一种深海材料超高压力下应力测量试验装置

1.本发明涉及深海材料测量技术领域，特别涉及一种深海材料超高压力下应力测量试验装置。


背景技术：

2.目前，针对材料的应力应变测量方法有应变片法和光纤法，针对深海应用的金属材料及结构体，通常采用粘贴应变片法测量材料在高静水压力下材料应力应变特性，应变片法是将应变片粘在被测材料表面，受力后电阻变化从而获得测点应变值，精度高、灵敏性好以及应用最广泛，但具有一定的局限性，例如，需要用胶将应变片粘贴在待测物体上，使得样品有损伤风险，只能测得材料表面特定方向或小区域的应力应变情况，无法表征材料内部应力应变分布；光纤法是在被测材料表面粘贴光纤传感器，光纤入射光性质因材料形变发生改变，获得应变数据，缺点是此方法受传感器预固定方式、表面施胶方式等因素的影响，对工艺要求高，不适用于材料受压状态下的应力应变测量。对于深海装备用固体浮力材料、有机玻璃、透明陶瓷、蓝宝石等非金属材料，应变片法及光纤法均有其局限性。


技术实现要素：

3.鉴以此，本发明提出一种深海材料超高压力下应力测量试验装置，可测量不同静水压力下深海材料表面以及其内部的应力应变分布特性，实现样品无损伤测量。
4.本发明的技术方案是这样实现的：一种深海材料超高压力下应力测量试验装置，包括模拟舱、偏振光相机、红外灯、四分之一波片、框架、静水压力调节控制系统和信号采集处理工控系统，所述模拟舱内悬挂有红外灯调节机构，所述红外灯通过支架固定于所述红外灯调节机构上，所述支架上固定有位于所述红外灯上方的视窗和偏振玻片，所述四分之一波片转动设置于所述偏振玻片的上方，所述模拟舱内设有用于放置样品的通槽，所述模拟舱内固定有作用于样品的冲击机构，所述模拟舱固定于所述框架上，所述框架的上方悬挂有偏振光相机调节机构，所述偏振光相机固定于所述偏振光相机调节机构的下方，所述静水压力调节控制系统与所述模拟舱连通，所述信号采集处理工控系统与所述偏振光相机、红外灯、冲击机构、红外灯调节机构和偏振光相机调节机构信号连接。
5.优选的，所述模拟舱包括筒体和端盖，所述端盖盖于所述筒体的上方，所述通槽设于所述端盖上。
6.优选的，所述通槽包括通孔和凹槽，所述通孔与所述凹槽连通，所述凹槽用于安装样品。
7.优选的，所述冲击机构包括冲击电机、冲击载荷臂和锤头，所述冲击电机的输出端与所述冲击载荷臂连接，所述冲击载荷臂的自由端与所述锤头连接。
8.优选的，所述模拟舱内设有位于所述通槽周边的冲刷射流盘，所述冲刷射流盘的上端沿周向均匀设置有若干射流孔。
9.优选的，所述红外灯调节机构包括第一内圈、第一外圈、两个第一电机a和四个第一电机b，所述第一内圈设于所述第一外圈的内侧，两个所述第一电机b对称固定于所述第一外圈上，两个所述第一电机b的输出轴与所述模拟舱连接，另外两个所述第一电机b对称固定于所述第一内圈上，另外两个所述第一电机b的输出轴与所述第一外圈连接，两个所述第一电机a对称固定于所述支架的两侧，所述第一内圈对称连接有两条第一齿条，所述第一电机a的输出轴通过第一齿轮与所述第一齿条啮合。
10.优选的，所述偏振光相机调节机构包括第二内圈、第二外圈、两个第二电机a和四个第二电机b，所述第二内圈设于所述第二外圈的内侧，两个所述第二电机b对称固定于所述第二外圈上，两个所述第二电机b的输出轴与所述框架连接，另外两个所述第二电机b对称固定于所述第二内圈上，另外两个所述第二电机b的输出轴与所述第二外圈连接，两个所述第二电机a对称固定于所述偏振光相机的两侧，所述第二内圈对称连接有两条第二齿条，所述第二电机a的输出轴通过第二齿轮与所述第二齿条啮合。
11.优选的，所述支架上固定有驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述四分之一波片转动，所述驱动机构包括驱动电机、主动齿轮和旋转齿轮，所述驱动电机的输出轴与所述主动齿轮连接，所述旋转齿轮通过齿轮架固定于所述支架上，所述主动齿轮与所述旋转齿轮啮合，所述旋转齿轮设有安装通槽，所述四分之一波片固定于所述安装通槽内。
12.优选的，所述静水压力调节控制系统包括进水管路、回水管路和控制水箱，所述进水管路的两端分别与所述控制水箱和所述模拟舱连通，所述回水管路的两端分别与所述控制水箱和所述模拟舱连通。
13.优选的，所述信号采集处理工控系统包括稳压电源和上位机，所述稳压电源用于为偏振光相机、红外灯、冲击机构、红外灯调节机构、偏振光相机调节机构和驱动机构供电，所述上位机与所述偏振光相机、红外灯、冲击机构、红外灯调节机构、偏振光相机调节机构和驱动机构信号连接。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）可以实现测量不同静水压力下深海有机玻璃、透明陶瓷等材料表面及内部的应力应变分布特性，具有原位超高压力下、在线、非接触、无损伤、测量面域广以及能够表征材料内部应力应变分布特性等优点；（2）能够适用于材料受压状态下的应力应变测量；（3）不仅能够测得材料表面特定方向或小区域的应力应变情况，而且能够表征材料内部应力应变分布；（4）不用在待测物体上喷涂、粘贴其它材料或粘贴传感器，无需接触样品，样品无损伤风险；（5）不受传感器预固定方式、表面施胶方式等因素的影响，工艺简单。
