一种宽温域多模式应变和弹性模量标定装置与方法

本发明属于高温测量，涉及一种宽温域多模式应变和弹性模量标定装置与方法。

背景技术：

1、随着航空航天以及核工业的快速发展，其核心部件常工作在高温、热应力等极端工况下，如第四代核电站的堆芯温度达到了1000℃，航空发动机燃烧室的温度达到2000℃以上。长期工作在这种高温环境中，会引起高温部件的退化和损伤，甚至造成严重的人身和财产损失。因此，需要对极端环境下的高温部件的应变进行测试。

2、现阶段采用电阻式应变片对航空发动机涡轮叶片进行应力应变检测是较为主流的方式，而所采用的电阻应变片需满足测试准确度高、响应速度快、灵敏度高、抗高温高压、稳定性好等特点，因此，电阻应变片在高温环境下的应变灵敏系数(gf)、漂移率(dr)等性能的测量标定，对高温应变片的可靠应用十分关键。此外，还需要对被测基底材料在不同温度下弹性模量迁变行为进行测量，以更精准的掌握极端工况下高温部件的健康状态。

3、现有的电阻应变片的性能标定装置常以室温测试为主，少量面向高温的应变标定装置又常局限在含氧环境，难以在高温加载时对高温测试环境进行密封，不能满足真空、惰性气氛等多元环境高温测试需求。专利cn202011067347.x“一种高温环境下对应变计进行测试标定的装置”公开了一种在高温有氧情况下用于对应变片进行测试标定的装置，该设备实现了在高温有氧情况下对应变片的测试，而且可以对施加的微应变进行控制读取，但其无法实现在真空或其他气氛环境下的测试，也无法同时对施加压力进行读取。

4、应变片标定装置主要有力加载和位移加载两种模式，力加载以高温拉伸机为主，专利cn207456931u“一种用于石墨材料1100℃高温力学性能的测试装置”公开了一种用于石墨构件高温力学性能测试的装置，在高温环境中对试样的力学性能及试样表面的传感器性能进行测试。但其对拉伸件基底要求比较严苛，操作复杂。

5、因此，采用位移加载方式的应变片加载方式适用范围更大，结构更简单。但是，已有的应变片标定设备难以对微应变的产生进行精确控制，且现有设备无法根据被测基底材料的特点选择测量标定方式。专利cn 111678799 a“一种应用于应变标定装置的位移加载系统”，要求基底必须为等强度标定梁形状。专利cn 111023962a“一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备”，要求基底只能为四点弯曲梁形状，且对基底材料的适用性存在较大限制，不能兼顾不同材料。另一方面，基底材料的弹性模量测试对基底的形状要求较高，专利cn214749344 u“弹性模量测量装置”，通过用四点弯曲梁测弹性模量；专利cn 113504128 a“利用悬臂梁或外伸梁测量材料杨氏弹性模量的方法和装置”，通过用一端固定悬臂梁测弹性模量，但是这些装置都只能在常温下测弹性模量，难以对宽温域(室温～1700℃)下的材料弹性模量的迁变行为特征进行全过程测试。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，发明一种用于宽温域多模式应变和弹性模量标定装置与方法。不仅实现了在宽温域(室温～1700℃)多元气氛(大气、真空或惰性等气氛)环境下应变片可靠标定，且实现在宽温域多元气氛下对材料的弹性模量迁变情况的记录和测量，还实现了依据被测基底材料的特征择优选取等强度标定梁或四点弯曲梁标定方式，扩展了对不同基底材料测试的应用范围，为高温应变片的性能标定提供了有效的实验平台，为航空航天高温部件的应变检测提供数据支持。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种宽温域多模式应变和弹性模量标定装置，包括支撑系统、高温炉系统、冷却系统、真空密封系统、加载系统和测量系统。

4、所述的支撑系统由外支撑模块与内支撑模块组成；外支撑模块主要由外壳、支撑架14和陶瓷板固定架23组成；所述的支撑架14固定在外壳的顶部，外壳顶部设有通孔，用于陶瓷接触杆11的穿过；所述的陶瓷板固定架23有两个，对应设置在外壳的内壁上，且与高温炉20的侧壁相对应；内支撑模块主要由陶瓷板18、陶瓷夹具17和标定梁19组成；所述的陶瓷板18固定在陶瓷板固定架23上，高温炉20四周设有与陶瓷板18相对应的开口，陶瓷板18从外壳的空间水平通过对应的开口伸入到高温炉20内部，陶瓷板18与高温炉20之间密封；两个陶瓷夹具17对称固定在陶瓷板18上，用于夹持标定梁19；待测量的应变片27粘贴于标定梁19上。

5、所述的高温炉系统包括高温炉20，位于支撑系统的外壳内部，主要由炉腔、保温材料12、加热元件28和温控系统组成；炉腔顶部设有通孔，陶瓷接触杆11穿过外壳的通孔以及炉腔顶部通孔进入炉腔，陶瓷接触杆11与外壳顶部通孔以及炉腔顶部通孔之间设有波纹管22用于密封；所述的加热元件28位于炉腔内两侧，保温材料12覆盖在整个炉腔内壁，炉腔门上设有密封条21；所述的温控系统主要由控温模块25和热电偶组成，热电偶插入炉腔中测温，由控温模块25根据热电偶所测温度对加热元件进行调节，实现温度控制。

6、所述的冷却系统主要由通道模块24、冷却管道26和冷水机6组成；通过通道模块24中的进水口和出水口，对冷水机6和高温炉20进行连接；在炉腔门上设有一圈冷却管道26，通过冷却液对密封条21进行冷却，冷水机6对冷却液进行存储。通过冷却系统可以对实现高温环境的密封条进行冷却，以确保密封的可靠性。

