本发明涉及功能材料的力学性能测试及智能材料的精密驱动领域，具体涉及一种形状记忆合金材料在电流及焦耳热耦合作用下的功能疲劳性能、服役可靠性、显微组织演化过程评价的测试系统。
背景技术：
形状记忆合金材料在经过适当的“训练”后能够在没有外力介入的条件下在升温和降温过程中发生与相变过程相伴随的可逆宏观变形，从而作为智能材料被广泛应用于航空航天、机械工程、生物医学等各个领域。形状记忆合金材料的这种可逆宏观变形源于材料的内应力场，此内应力场可由“训练”过程中材料内部产生的位错引发，也可由“训练”过程中材料内部产生的具有特定取向的细小析出相导致。然而，当电流经过时由焦耳热产生的温度场长期作用于形状记忆合金材料时，在材料内部将会逐渐产生如位错增殖、析出相长大等显微组织变化，表现为相变温度的漂移或形状记忆回复率的衰退，即形状记忆合金材料的功能疲劳行为。这就使得了解和掌握形状记忆合金材料在各种物理场(包括电场、温度场、热应力场、残余外应力场、内应力场等)长期作用过程中由相变产生的形变的变化特点和规律成为表征形状记忆合金材料功能疲劳性能及预测功能疲劳寿命的重点。
目前，由形状记忆合金材料组成的构件大部分是在热传递所致的变温过程中工作，然而对于某些在特殊条件下使用的构件(如形状记忆人工肛门括约肌)则需要在通电过程中工作。同时，虽然有部分关于电流通过形状记忆合金材料时对其相变和形变行为产生影响的研究，但鲜少涉及电流对形状记忆合金材料的相变和形变的长期影响。尤其需要指出的是，电流对材料的影响是多方面的，包括电迁移、电致塑形和电致焦耳热等，无论哪方面都会对形状记忆合金材料的显微组织产生程度不等的影响从而改变材料的相变和形变行为。在长期使用过程中，电流及焦耳热耦合作用对形状记忆合金材料的积累作用更会使之产生不同于热传递加载方式的疲劳行为，表现为形状记忆合金构件的工作温度区间和工作位移在长期使用过程中发生变化。这就使得形状记忆合金材料在电-热耦合场下功能疲劳性能的优劣成为选择智能构件材料、预估材料(或构件)寿命及分析材料(或构件)失效方式的重要指标。因此，在对形状记忆合金构件通电的情况下长期、稳定、同步地记录其工作位移和温度变化成为表征和评价其功能疲劳性能的重要步骤。
然而，作为一种非典型的力学试验方法，在实际研究和测试工作中，尚无能够进行长期、实时监测、系统记录数据等功能的实验方法和测试系统。因此需要设计一种新的实验方法和测试系统来表征形状记忆合金材料的功能疲劳性能，该系统应包含位移采集装置、温度采集装置以及长期通电所需的控制系统。目前常见的位移传感器(包括接触式和非接触式位移传感器)大多只能获得被监测样品上一个点的位移变化，如需同时测量同一样品上多个点的位移数据，需要设置多个位移传感器。这不仅会大大增加制作成本，而且不利于系统长期运行的稳定性。近几年，成像法由于具有直观、全面、稳定的特点，被越来越多的用于表征被监测样品的尺寸和位移变化，并能同时测量样品上多个点的位移数据，尤其适合用于解决本发明的技术问题。
综上所述，设计一种长期稳定、便于操作、能够利用成像系统实时同步监测形状记忆合金材料在电流及焦耳热耦合作用下的位移和温度变化的测试系统是本领域目前迫切需要解决的技术问题，从而达到研究形状记忆合金功能疲劳性能、间接评价显微组织演化过程及预测功能疲劳寿命的目的。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供了一种直观、全面、实时地展示和监测形状记忆合金材料的电-热耦合场中的形状记忆合金材料疲劳性能测试系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
电-热耦合场中的形状记忆合金材料疲劳性能测试系统：包括供电系统、摄影系统、温度采集系统、控制系统和检测台；供电系统主要为供电电源；摄影系统包括带取景窗的摄影箱、照明光源和工业照相机；温度采集系统包括测温热电偶和温度采集卡；控制系统包括时间继电器和计算机；检测台包括样品台和金属柱；
