本发明涉及一种基于全应变的膨胀应力测试装置及方法。
背景技术：
外管法是测试材料膨胀应力常用方法，其应用过程中主要通过应变片和光照法等方法监测测试管在材料膨胀力作用下的形变，进而结合钢管弹性模量推算膨胀应力值。但在应用中发现，通过在钢管上黏贴数个应变片来监测钢管应变的方法，测试结果仅能代表应变片黏贴处的钢管形变，无法说明钢管在膨胀应力作用下的总体形变情况，即无法准确说明待测材料在测试管中的总体膨胀应力。光照法通过一束连续的光源照射待钢管，在钢管全高度内监测某一面的直径变化，进而推算钢管的形变，虽然该方法在钢管高度方向做到了连续监测，但在侧面维度仅能代表与光照方向垂直的截面宽度变化，仍无法根本克服类似应变片法的不足。
技术实现要素：
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有的外管法及光照法测试材料膨胀应力存在测试结果仅能代表应变片黏贴处的钢管形变，无法说明钢管在膨胀应力作用下的总体形变情况，即无法准确说明待测材料在测试管中的总体膨胀应力。
本发明的具体实施方案是：一种基于全应变的膨胀应力测试装置，其特征在于，包括一溶液箱、设置于溶液箱内用于装入待测材料的膨胀应力测试管、led光照测试系统及温度监测系统，所述溶液箱上表面设置有细玻璃管，所述细玻璃管的下端与溶液箱内空间联通，所述led光照测试系统包括对应设置于细玻璃管两侧连续对应设置的led发射机和led光照接收机，所述温度监测系统包括置于溶液箱内液体温度传感器及与温度传感器连接的数据记录仪。
进一步的，所述溶液箱上端面设有用于插入细玻璃管的玻璃管孔，用于插入膨胀应力测试管的测试管孔以及用于向溶液箱内注液的注液孔。
进一步的，所述溶液箱尺寸为10cm*10cm*25cm，所述玻璃管孔直径为4mm、测试管孔的直径为60mm、注液孔的直径为10mm。
进一步的，所述细玻璃管具有刻度标识，所述玻璃管长度20cm、外径4mm、内径2mm，所述膨胀应力测试管长25cm、膨胀应力测试管长下端封闭、上端开口，膨胀应力测试管长外周通过密封胶圈将其固定于溶液箱测试管孔内，膨胀应力测试管上端口与溶液箱测试管孔平齐。
进一步的，所述led发射机产生宽度1mm覆盖细玻璃管全高度的led光线，led光照接收机在玻璃管另一侧接收穿越玻璃管后的led光线，所述温度监测系统在溶液箱中部布置有一灵敏度为0.1℃的温度传感器。
本发明还包括一种基于全应变的膨胀应力方法，利用如上所述的一种基于全应变的膨胀应力测试装置，包括以下步骤：
（1）将膨胀应力测试管放入溶液箱测试管孔，并用密封胶圈封闭两者空隙；从注液孔处注入溶液至细玻璃管内出现液体为止，并用止水塞封堵注液孔，膨胀应力测试管装入待测材料；
（2）在该材料膨胀力作用下测试管将产生形变而挤占外部液体空间，进而引起细玻璃管中液面上升，细玻璃管中上升的液体将阻挡led光线传播而引起接收光照的差异，实现液面变化的实时监测。通过玻璃管内截面积s和其内部液面上升高度δh可反演计算应力测试管的总体形变量，进而计算材料的膨胀应力；
（3）利用温度监测系统可实时监控液体温度变化，推算因液体温度变化而引起的体积变化，并在前述计算过程中消除该误差。
进一步的，所述溶液箱中所注液体为加入黑色染料的纯净水。
进一步的，具体计算材料的膨胀应力步骤如下：
（1）向膨胀应力测试管中注入待测材料，并开启led光照测试系统及温度监测系统，开始记录细玻璃管中液面高度变化δh及溶液箱中液体温度变化δt；
（2）根据液面高度变化δh及溶液箱中液体温度变化δt，并结合装置尺寸计算测试应变情况，膨胀应力测试管外壁直径变化量δd计算公式如下：
其中，δh为细玻璃管中液面变化量，r为细玻璃管内半径，h为膨胀应力测试管高度，b为膨胀应力测试管原始外半径，vδt为因液体温度所引起的其体积变化量。
（3）根据前述膨胀应力测试管外壁直径变化量δd，计算材料膨胀应力值，膨胀应力测试管内壁的平均膨胀应力值计算公式如下：
