上,所述第一温度传感器分别为温度传感器IC1、温度传感器IC2和温度传感器IC3,所述第二温度传感器为温度传感器IC4,所述温度传感器IC1与微处理芯片的14号引脚连接,所述发光二极管H5的另一端通过排针与微处理芯片的14号引脚连接且可通过发光二极管H5的亮灭来判断温度传感器IC1位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC2与微处理芯片的15号引脚连接,所述发光二极管H4的另一端通过排针与微处理芯片的15号引脚连接且可通过发光二极管H4的亮灭来判断温度传感器IC2位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC3与微处理芯片的16号引脚连接,所述发光二极管H3的另一端通过排针与微处理芯片的16号引脚连接且可通过发光二极管H3的亮灭来判断温度传感器IC3位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC4与微处理芯片的17号引脚连接,所述发光二极管H2的另一端通过排针与微处理芯片的17号引脚连接且可通过发光二极管H2的亮灭来判断温度传感器IC4位置处的水温是否超温。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述第一加热电阻丝的数量为三个且均匀设置在瓶身的底部一周内壁上,所述第一加热电阻丝的三个加热电阻丝分别设置在两个上述的第一温度传感器的中间位置。

上述的一种水浴法裂纹扩展信号的标定装置,其特征在于:所述金属导体为长度是600mm、直径是50mm的铜丝导体。

本发明与现有技术相比具有以下优点:

1、本发明采用将金属导体在水中加热,依据金属导体在不同温度下电阻发生变化的特点,在金属导体两端通入直流电流时获得了微伏级的电压信号,为国内在基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研制提供了一个有效且准确的模拟裂纹扩展的信号,并且本发明公开了304钢试样的裂纹长度的扩展信号与金属导体的电压信号之间的关系,加快了相关仪器的国产化进程,为验证裂纹监测仪器的功能和精度提供了一种高效、简单、快捷且可反复使用的裂纹扩展信号的标定装置。

2、本发明通过改变通入金属导体的输入电流的大小及改变金属导体的材质、长度和横截面积,来满足对不同试样的裂纹扩展信号的标定需求,具有标定范围广并可连续性变化的优点。

3、本发明通过使用微处理芯片作为控温装置的控制模块,具有工作速度快,性能稳定和智能控制的优点,能够很好的控制温度的变化,提高了标定装置的精度。

4、本发明采用有限元分析及实验验证,得到了304钢试样的裂纹扩展长度与金属导体的电压信号之间的映射关系,能够在304钢裂纹扩展过程中,准确的对裂纹扩展长度的扩展信号进行标定,有利于加速推广仪器的开发和扩展适用范围。

下面通过附图和实施例,对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明标定装置的结构示意图。

图2为本发明控温装置的电路原理框图。

图3为本发明标定装置的俯视图。

图4为本发明主控模块的电路图。

图5为本发明复位模块的电路图。

图6为本发明设定模块的电路图。

图7为本发明蜂鸣器电路的电路图。

图8为本发明LED电路的电路图。

图9为本发明显示模块的电路图。

图10为本发明试样不含有裂纹的电位降法原理图。

图11为本发明试样含有裂纹的电位降法原理图。

图12为本发明304钢试样的有限元模型图。

图13为本发明304钢试样的有限元结果图。

图14为本发明304钢试样的裂纹增长量与电位降的曲线图。

附图标记说明:

1—底座; 2-1—第一温度传感器;

2-2—第二温度传感器; 3-1—第一加热电阻丝;

3-2—第二加热电阻丝; 4-1—瓶盖;

4-2—瓶身; 5—风扇; 6—电流输入导线;

7—电压信号输出导线; 8—金属导体;

9—供电模块; 10—主控模块; 11—设定模块;

12—显示模块; 13—报警模块; 13-1—LED电路;

13-2—蜂鸣器电路; 14—复位模块。

具体实施方式

基于直流电位降的裂纹监测仪器中应用的直流电位降的原理为:电位降法是基于金属材料本身的导电特性来测量裂纹长度的方法。如图10和图11所示,在含裂纹试样上,电流场是试样几何形状,尤其是裂纹尺寸的函数,当试样中通过恒定电流时,电势会随试样中裂纹长度的增加而升高。电位降法用一般用四探针法实施,外侧两探针(C1、C2)为电流电极,激励电流I从外侧两探针通过被测试样,内侧两探针(P1、P2)为电压V(电位差)电极,电位差取决于试样中电流的分布。

