一种新型万能材料试验机的制作方法

本发明属于实验设备与测试技术领域，涉及一种新型万能材料试验机。

背景技术：

材料试验机是一种用于测试材料的各种力学参数并广泛应用于科研与教学中的自动化精密设备，其组成主要包括动力传动系统、变形测量系统、夹具与载荷测量系统。动力传动系统一般是伺服电机驱动滚珠丝杠控制移动横梁的往复运动以满足不同试验的方案设计；变形测量系统传统上主要是采用引伸计和应变片采集试验材料的变形信息，这种测量方式只能测量试样的整体变形或局部区域的变形，无法得到试验材料的应变场；夹具与载荷测量系统通常是影响试验机性能的主要方面，常规的试验机夹具夹紧试样多以施加初始压力方式防止试样打滑，随着试样的变形对应的压力也在变化，并不是恒定值，试样容易打滑，且一个试验机上常配备一个大量程载荷传感器，对软质或强度较低的材料来说载荷测量值过于粗糙，精度较差，影响试验机的适用性。

本发明针对以上不足，引入数字图像测量技术组成变形测量系统，引入恒定夹持压力装置和串联载荷传感器组成夹具与载荷测量系统。本发明的变形测量系统是在光学测量技术和计算机图像处理的基础上，试样正面采用摄像机拍摄标记块以实现整体变形场测量，背面采用相机阵列的方式缩小单个相机拍摄视野提高像素当量以实现对局部区域的放大测量，提高测量分辨率和精度，然后利用数字图像相关法计算视野内的应变场。本发明的夹具与载荷测量系统是采用液压驱动一对连通的活塞杆做相对运动，并提供恒定压力；载荷测量则采用大小量程的载荷传感器串联组合，对于需求不同载荷范围的材料实验都具有较高的测量分辨率和精度。

技术实现要素：

1、本发明的目的

针对现有技术存在无法局部测量的问题，本发明提供一种新型万能材料试验机。

2、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种新型万能材料试验机，包括动力传动系统、夹具与载荷测量系统、变形测量系统，

所述动力传动系统，带动移动横梁往复运动；

所述夹具与载荷测量系统包括夹具与串联载荷传感器；所述夹具包括两个液压缸、连通管、硬质橡胶推块；

所述串联载荷传感器包括大量程传感器、小量程传感器、压缩杆、约束座，大量程传感器、小量程传感器串联在一起，同时使用并记录数据，且加载轴与小量程传感器之间通过弹性件连接，其弹性位移不低于设定值h，当载荷值达到小量程时，通过限位保护装置对小量程的载荷传感器进行受力隔离，此时大量程的载荷传感器继续工作并记录数据；

变形测量系统，由主相机盒、相机阵、试样组成，所述主相机是放置于相机盒内，且镜头是短焦距，拍摄视野较大，用于测量试样整体应变场；所述相机阵是由n*m个相机轴平行的相机组成，n为行，m为列，每个相机的像素相等并安装长焦距镜头，该相机阵的拍摄视野于主相机的拍摄视野相同；所述试样正面印有m*n行方格作为主相机的识别特征。

更进一步，所述动力传动系统，包括内置于主机架的伺服电机，驱动滚珠丝杠带动移动横梁往复运动，现加卸载，移动横梁其下安装串联载荷传感器。

更进一步，所述夹具包括两个相对设置的液压缸，分别通过连通管连接相对设置的硬质橡胶推块。

更进一步，所述限位保护装置就是一个限制加载轴与小量程的相对位移h，即载荷小于小量程时，加载轴与小量程的载荷传感器相对位移h不断减小，载荷达到小量程时，加载轴与小量程的相对位移h为零，外力直接作用在约束座上，这样就隔离装置以外的力，使小传感器的受力不再增加。

更进一步，所述串联载荷传感器大量程传感器通过加载轴与弹性件一端连接，弹性件另一端与小量程传感器连接，通过弹性件隔离小量程传感器。

3、本发明的有益效果

本发明变形测量采用数字图像处理技术，夹具采用恒定加持力，载荷测量采用串联传感器方式，能得到试样整体应变场和局部区域应变场；而且试样变形过程中不会影响夹具的加持力，最后结合不同量程载荷传感器记录的数据提高小载荷下的载荷分辨率和精度。

