一种金属材料应力测试设备及方法

1.本发明涉及应力测试技术领域，特别涉及，一种金属材料应力测试设备及方法。


背景技术：

2.目前材料的应力测试主要是利用材料的应变进行间接测试，且测试的结果是测试前后的变化值，无法得到材料应力的绝对值。当材料本身就存在荷载条件时，目前技术很难对材料当前应力状态进行测试。现有的测试技术需要获取材料应变，通常采用应变片、应变计、图像识别等手段。无论用什么方法，在获取当前应变值后即认定为初始值，后续随着材料荷载变化，应变发生变化，再次测试荷载变化后的应变，作为最终值。最后利用材料的弹性参数代入公式计算得到材料的应力。显然，当前技术的缺点或不足之处主要是：测试结果是对象在测试前后的应力相对变化值，而非绝对存在值，无法得到测试对象当前已经承担的荷载，更不能测试当前荷载的方向。


技术实现要素：

3.针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种金属材料应力测试设备及方法，以解决现在技术所存在的测试结果是对象在测试前后的应力相对变化值，而非绝对存在值，无法得到测试对象当前已经承担的荷载，更不能测试当前荷载的方向，测量局限性大，使用不便利的问题。
4.本发明提供了一种金属材料应力测试设备，包括：
5.密封罩，与待测件的表面密封连接，所述密封罩上设有容纳腔；
6.光电发生器，设置于所述容纳腔内、且与所述密封罩转动连接，用于对所述待测件表面进行光照产生光电子，并获取所述光电子产生的微电流情况；
7.电流读数仪，与所述光电发生器电连接，用于获取所述光电发生器获取的电流信息；
8.供电件，同时与所述电流读数仪和所述光电发生器电连接；
9.真空泵，与所述供电件电连接、且与所述容纳腔连通，用于抽取所述容纳腔内的空气或向所述容纳腔内输入空气。
10.优选地，所述光电发生器包括：
11.光源，与所述密封罩转动连接、且与所述供电件电连接；
12.阳极，一端与所述光源连接、且与所述电流读数仪电连接；
13.绝缘隔离层，与所述阳极的另一端连接，所述绝缘隔离层上设有第一透光孔；
14.滤波片，与所述阳极连接、且设置于所述光源和所述绝缘隔离层之间；
15.阴极，与所述绝缘隔离层远离所述阳极的一端连接、且与所述电流读数仪电连接，所述阴极上设有第二透光孔，所述第一透光孔和所述第二透光孔均用于所述光源发射的光线的通过。
16.优选地，所述密封罩包括：
17.密封外壳，与所述真空泵连通、且与所述光电发生器连接，所述容纳腔设置于所述密封外壳上，所述密封外壳为半球形壳体；
18.密封圈，一侧与所述密封外壳连接，另一侧与所述待测件表面抵接，所述密封圈为弹性材质。
19.优选地，所述光电发生器与所述密封罩之间通过中空管转动连接，所述中空管与所述光电发生器固定连接、且与所述密封罩转动连接，所述密封罩上设有用于限制所述中空管轴向运动的卡槽，所述中空管上设有与所述卡槽适配的卡块。
20.优选地，所述真空泵上设有用于控制气体输入或输出的阀门；或/和所述电流读数仪、所述供电件和所述真空泵均设置于所述密封罩远离所述光电发生器的一侧；或/和所述阳极和所述阴极均为非金属导电材料。
21.优选地，所述中空管上连接有旋转手把，所述旋转手把用于带动所述中空管转动；或/和所述密封罩上沿所述中空管的周向设有刻度，所述刻度用于观测所述旋转手把的旋转角度。
22.优选地，所述阳极为矩形管状结构，所述阴极和所述绝缘隔离层均为与所述阳极适配的矩形框状结构，所述滤波片设置于所述阳极内，所述阳极的矩形横截面的长宽比大于5。
23.优选地，所述中空管上设有若干用于与容纳腔连通的开孔，所述中空管远离所述容纳腔的另一端与所述真空泵连通，所述中空管与所述供电件连接，用于对所述供电件进行支撑。
24.本发明还提供了一种金属材料应力测试方法，应用上述任一项所述的一种金属材料应力测试设备，包括：将所述密封罩与所述待测件的表面接触，通过所述真空泵将所述容纳腔内的空气抽出，使所述密封罩与所述待测件密封连接；启动所述光电发生器，所述光源提供充足的光子，所述滤波片过滤出单一频率的光使其通过，并照射到所述待测件的表面；所述待测件的表面自由电子吸收光子后溢出，在所述阴极和所述阳极所构造出的电场作用下，溢出电子向所述阳极运动，从而形成微电流；微电流被所述电流读数仪识别和记录；旋转一定角度后继续测试，得到微电流并记录，直到完成180度的测试；通过测试180度内不同角度的光电流大小，判断出所述待测件的受力方向。
25.优选地，所述滤波片的选取原则为：所述滤波片过滤出的单一光的频率大于所述待测件的光电效应极限频率。