本发明为了确定金属导体在温度差下的电压信号与裂纹扩展信号之间关系,进行了以下主要工作内容:

一、标定装置的立项意义

基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研发中需要一个与实际裂纹长度对应的扩展电压信号作为研发仪器的信号源,来对裂纹长度的扩展信号进行量化标定,为国内基于直流电位降法的裂纹监测仪器的研制提供一种高效、简单、快捷的标定方法和标定装置。

二、标定装置的确立依据

直流电位降法的原理就是测量试样两端电压信号的变化,当试样两端加上恒定的电流时,裂纹两端的电压降随着裂纹的增长逐渐增大,但是由于金属零件的裂纹的扩展速率很慢,短则几十天,长则十几年,因其实验环境实现周期太长,并不适合在研发过程中作为裂纹监测仪器的裂纹扩展信号源,因此,提出寻找模拟裂纹扩展信号的方法来解决金属零件裂纹扩展周期长且不可控的问题。

三、304钢试样的有限元模型分析

选取金属零部件中最常用的304钢为试样来进行有限元模型分析,确定304钢裂纹扩展长度与裂纹扩展信号之间的关系;

(1)如图12所示,建立304钢试样的有限元模型;

(2)设置304钢试样有限元模型的相关材料属性,Conductivity=0.19w/(mm)、Electrical conductivity=26100/Ωmm、Joule heat fraction=1;

(3)装配模型;

(4)创建分析步,类型为General:Couple thermal-electric,定义初始增量和最大增量均为0.1;

(5)创建边界条件,输入集中电流1A及环境温度场;

(6)划分网格,Element types为DC3D8E单元;

(7)提交作业并查看结果,其中304钢试样的有限元结果如图13所示,304钢试样的裂纹增长量与电位降的曲线图如图14所示;

由图14中可知,304钢试样的裂纹增长1mm时其裂纹扩展的信号变化为0.5μV。

四、模拟304钢试样裂纹扩展信号的金属导体的选材

根据有限元分析结果得知304钢试样的裂纹扩展信号为微伏级信号,可通过微欧级的电阻来模拟裂纹扩展信号,经过对金属导体的电阻参数比对,发现铜丝随温度较为敏感且电阻值变化较小,而且可以以温度为荷载,利用温度的变化导致铜丝电阻值的微小变化来获取微伏级的电压信号;

五、铜丝在温度变化下的电压数值的理论计算

选取长度600mm直径50mm的铜丝,以温度(10℃到100℃)为载荷,在温度增加时,由可知电阻率ρ、长度L和面积S都在变化,对于长度为600mm、直径为50mm的铜丝,温度变化对铜丝的长度L和面积S影响相对于电阻率影响很小,因此为计算方便只考虑铜丝电阻率随温度的变化,得出温度变化下,铜丝电阻值的变化量ΔR,进而得到微伏级电压信号的变化;

根据铜丝的电阻差值的计算公式:

ΔR=R0*T*(Tt-20)

式中,R0为初始温度的电阻值,Tt为当前温度值,T为当前温度下的温度系数,20℃时铜丝的电阻R0=1.3598Ω,根据温度系数表和计算公式可知:

当温度变化1℃,ΔR=0.00000049505Ω,

根据铜丝的电压差值的计算公式为:

ΔV=ΔR·I

其中,ΔV为铜丝两个温度下的电压值差值,ΔR为铜丝在两个温度下的电阻值差值,I为1A,计算得出:

ΔV=0.49805μV

结合铜丝电压值随温度变化的理论计算结果与304钢试样的有限元模型分析结果可以看出:铜丝的温度增加1℃时的电压信号与304钢试样裂纹扩展1mm时的扩展信号相同,均为0.5μV。

六、铜丝随温度变化获得微伏级电压信号的实验验证

(1)将铜丝的两端分别与恒流源与测试仪器连接,在铜丝两端输入1A的电流;

(2)在测试仪器中采集铜丝的电压信号;