样品台上设有两根金属柱，带标记点的被监测样品两端分别与样品台上的两根金属柱相连接，两根金属柱一根连接供电电源的一极，供电电源的另一极与时间继电器连接，时间继电器与两根金属柱的另一根连接；样品台设置于摄影箱内，正对摄影箱的取景窗；摄影箱内取景窗左上方和右上方分别装有两个照明光源；摄影箱上正对样品台的左右两侧分别装有两个冷却风扇；两冷却风扇串联连接，一端连接供电电源的一极，另一端连接时间继电器；工业照相机正对取景窗和被监测样品；测温热电偶贴在被监测样品上；测温热电偶连接温度采集卡；工业照相机和温度采集卡连接计算机。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述工业照相机安装在照相机脚架上，所述照相机脚架高度可调，以获得理想的拍摄质量。
优选地，所述摄影箱由黑色不透光的亚克力板制成。
优选地，所述供电电源为直流稳压电源。
优选地，所述照明光源为5500K色温的摄影灯。
优选地，所述照相机脚架顶部带球形云台，使工业照相机角度可调。
优选地，所述测温热电偶为直径80μm的特细K型热电偶。
优选地，所述测温热电偶由耐高温隔热胶带粘贴在所述形状记忆合金材料的表面。
优选地，所述形状记忆合金材料上的标记点的颜色相对周围环境清晰可辨。
时间继电器为通电延时型且无需与计算机相连。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1)本发明可实现形状记忆合金材料在电-热耦合场下功能疲劳性能的测试和表征。通过成像法直观、全面、实时地展示和监测形状记忆合金材料上若干个感兴趣位置的位移变化，弥补了传统位移表征方法的单一性。
2)本发明通过整合温度和位移数据，表征了形状记忆合金材料在电流及焦耳热耦合作用下的温度变化及由相变产生的形变的变化规律，间接评价显微组织演化过程，从而为进一步预测形状记忆合金材料在电-热耦合场下的功能疲劳寿命提供依据。
3)本发明测试系统可实现对所涉及形状记忆合金材料在电流及焦耳热耦合作用下的位移和温度的监测，同时获得被监测样品上一个或若干个标记点的位移和温度数据，适用于表征形状记忆合金材料在电-热耦合场下的功能疲劳性能。
4)本发明对温度和位移数据的耦合处理，还可启发对在其他多物理场(如电场、磁场、温度场、应力场等)耦合条件下工作的材料或构件的功能疲劳性能的表征。
5)本发明结合非常规加载手段对非典型力学性能测试系统进行升级并为多物理场耦合下的疲劳性能测试提供更多参考。
附图说明
图1为电-热耦合场中的形状记忆合金材料疲劳性能测试系统的结构示意图。
图中示出：被监测形状记忆合金材料1、疲劳测试样品台2、金属柱3、供电电源4、时间继电器5、摄影箱6、取景窗7、照明光源8、冷却风扇9、工业照相机10、照相机脚架11、测温热电偶12、温度采集卡13、计算机14。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的进行详细说明，以便能够更清楚地理解本发明形状记忆合金材料在电-热耦合场下功能疲劳性能测试系统。
如图1所示，电-热耦合场中的形状记忆合金材料疲劳性能测试系统，用于形状记忆合金材料在电-热耦合场下功能疲劳性能测试，包括供电系统、摄影系统、温度采集系统、控制系统和检测台；供电系统由供电电源4和连接导线的回路构成；摄影系统包括带取景窗7的摄影箱6、照明光源8、工业照相机10和照相机脚架11；温度采集系统包括测温热电偶12和温度采集卡13；控制系统包括时间继电器5和计算机14；检测台包括样品台2和金属柱3；
样品台2上设有两根金属柱3，带标记点的被监测样品1两端分别与样品台2上的两根金属柱3相连接，两根金属柱3一根连接供电电源4的一极，供电电源4的另一极与时间继电器5连接，时间继电器5与两根金属柱3的另一根连接；样品台2设置于摄影箱6内，正对摄影箱的取景窗7；摄影箱6内取景窗7左上方和右上方分别装有两个照明光源8，为被监测样品2提供摄影光；摄影箱6上正对样品台2的左右两侧分别装有两个冷却风扇9；两冷却风扇9串联连接，一端连接供电电源4的一极，另一端连接时间继电器5；时间继电器5与供电电源4相连；工业照相机10安装在照相机脚架11上；工业照相机10正对取景窗7和被监测形状记忆合金材料1；被监测形状记忆合金材料1上贴有测温热电偶12；测温热电偶12连接温度采集卡13；工业照相机10和温度采集卡13通过通信电缆将照片和温度数据传输到计算机14；摄影箱6由黑色不透光的亚克力板制成。
时间继电器5同时处于被监测形状记忆合金材料1回路和冷却风扇9回路中，一端连接供电电源4，另一端连接被监测形状记忆合金材料1及冷却风扇9，时间继电器独立控制供电电源4分别为被监测形状记忆合金材料1和冷却风扇9交替供电的时间。