附图说明

图1试验机整体构造示意图；

图2为试样变形测量原理示意图；

图3为夹具实现恒定夹持力原理图；

图4为串联载荷传感器工作原理图；

图中：1主机架，2移动横梁，3夹具，4主相机盒，5串联载荷传感器，6相机阵；31液压缸、32连通管、33硬质橡胶推块；51大量程传感器、52压缩杆、53弹性件、54小量程传感器、55约束座。

具体实施方式

现结合说明书附图进一步说明本发明中各个系统配合使用的方法；

如图1所示，一种新型万能材料试验机，其组成主要包括动力传动系统、变形测量系统、夹具与载荷测量系统。所述动力传动系统是内置于主机架1的伺服电机驱动滚珠丝杠带动移动横梁2往复运动，实现加卸载；所述变形测量系统是由主相机1、相机阵6、试样组成。所述主相机1是放置于相机盒4内，且镜头是短焦距，拍摄视野较大，用于测量试样整体应变场；所述相机阵6是由n*m个相机(现以4*2相机阵为例)组成，相机的轴心线相互平行不相交，每个相机的像素相等并配装长焦距镜头，该相机阵6的拍摄视野等同于主相机的拍摄视野。所述试样正面印有m*n行方格(现以8行4列方格为例)，并作为主相机的识别特征。主相机配合亚像素角点识别跟踪算法记录方格上每个角点的坐标信息，得到角点的位移后，根据角点位移数据用基于四节点等参元的有限元方法完成试样全表面应变场和整体应变的计算，实时监测试样的竖向应变、横向应变，得到试样的全表面变形信息。所述试样背面喷涂随机散斑(也可用材料自身的随机纹理)，相机阵6中的所有相机同时拍摄并保存图像，然后利用数字图像相关法进行后处理运算得到更高分辨率和精度的变形场。

所述夹具与载荷测量系统是由夹具3与串联载荷传感器5组成。所述夹具3是由两个液压缸31、连通管32、硬质橡胶推块33组成。所述串联载荷传感器5是由大量程传感器51、小量程传感器54、压缩杆51、约束座55组成；其测量原理是两个不同量程的载荷传感器串联在一起，同时使用并记录数据，且加载轴与小量程传感器之间通过弹性件连接(其弹性位移不低于h)，当载荷值达到小量程时，通过限位保护装置对小量程的载荷传感器进行受力隔离，此时大量程的载荷传感器继续工作并记录数据，以实现荷载较小的时候提高载荷记录的分辨率和精度。所述限位保护装置(以压缩为例)就是一个限制加载轴与小量程的相对位移h，即载荷小于小量程时，加载轴与小量程的载荷传感器相对位移h不断减小，载荷达到小量程时，加载轴与小量程的相对位移h为零，外力直接作用在约束座上，这样就隔离装置以外的力，使小传感器的受力不再增加。

工作过程：变形测量系统使用步骤如下：第一步，调整主相机并安装试样。当试样正面的识别特征方格全部进入图像视窗并清晰成像时；调整相机阵的位置使主相机的轴心线对齐相机阵的中心，且保证轴心线均垂直于试样表面。微调各焦距并清晰成像于视窗完成试样准备；

第二步，同时启动各相机记录数据。开始对识别特征识别，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存，开始实验测量；根据主相机得到的整体应变场数值和各区域像素坐标位置，可通过对应相机阵中相机采集的图像，利用数字图像相关法得到更高变形分辨率和精度的局部变形信息，对比整体与局部变形行为。

夹具与载荷测量系统使用时包含以下步骤：

第一步，根据实验材料特性粗略判断夹持力。控制不同的气缸压强值，标定出实验材料的最佳夹持力，并维持恒定。

第二步，同步采集载荷数据，并优选分析。开始试验时，大小量程载荷传感器同时记录数据，分析小应力变化时，采用小量程载荷传感器采集的数据，分析大应力变化时，小量程以内的数据用小量程载荷传感器采集的数据替换大量程载荷传感器采集数据。