(3)增加水温,按照增量步0.1℃记录采集的电压信号数值,并将采集的电压值与有限元模型分析的结果比对。

七、得出结论

长度为600mm、直径为50mm的铜丝在温度升高1℃时的电压信号可以作为304钢CT试样裂纹扩展1mm的模拟裂纹扩展信号。

如图1和图3所示,应用以上确定的关系对基于直流电位降法的裂纹监测仪器的裂纹扩展信号标定的标定装置,包括底座1、金属导体8、风扇5、保温瓶和能够设定及显示保温瓶内水的温度且当水的温度超过设定温度时进行报警的控温装置,所述保温瓶包括瓶身4-2和位于瓶身4-2上部的瓶盖4-1,所述瓶身4-2的下部设置在底座1内,所述风扇5设置在瓶身4-2的底部且当水的温度超过设定温度时能够对瓶身4-2进行散热,所述金属导体8设置在瓶身4-2内且浸泡在水中,所述金属导体8的两端均连接有电流输入导线6和电压信号输出导线7,所述瓶身4-2的底部内壁上设置有用于测量瓶身4-2下部水温的第一温度传感器2-1,所述瓶身4-2的上部内壁上设置有用于测量瓶身4-2上部水温的第二温度传感器2-2,所述瓶身4-2的底部内壁上设置有用于对瓶身4-2下部的水加热的第一加热电阻丝3-1,所述瓶身4-2的上部内壁上设置有用于对瓶身4-2上部的水加热的第二加热电阻丝3-2,所述第一温度传感器2-1、第二温度传感器2-2、第一加热电阻丝3-1、第二加热电阻丝3-2和风扇5均与所述控温装置相接且由控温装置控制工作。

本实施例中,所述标定装置应用于裂纹监测仪器对304钢试样的裂纹扩展信号的标定,所述裂纹监测仪器为基于直流电位降法的裂纹监测仪器。

如图2所示,所述控温装置包括主控模块10、用于设置瓶身4-2中水的加热温度的设定模块11、用于显示水温的显示模块12、用于当瓶身4-2中水温超过设定温度时进行报警的报警模块13、用于将主控模块10数据恢复到初始状态的复位模块14和用于为系统各用电单元进行供电的供电模块9,所述第一温度传感器2-1、第二温度传感器2-2、设定模块11和复位模块14均与主控模块10的输入端连接,所述显示模块12、报警模块13、第一加热电阻丝3-1、第二加热电阻丝3-2和风扇5均与主控模块10的输出端连接。

如图4和图5所示,所述主控模块10包括微处理芯片和四个电容值均为100nF的电容C22、电容C23、电容C24、电容C25,所述微处理芯片为型号是STM32F103C8T6的微处理芯片,所述电容C22的两端分别与微处理芯片的VDD-1端和VSS-1端连接且VSS-1端接地,所述电容C23的两端分别与微处理芯片的VDD-2端和VSS-2端连接且VSS-2端接地,所述电容C24的两端分别与微处理芯片的VDD-3端和VSS-3端连接且VSS-3端接地,所述电容C25的两端分别与微处理芯片的VDDA端和VSSA端连接且VSSA端接地,所述微处理芯片的VDD-1端、VDD-2端、VDD-3端和VDDA端分别接入供电模块9提供的3.3V电压;所述微处理芯片与第一加热电阻丝3-1、第二加热电阻丝3-2和风扇5均连接且由微处理芯片控制工作;

所述复位模块14包括一个阻值为10KΩ的电阻R1和一个电容值为100nF的电容C1,所述电阻R1的一端、电容C1的一端均与微处理芯片的7号引脚连接,所述电容C1的另一端接地,所述电阻R1的另一端接入供电模块9提供的3.3V电压。

如图7和图8所示,所述报警模块13包括提示水温超出设定温度并发出声音报警的蜂鸣器电路13-2和提示水温超出设定温度并进行灯光报警的LED电路13-1;所述蜂鸣器电路13-2包括一个阻值为4.7KΩ的电阻R7、一个阻值为10KΩ的电阻R6、一个蜂鸣器和一个型号是S8050的三极管,所述电阻R7的一端、电阻R6的一端与三极管的基极均连接,所述电阻R6的另一端与三极管的发射极连接且接地,所述三极管的集电极与蜂鸣器的负极连接,所述蜂鸣器的正极接入供电模块9提供的3.3V电压,所述电阻R7的另一端通过排针与微处理芯片的2号引脚连接;

所述LED电路13-1包括发光二极管H2、发光二极管H3、发光二极管H4和发光二极管H5和四个阻值均为1KΩ的电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15,所述电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15的一端均连接且连接端接入供电模块9提供的3.3V电压,所述电阻R12的另一端与发光二极管H2的一端连接,所述电阻R13的另一端与发光二极管H3的一端连接,所述电阻R14的另一端与发光二极管H4的一端连接,所述电阻R15的另一端与发光二极管H5的一端连接,所述发光二极管H2的另一端通过排针与微处理芯片的17号引脚连接,所述发光二极管H3的另一端通过排针与微处理芯片的16号引脚连接,所述发光二极管H4的另一端通过排针与微处理芯片的15号引脚连接,所述发光二极管H5的另一端通过排针与微处理芯片的14号引脚连接。