其中，e为膨胀应力测试管的杨氏模量，a、b分为测试钢管原始内、外半径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种利用led光照监测液面变化来反演材料总体膨胀应力的测试方法，即将测试钢管放置在液浴中，通过液面变化来推算钢管的总体形变情况，并利用细玻璃管放大液面变化，提升测试灵敏度，同时应用连续led光源监测细玻璃管中的液面变化，实现对形变数据的动态监测。测试结果能反应管中的应力总体分布情况，克服了当前外管法测试仅能点测的不足，为材料膨胀应力的全应变测试提供有力帮助。因本装置较好的移动性及操作简便，因此可用于对材料总体膨胀应力的教学、科研性探究。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明涉及一种利用led光照监测液面变化来反演材料总体膨胀应力的测试方法。测试装置包括一溶液箱4、一细玻璃管1、一膨胀应力测试管9、一led光照测试系统、一温度监测系统。本实施例中，溶液箱4上端面设有用于插入细玻璃管的玻璃管孔，用于插入膨胀应力测试管的测试管孔以及用于向溶液箱内注液的注液孔8，将膨胀应力测试管安装至预留放置孔7处，通过防水胶圈6密封膨胀应力测试管与溶液箱的箱体孔隙；通过注液孔8向溶液箱中注入深颜色溶液至外接细玻璃管出现该溶液为止。所述led光照测试系统包括一连续led发射机2和一连续led光照接收机3。所述温度监测系统包括一液体温度传感器10及其数据记录仪。向膨胀应力测试管9装入待测材料。
本实施例中，所述溶液箱4尺寸为10cm*10cm*25cm，所述玻璃管孔直径为4mm、测试管孔的直径为60mm、注液孔的直径为10mm。
本实施例中，所述细玻璃管1具有刻度标识，所述玻璃管长度20cm、外径4mm、内径2mm，
测试时，在该材料膨胀力作用下膨胀应力测试管9将产生形变而挤占外部液体体积，进而引起细玻璃管1液面上升，细玻璃管1中上升的深色液体将阻挡led光线传播而引起接收光照的差异，可实现液面变化的实时监测。通过玻璃管内径r和其内部液面上升高度δh可反演计算应力测试管的总体形变量，进而计算材料的膨胀应力；另外利用温度监测系统可实时监控液体温度变化，推算因液体温度变化而引起的体积变化，并在前述计算过程中消除该误差。通过本方法，可实现外管法测试材料膨胀应力时全应变监测，测试结果能反应管中的应力总体分布情况，克服了当前外管法测试仅能点测的不足，为材料膨胀应力的全应变测试提供有力帮助。
以下为本发明专利的具体实例，采用以下方案实现：一种基于全应变的膨胀应力测试装置，包括全应变显现的液浴系统及液面高度监测系统两大部分。
全应变显现的液浴系统部分采用无缝钢管（即膨胀应力测试管）和溶液箱的组合，将无缝钢管应变段浸入溶液箱中，当该无缝钢管在其内部材料膨胀力作用下产生形变后，将挤占溶液箱中的液体空间，进而引起溶液向细玻璃管中转移，导致玻璃管中液面上升。玻璃管中液体体积的变化量即为无缝钢管的总体应变量。
液面高度监测系统部分采用一连续led发射机和一连续led光照接收机，led发射机产生一束宽度1mm覆盖细玻璃管全高度的led光线，led光照接收机在玻璃管另一端接收穿越玻璃管后led光线。前述玻璃管中上升的深色液体将阻挡led光线传播而引起接收光照的差异，进而实现液面高度变化的实时监测
上述装置的具体使用方式如下：
一、使用前的准备
提前测试得到装置所用溶液体积与其温度间的关系，测试钢管的杨氏模量e。
二、具体操作
1、将测试管9放入溶液箱测试管孔7，并用密封胶圈6封闭两者空隙；从注液孔8处注入黑色水溶液至细玻璃管1内出现黑色液体为止，并用止水塞封堵注液孔8；
2、向测试管9中注入待测材料，并开启led光照测试系统及温度监测系统，开始记录玻璃管1中液面高度变化δh及溶液箱中液体温度变化δt；
3、根据液面高度变化δh及溶液箱中液体温度变化δt，并结合装置尺寸计算测试应变情况，测试钢管外壁直径变化量δd计算公式如下：
其中，δh为细玻璃管中液面变化量，r为细玻璃管内半径，h为测试钢管高度，b为测试钢管原始外半径，vδt为因液体温度所引起的其体积变化量。
4、根据前述测试钢管外壁直径变化量δd，计算材料膨胀应力值。测试钢管内壁的平均膨胀应力值计算公式如下：
其中，e为测试钢管的杨氏模量，a、b分为测试钢管原始内、外半径。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。