所述供电电源4优选为直流稳压电源。
所述时间继电器为通电延时型且无需与计算机相连。
所述照明光源优选为5500K色温的摄影灯。
所述照相机脚架顶部优选带球形云台，使工业照相机角度可调。
所述测温热电偶优选为直径80μm的特细K型热电偶。
所述测温热电偶由耐高温隔热胶带粘贴在所述形状记忆合金材料的表面。
测试系统使用前，先在被监测形状记忆合金材料1上绘制一个或若干个标记点，标记点的颜色需明显区别于周围环境颜色；将被监测形状记忆合金材料1两端分别与疲劳测试样品台2上的两金属柱3相连接；用导线连接金属柱3一根与供电电源4的一极，将金属柱3的另一根与时间继电器5的一个输出端口相连；摄影箱6一个面的中间位置开有一个取景窗7，将装有被监测形状记忆合金材料1的样品台2置于由黑色不透光的亚克力板制成的摄影箱6内并正对取景窗7放置；将位于摄影箱6上样品台2两侧的两个冷却风扇9串联连接，然后将串联的冷却风扇9一端与供电电源4相连接，另一端与时间继电器5的另一个输出端口相连；将时间继电器5的输入端口与供电电源4没有负载的一极相连；将照相机脚架11置于摄影箱6外正对取景窗7处，将工业照相机10安装在照相机脚架11上，调整照相机脚架11角度和高度，使工业照相机10正对被监测形状记忆合金材料1。用耐高温隔热胶带将直径为80μm的超细K型热电偶12牢固粘贴在被监测形状记忆合金材料1表面，测温热电偶12另一端与温度采集卡13相连；然后用通信电缆分别将工业照相机10和温度采集卡13连接到计算机14上。
进行功能疲劳测试前，先打开位于摄影箱内部取景窗左右上方的两个照明光源8，打开计算机14中的图像采集软件、温度采集软件和数据处理软件；图像采集软件为一般工业相机配套软件，可设置照片大小和拍照间隔并通过摄影窗口实时监测样品的动态变形；温度采集软件为一般数据采集卡配套软件，可设置温度数据采集间隔并实时监测温度的动态变化；数据处理软件包括位移计算软件和数据整合软件；位移计算软件为基于matlab的程序，该程序先读取图像采集软件所拍摄的照片，由于照片中被监测样品上标记点的RGB值与画面内其他像素点的RGB值有明显区别，程序能够识别具有特定RGB值的标记点在画幅内的坐标，将该坐标值与未变形样品上标记点的坐标值进行差值运算并乘以单位像素代表的实际长度，可得到该时刻被监测样品上标记点的位移；数据整合软件为基于labview的程序，该程序可分别读取所采集温度通道和位移通道的数据并识别每个数据的创建时间，将同一时间创建的温度数据和位移数据相对应，输出温度-位移曲线；观察图像采集软件中的摄影窗口，确保被监测形状记忆合金材料1处于工业照相机10所拍摄画面的中间位置且标记点清晰可辨；在图像采集软件中设置照片大小和拍照间隔；在温度采集软件中设置温度采集间隔；在图片读取程序中输入被监测样品1上标记点的颜色值(RGB)；在时间继电器5上设置其控制的两个回路的通电时间，使得供电电源4在设定的时间间隔内为被监测形状记忆合金材料1和冷却风扇9交替供电；设置供电电源4的输出电压。
完成功能疲劳测试系统组装和软件及硬件参数设定后，打开供电电源4开关，启动数据采集和处理软件的开始程序；被监测形状记忆合金材料1会在通电过程中由于焦耳热效应而升温并在断电后由冷却风扇9降温从而产生交替的形状变化，位移计算程序会对工业照相机10所拍摄照片上的标记点进行RGB解析并计算出该标记点的位移；数据整合程序通过整合相同时刻的温度通道数据和位移通道数据得出温度-位移数值关系。
需要指出的是，上面所述的供电电源、时间继电器、冷却风扇、工业照相机、照相机脚架、温度采集卡、计算机等可采用本领域普通技术人员已知的任何合适的型号。
另外，虽然上述实施例中，工业照相机所拍摄到的照片经由计算机处理而获得被监测样品上标记点的位移，但本领域的技术人员应理解，可通过对所拍摄到的一个或若干个照片进行人工处理和人工计算等其它方式来获得样品上的一个或若干个标记点的位移。
本发明通过上述测试系统获得了所述形状记忆合金材料在电流及焦耳热耦合作用下的位移和温度这两项重要数据，通过对获得的数据进行统计处理和量化分析即可实现对所述形状记忆材料在电-热耦合场下功能疲劳性能的表征。
在本发明的基础上或启发下，本领域技术人员可能对本发明做各种改动或修改，这些修改或改进及其实施方式同样也落于本申请所公开的原理范围之内和技术框架之下。