如图6和图9所示,所述设定模块11包括按键Key1、按键Key2、按键Key3和按键Key3,所述按键Key1的1号引脚和3号引脚接地,所述按键Key1的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的7号引脚连接,所述按键Key2的1号引脚和3号引脚均接地,所述按键Key2的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的38号引脚连接,所述按键Key3的1号引脚和3号引脚接地,所述按键Key3的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的37号引脚连接,所述按键Key4的1号引脚和3号引脚均接地,按键Key4的2号引脚和4号引脚均与微处理芯片的34号引脚连接;

所述显示模块12包括四位LED显示管、两个型号是74HC595的位移缓冲器、两个电容值均为100nF的电容C27和电容C28、两个阻值均为10KΩ的电阻R21和电阻R22、四个阻值均为120Ω的电阻23、电阻R24、电阻R25和电阻R26、四个型号是S8550的三极管V3、三极管V4、三极管V5、三极管V6及四个阻值均为4.7KΩ的电阻R27、电阻R28、电阻R29和电阻R30,所述两个位移缓冲器的14号引脚均通过排针与微处理芯片的13号引脚连接,所述两个位移缓冲器的12号引脚均通过排针与微处理芯片的12号引脚连接,所述两个位移缓冲器的11号引脚均通过排针与微处理芯片的11号引脚连接;其中一个所述位移缓冲器的16号引脚接入供电模块9提供的3.3V电压且与电容C27的一端连接,所述电容C27的另一端接地,其中一个所述位移缓冲器的8引脚和13号引脚均接地,其中一个所述位移缓冲器的10号引脚与电阻R21的一端连接且电阻R21的另一端接入供电模块9提供的3.3V电压,其中一个所述位移缓冲器的15引脚与四位LED显示管的11号引脚连接、1引脚与四位LED显示管的7号引脚连接、2引脚与四位LED显示管的4号引脚连接、3引脚与四位LED显示管的2号引脚连接、4引脚与四位LED显示管的1号引脚连接、5引脚与四位LED显示管的10号引脚连接、6引脚与四位LED显示管的5号引脚连接、7引脚与四位LED显示管的3号引脚连接;另一个所述位移缓冲器的16号引脚接入供电模块9提供的3.3V电压且与电容C28的一端连接,所述电容C28的另一端接地,另一个所述位移缓冲器的8号引脚和13号引脚均接地,另一个所述位移缓冲器的10号引脚与电阻R22的一端连接且电阻R22的另一端接入供电模块9提供的3.3V电压,另一个所述位移缓冲器的15号引脚与电阻R27的一端连接,所述电阻R27的另一端与三极管V3的基极连接,所述三极管V3的集电极与四位LED显示管的12号引脚连接,所述三极管V3的发射极与电阻R23的一端连接,另一个所述位移缓冲器的1号引脚与电阻R28的一端连接,所述电阻R28的另一端与三极管V4的基极连接,所述三极管V4的集电极与四位LED显示管的9号引脚连接,所述三极管V4的发射极与电阻R24的一端连接,另一个所述位移缓冲器的2号引脚与电阻R29的一端连接,所述电阻R29的另一端与三极管V5的基极连接,所述三极管V5的集电极与四位LED显示管的8号引脚连接,所述三极管V5的发射极与电阻R25的一端连接,另一个所述位移缓冲器的3号引脚与电阻R30的一端连接,所述电阻R30的另一端与三极管V6的基极连接,所述三极管V6的集电极与四位LED显示管的6号引脚连接,所述三极管V6的发射极与电阻R26的一端连接,所述电阻R23的另一端、电阻R24的另一端、电阻R25的另一端和电阻R26的另一端均接入供电模块9提供的3.3V电压。