7、所述的真空密封系统主要由抽真空设备、密封条21、波纹管22组成；炉腔内部通过通道模块24中的真空口与外部的抽真空设备相连接，可对炉腔内部进行抽真空并通过真空计3监测炉腔内部真空度。

8、所述的加载系统主要由电机驱动器10、电机控制器16、直线丝杆电机8和陶瓷接触杆11组成；电机驱动器10和电机控制器16安装在外壳顶部，直线丝杆电机8固定于支撑架14上，电机驱动器10与电机控制器16连接，电机控制器16与直线丝杆电机8连接；直线丝杆电机8的丝杠底部与传感器座15的顶部螺纹连接，传感器座15的底部与压力传感器9的顶部连接，压力传感器9的底部与陶瓷接触杆11顶端螺纹连接，陶瓷接触杆11的底端与标定梁19接触，通过直线丝杆电机8产生位移进而来带动陶瓷接触杆11的杆头给标定梁19施加载荷，压力传感器9用于测量所施加的载荷。

9、所述的测量系统包括激光位移传感器13、压力传感器9、数字信号采集表1和计算机2；激光位移传感器13位于直线丝杆电机8上方，通过螺栓与支撑架14连接，用于测量丝杠的位移，从而获得标定梁19的位移；激光位移传感器13和压力传感器9均与计算机2连接；数字信号采集表1通过引线与标定梁19表面粘接的应变片27连接，以获得应变片27电阻变化。

10、所述的标定梁19为一端夹持的等强度标定梁19a或两端夹持的四点弯曲标定梁19b。

11、一种宽温域多模式应变和弹性模量标定方法，采用上述标定装置，步骤如下：

12、第一步、将应变片27粘贴至标定梁19，安装标定梁19并进行姿态调整

13、将标定梁19安装在陶瓷夹具17上，通过千分表找正，使标定梁19保持水平姿态，并通过引线将标定梁19表面粘接的应变片27和数字信号采集表1进行连接；保证标定梁19与陶瓷接触杆11相互垂直；

14、第二步、对应变片27灵敏度系数、漂移率和弹性模量进行标定

15、启动水冷机6，使得冷却水在冷却管道26内循环流动；启动抽真空设备，先将环境达到低真空状态，再使环境达到所要求的真空度，进而可以往炉腔内通入所需要环境气体；启动直线丝杆电机8，当陶瓷接触杆11与标定梁19接触，数字信号采集表1产生示数变化时，直线丝杆电机8停止；此时，调整激光位移传感器13的位置，使丝杆尾端在激光位移传感器13的量程范围内；

16、启动加热元件28对炉腔进行加热，匀速加热至恒定高温环境，保温一定时间并计时，通过数字信号采集表1采集应变片27起始阻值r1，通过直线丝杆电机8对标定梁19进行加载并计时，并通过激光位移传感器13测标定梁19位移x，数字信号采集表1记录应变片27阻值数据变化δr1，通过压力传感器9测量陶瓷接触杆11加载力p；

17、通过公式(1)和(2)计算得出不同测量方式下产生的应变：

18、对于等强度标定梁19a：

19、

20、其中，ε1为加载到等强度标定梁上的应变；l是等强度标定梁的长度；y是等强度标定梁产生的挠度及位移x；h是等强度标定梁的厚度。

21、对于四点弯曲标定梁19b：

22、

23、其中，ε2为加载到四点弯曲标定梁上的应变；δ为四点弯曲标定梁中心点产生的挠度，等于位移x；d载荷点距离四点弯曲标定梁中心点的水平距离；t1为四点弯曲标定梁的厚度t的1/2。

24、根据公式(3)计算得出灵敏度系数gf：

25、

26、其中，ε为加载到标定梁上的应变；r1为应变片起始阻值；δr1为应变片阻值变化量；

27、通过公式(4)计算得出漂移率dr：

28、

29、其中，r2为应变片恒定载荷刚加载时阻值；δr2为恒定载荷加载△t时间后应变片阻值变化量，△t为恒定载荷加载时间。

30、通过公式(5)、(6)、(7)、(8)计算得出不同测量方式下的材料的弹性模量：

31、对于等强度标定梁19a：

32、

33、

34、其中，σ1为等强度标定梁任一截面的应力；p1为施加到等强度标定梁上的作用力；l为等强度标定梁任一截面和加载点之间的距离；w为距离加载点处截面的宽度；h为等强度标定梁的厚度；e1为等强度标定梁材料的弹性模量；ε1为加载到等强度标定梁上的应变。

35、对于四点弯曲标定梁19b：

36、

37、

38、其中，σ2为四点弯曲标定梁中心表面的应力；p2为施加到四点弯曲标定梁上的作用力；a为加载点距离夹持点之间的距离；b为简支梁的宽度；t为四点弯曲标定梁的厚度；e2为四点弯曲标定梁材料的弹性模量；ε2为加载到四点弯曲标定梁上的应变。

39、本发明的有益效果是：相对于现有的技术而言，本发明提供了一种结构紧凑、安装简单、操作方便、精度较高的宽温域多模式应变和弹性模量标定装置。可根据基底材料特点，选择采用等强度标定梁19a或四点弯曲标定梁19b不同模式标定应变片27，材料适用性好。可实现应变片在高温真空或惰性气氛等多元气氛环境下的应变灵敏系数(gf)、漂移率等性能参数的测试标定，以及材料在高温真空环境或其他高温气氛下的弹性模量的测量。该标定装置也可以标定应变片27的其他性能参数，如重复性、机械滞后、热输出等。