26.由上述方案可知，本发明提供的一种金属材料应力测试设备通过光电发生器可以实现对不同方向微电流的获取，通过记录不同方向微电流的变化数值，可以直接对金属的绝对应力状态进行测试，同时也可以判别受力方向。本发明提供还一种金属材料应力测试方法，该方法无需通过应变间接测试，而是可以对金属材料的应力进行直接测量，得到当前金属材料应力状态，包括应力大小和方向。本发明解决现在技术所存在的测试结果是对象在测试前后的应力相对变化值，而非绝对存在值，无法得到测试对象当前已经承担的荷载，更不能测试当前荷载的方向，测量局限性大，使用不便利的问题，作用效果显著，适于广泛推广。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明提供的一种金属材料应力测试设备的结构示意图；
29.图2为本发明提供的一种金属材料应力测试设备除密封罩外其余结构的结构示意图；
30.图3为本发明提供的一种金属材料应力测试设备的光电发生器的结构示意图；
31.图4为本发明提供的一种金属材料应力测试设备的主视结构示意图；
32.图5为沿图4中a-a线的剖视结构图；
33.图6为光电发生器在待测件受力与不受力状态时捕获的电子数量对比图；
34.图7为光电发生器在待测件受力状态时捕获的电子数量示意图；
35.图8为光电发生器旋转一定角度后在待测件受力状态时捕获的电子数量示意图；
36.图9为光电发生器旋转另一角度后在待测件受力状态时捕获的电子数量示意图。
37.图中：
38.1、密封罩；2、光电发生器；3、电流读数仪；4、供电件；5、真空泵；6、中空管；7、旋转手把；8、待测件；11、密封外壳；12、密封圈；21、光源；22、阳极；23、绝缘隔离层；24、滤波片；25、阴极；61、开孔；111、容纳腔；112、刻度；231、第一透光孔；251、第二透光孔。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.请一并参阅图1至图9，现对本发明提供的一种金属材料应力测试设备的一种具体实施方式进行说明。该种金属材料应力测试设备包括密封罩1、光电发生器2、电流读数仪3、供电件4、真空泵5，其中密封罩1与待测件8的表面密封连接，密封罩1上设有容纳腔111；光电发生器2设置于容纳腔111内、且与密封罩1转动连接，用于对待测件8表面进行光照产生光电子，并获取光电子产生的微电流情况；电流读数仪3与光电发生器2电连接，用于获取光电发生器2获取的电流信息；供电件4同时与电流读数仪3和光电发生器2电连接；真空泵5与供电件4电连接、且与容纳腔111连通，用于抽取容纳腔111内的空气或向容纳腔111内输入空气。
41.为方便说明，请参阅图1，以空间任一点为原点，以供电件4相对于密封罩1的设置方向为z轴，以真空泵5相对于供电件4的设置方向为y轴，以与y轴、z轴同时垂直的直线方向为x轴，建立直角坐标系，其中，xy平面为水平面，水平面上指示的方向为水平方向，z轴指示方向为竖直方向。
42.在本实施例中，待测件8可以为金属；供电件4可以为蓄电池，蓄电池为真空泵5、电流读数仪3以及内层的光电发生器2的阳极22和阴极25供电。电流读数仪3设置于密封罩1的
上方，可以检测微电流。
43.光电效应是指金属表面的自由电子，在吸收大于其逃逸极限频率的光子后逸出，而形成电流。光电流的大小跟单位时间内逸出并被接收的电子数量相关。在接收条件不变的情况下，就跟单位时间内逸出电子数量有关。而单位时间内逸出电子数量又跟光子与金属中的电子碰撞次数相关。
44.金属受到外力作用时，会发生形变，表现为体积的压缩或者膨胀。用一个长宽比较大的矩形区域作为测试区域，相同面积内，金属原子数量会发生变化。金属原子数量的变化会导致单位时间内与光子发生碰撞电子数量的变化，从而导致光电流的变化。
45.当测试面积长宽比较大时，与金属受力方向不同角度的相同面积内原子数量也不相同，也会产生光电流的差异。通过测试180
°
内不同角度的光电流大小，就能判断出金属的受力方向。光电发生器2的检测区域为长宽比较大的结构，可以明显的观测到微电流的变化情况，从而判断出待测件8的受力方向。
46.与现有技术相比，该种金属材料应力测试设备通过光电发生器2实现对不同方向微电流的获取，通过记录不同方向微电流的数值，可以直接对金属的绝对应力状态进行测试，同时也可以判别受力方向，解决现在技术所存在的测试结果是对象在测试前后的应力相对变化值，而非绝对存在值，无法得到测试对象当前已经承担的荷载，更不能测试当前荷载的方向，测量局限性大，使用不便利的问题。该装置结构简单，作用效果显著，适于广泛推广。