本实施例中,所述第一温度传感器2-1和第二温度传感器2-2均为型号是DS18B20的温度传感器,所述第一温度传感器2-1的数量为三个且均匀设置在瓶身4-2的底部一周内壁上,所述第一温度传感器2-1分别为温度传感器IC1、温度传感器IC2和温度传感器IC3,所述第二温度传感器2-2为温度传感器IC4,所述温度传感器IC1与微处理芯片的14号引脚连接,所述发光二极管H5的另一端通过排针与微处理芯片的14号引脚连接且可通过发光二极管H5的亮灭来判断温度传感器IC1位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC2与微处理芯片的15号引脚连接,所述发光二极管H4的另一端通过排针与微处理芯片的15号引脚连接且可通过发光二极管H4的亮灭来判断温度传感器IC2位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC3与微处理芯片的16号引脚连接,所述发光二极管H3的另一端通过排针与微处理芯片的16号引脚连接且可通过发光二极管H3的亮灭来判断温度传感器IC3位置处的水温是否超温,所述温度传感器IC4与微处理芯片的17号引脚连接,所述发光二极管H2的另一端通过排针与微处理芯片的17号引脚连接且可通过发光二极管H2的亮灭来判断温度传感器IC4位置处的水温是否超温。

本实施例中,所述第一加热电阻丝3-1的数量为三个且均匀设置在瓶身4-2的底部一周内壁上,所述第一加热电阻丝3-1的三个加热电阻丝分别设置在两个上述的第一温度传感器2-1的中间位置。

本实施例中,所述金属导体8为长度是600mm、直径是50mm的铜丝导体。

水浴法裂纹扩展信号的标定方法包括以下步骤:

步骤一、将基于直流电位降法的裂纹监测仪器的连接线分别与电流输入导线6和电压信号输出导线7连接,在基于直流电位降法的裂纹监测仪器上设定金属导体8的输入电流值为I;

步骤二、设定模块11向主控模块10中输入设定温度T0℃,主控制模块10控制第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2开始工作,第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2的加热热量传递到水中,此时水的温度开始升高,当显示模块12显示水的实际温度超过设定温度T0℃时,LED电路13-1的LED灯亮起且蜂鸣器电路13-2中的蜂鸣器发出报警声,此时通过主控模块10降低第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2的加热电流且开启风扇5来降低水温;当实际温度低于设定温度T0℃时,主控模块10控制增加第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2的加热电流并降低风扇5的风速,来确保保温瓶内水的温度维持在T0℃内;

步骤三、基于直流电位降法的裂纹监测仪器采集并保存金属导体8在温度T0℃时的电压输出信号为V0;

步骤四、在设定模块11向主控模块10中输入设定温度(T0+0.1)℃,主控模块10控制第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2开始工作,水的温度升高,当显示模块12显示水的实际温度超过设定温度(T0+0.1)℃时,LED电路13-1的LED灯亮起且蜂鸣器电路13-2中的蜂鸣器发出报警声,此时通过主控模块10降低第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2的输入电流且开启控制风扇5来降低水温;当水的实际温度低于设定温度(T0+0.1)℃时,通过主控模块10控制增加第一加热电阻丝3-1和第二加热电阻丝3-2的加热电流且降低风扇5的风速来确保保温瓶中水的温度维持在(T0+0.1)℃内;

步骤五、基于直流电位降法的裂纹监测仪器采集并保存金属导体8在温度(T0+0.1)℃时的电压输出信号为V1;

步骤六、基于金属导体的理论计算、304钢试样的有限元模型分析及金属导体的实验验证,得到金属导体在温度差下的电压信号与裂纹扩展信号之间的关系为:金属导体的温度每上升1℃可以模拟304钢试样裂纹增长1mm,由于两次采集电压输出信号的温度差为0.1℃,依据以上的关系可得到两次采集的电压信号的差值ΔV=V1-V0可模拟304钢试样裂纹增长0.1mm的裂纹扩展信号,因此将基于直流电位降法的裂纹监测仪器采集的ΔV信号标定为裂纹扩展0.1mm时的裂纹扩展信号;

步骤七、设定温度每次的增长量为0.1℃,重复步骤四和步骤五并将采集到的电压信号与步骤三采集的电压信号求差值,根据步骤六中的已知的关系来对不同的裂纹扩展长度的扩展信号进行标定,当完成裂纹扩展长度为5mm的裂纹扩展信号的标定时,基于直流电位降法的裂纹监测仪器的裂纹扩展信号标定结束。

一般而言,当304钢裂纹增长5mm以后,304钢的使用寿命就无法满足工程要求,因此对于监测裂纹扩展来说该信号满足工程需要。

针对于不同材料试样的裂纹信号大小有所不同,可以通过调节输入电流的大小来得到更大或者更小的信号,如果对基准信号有要求可以根据重新进行铜丝尺寸设计或者更改电流大小。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

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