47.作为本发明的另一种实施方式，该种金属材料应力测试设备的结构与上述实施例中的结构基本相同，其不同之处在于，光电发生器2包括光源21、阳极22、绝缘隔离层23、滤波片24、阴极25，其中光源21与密封罩1转动连接、且与供电件4电连接；阳极22的一端与光源21连接、且与电流读数仪3电连接；绝缘隔离层23与阳极22的另一端连接，绝缘隔离层23上设有第一透光孔231；滤波片24与阳极22连接、且设置于光源21和绝缘隔离层23之间；阴极25与绝缘隔离层23远离阳极22的一端连接、且与电流读数仪3电连接，阴极25上设有第二透光孔251，第一透光孔231和第二透光孔251均用于光源21发射的光线的通过。光源21提供充足的光子，滤波片24过滤出单一频率的光使其通过，并照射到被测金属表面。
48.在本实施例中，阳极22为矩形管状结构，阴极25和绝缘隔离层23均为与阳极22适配的矩形框状结构，滤波片24设置于阳极22内，阳极22的矩形横截面的长宽比大于5。由于光电发生器2是长宽比很大，不同受力方向上单位面积内原子数目有差异，接收光子和溢出光电子的数量不同，反映到测试微电流的不同。根据180度范围内不同角度光电流大小变化，可以判定金属应力的大小和方向。在此，只要能够实现上述光电发生器2相关性能作用的均在本技术文件保护的范围之内。
49.在本实施例中，根据不同测试金属选取不同规格的滤波片24，滤波片24的选取原则为：滤波片24过滤出的单一光的频率大于待测件8的光电效应极限频率；阳极22和阴极25均为非金属导电材料，非金属导电材料可以为石墨等。
50.作为本发明的另一种实施方式，该种金属材料应力测试设备的结构与上述实施例中的结构基本相同，其不同之处在于，密封罩1包括密封外壳11、密封圈12，其中密封外壳11与真空泵5连通、且与光电发生器2连接，容纳腔111设置于密封外壳11上，密封外壳11为半球形壳体；密封圈12的一侧与密封外壳11连接，另一侧与待测件8表面抵接，密封圈12为弹
性材质。密封外壳11为半球状结构、且可以为金属材质，密封圈12可以为橡胶圈。将密封圈12贴到待测件8上，打开真空泵5抽真空，使容纳腔111内形成真空环境，真空环境又可以使得整个测试设备吸附在待测件8表面。
51.作为本发明的另一种实施方式，该种金属材料应力测试设备的结构与上述实施例中的结构基本相同，其不同之处在于，光电发生器2与密封罩1之间通过中空管6转动连接，中空管6与光电发生器2固定连接、且与密封罩1转动连接，密封罩1上设有用于限制中空管6轴向运动的卡槽，中空管6上设有与卡槽适配的卡块。卡槽可以为圆形槽，卡块可以为圆环形的凸块。
52.在本实施例中，真空泵5上设有用于控制气体输入或输出的阀门，当抽真空结束后阀门关闭，空气不能再进入密封罩1内；当测试结束后阀门开启，回复正常状态，密封罩1内进入空气，密封罩1可方便取下；电流读数仪3、供电件4和真空泵5均设置于密封罩1远离光电发生器2的一侧。
53.作为本发明的另一种实施方式，该种金属材料应力测试设备的结构与上述实施例中的结构基本相同，其不同之处在于，中空管6上固定连接有旋转手把7，旋转手把7用于带动中空管6转动；密封罩1上沿中空管6的周向设有刻度112，刻度112用于观测旋转手把7的旋转角度。
54.在本实施例中，中空管6上设有若干用于与容纳腔111连通的开孔61，中空管6远离容纳腔111的另一端与真空泵5连通，中空管6与供电件4连接，用于对供电件4进行支撑。中空管6既作为排气管，又作为导线线管，连接的导线从中空管6穿过，中空管6对导线起到很好的保护作用。
55.作为本发明的另一种实施方式，该种金属材料应力测试设备的结构与上述实施例中的结构基本相同，其不同之处在于，中空管6与密封罩1固定连接，光电发生器2与中空管6转动连接，旋转手把7贯穿密封罩1与光电发生器2固定连接，旋转手把7远离光电发生器2的一端为长条状结构，便于施力旋转；当旋转手把7转到一定角度时，内部光电发生器2相应旋转相同角度。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
56.本发明还提供了一种金属材料应力测试方法，应用上述任一项中的一种金属材料应力测试设备，包括：将密封罩1与待测件8的表面接触，通过真空泵5将容纳腔111内的空气抽出，使密封罩1与待测件8密封连接；启动光电发生器2，光源21提供充足的光子，滤波片24过滤出单一频率的光使其通过，并照射到待测件8的表面；待测件8的表面自由电子吸收光子后溢出，在阴极25和阳极22所构造出的电场作用下，溢出电子向阳极22运动，从而形成微电流；微电流被电流读数仪3识别和记录；旋转一定角度后继续测试，得到微电流并记录，直到完成180度的测试；通过测试180度内不同角度的光电流大小，判断出待测件8的受力方向。
57.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
58.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。