附图说明
15.图1为本发明一种深海材料超高压力下应力测量试验装置的立体结构示意图；图2为图1中局部a的放大结构示意图；图3为本发明模拟舱的剖面结构示意图；图4为本发明模拟舱内部的部分结构示意图；
图5为本发明模拟舱内部的部分结构示意图；图中，1模拟舱、1-1筒体、1-2端盖、3偏振光相机、4红外灯、5四分之一波片、6框架、7静水压力调节控制系统、7-1进水管路、7-2回水管路、7-3控制水箱、8信号采集处理工控系统、8-1稳压电源、8-2上位机、9红外灯调节机构、9-1第一内圈、9-2第一外圈、9-3第一电机a、9-4第一电机b、9-5第一齿条、9-6第一齿轮、10支架、11视窗、12偏振玻片、13通槽、13-1通孔、13-2凹槽、14冲击机构、14-1冲击电机、14-2冲击载荷臂、14-3锤头、15偏振光相机调节机构、15-1第二内圈、15-2第二外圈、15-3第二电机a、15-4第二电机b、15-5第二齿条、15-6第二齿轮、16样品、17冲刷射流盘、18驱动机构、18-1驱动电机、18-2主动齿轮、18-3旋转齿轮、18-4充油补偿器、19齿轮架。
具体实施方式
16.为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
17.实施例1参见图1至图5，本发明提供的一种深海材料超高压力下应力测量试验装置，包括模拟舱1、偏振光相机3、红外灯4、四分之一波片5、框架6、静水压力调节控制系统7和信号采集处理工控系统8，所述模拟舱1内悬挂有红外灯调节机构9，所述红外灯4通过支架10固定于所述红外灯调节机构9上，所述支架10上固定有位于所述红外灯4上方的视窗11和偏振玻片12，其中视窗11为蓝宝石视窗11，所述四分之一波片5转动设置于所述偏振玻片12的上方，所述模拟舱1内设有用于放置样品16的通槽13，所述模拟舱1包括筒体1-1和端盖1-2，所述端盖1-2盖于所述筒体1-1的上方，所述通槽13设于所述端盖1-2上，所述通槽13包括通孔13-1和凹槽13-2，所述通孔13-1与所述凹槽13-2连通，所述凹槽13-2用于安装样品16，所述模拟舱1内固定有作用于样品16的冲击机构14，其中，所述冲击机构14包括冲击电机14-1、冲击载荷臂14-2和锤头14-3，所述冲击电机14-1的输出端与所述冲击载荷臂14-2连接，所述冲击载荷臂14-2的自由端与所述锤头14-3连接，所述模拟舱1固定于所述框架6上，所述框架6的上方悬挂有偏振光相机调节机构15，所述偏振光相机3固定于所述偏振光相机调节机构15的下方，所述静水压力调节控制系统7与所述模拟舱1连通，所述信号采集处理工控系统8与所述偏振光相机3、红外灯4、冲击机构14、红外灯调节机构9和偏振光相机调节机构15信号连接。
18.使用时，将样品16固定于凹槽13-2内，端盖1-2盖于筒体1-1的上方，形成密封的模拟舱1；通过静水压力调节控制系统7向模拟舱1内注水，调节模拟舱1内的静水压力，且加压时，随着模拟舱1内的压力逐渐增大，被测材料样品16外侧受压后与端盖1-2下端内侧面紧密贴合，密封通槽13；冲击机构14作用于被测材料样品16上，使被测材料样品16受到冲击和振动，红外灯4发射出均匀、平行的光束，光束能够垂直通过偏振玻片12中心位置，光束通过偏振玻片12后变为偏振光束，偏振光束再通过四分之一波片5调节偏振光的偏振态，光束照射被测材料样品16后，其偏振态会被样品16应力导致的双折射而改变，经过被测材料样品16后的透射光被接收端的偏振光相机3接收，偏振光相机3内含检偏器，测量出透射光的偏振态分布，偏振态分布参数传输至信号采集处理工控系统8，被测材料样品16在不同的静水压力下或遭受不同力度的冲击和振动时，透射光的偏振态分布发生改变，偏振光相机3接收
到的偏振态分布参数变量表征了被测材料样品16内部应力应变分布特性的变化，从而获得被测材料样品16应力应变分布特性；可通过控制红外灯调节机构9对红外灯4的位置和姿态进行调节以及通过控制偏振光相机调节机构15对偏振光相机3的位置和姿态进行调节，可多角度观测被测材料样品16应力应变分布特性。
19.具体的，所述模拟舱1内设有位于所述通槽13周边的冲刷射流盘17，所述冲刷射流盘17的上端沿周向均匀设置有若干射流孔（未标出），当被测材料样品16表面被水体中的杂质或油污覆盖时，能够射出水流束对被测材料样品16表面进行冲洗。
20.实施例2参见图1至图5，本实施例与实施例1的区别在于：所述红外灯调节机构9包括第一内圈9-1、第一外圈9-2、两个第一电机a9-3和四个第一电机b9-4，所述第一内圈9-1设于所述第一外圈9-2的内侧，两个所述第一电机b9-4对称固定于所述第一外圈9-2上，两个所述第一电机b9-4的输出轴与所述模拟舱1连接，另外两个所述第一电机b9-4对称固定于所述第一内圈9-1上，另外两个所述第一电机b9-4的输出轴与所述第一外圈9-2连接，两个所述第一电机a9-3对称固定于所述支架10的两侧，所述第一内圈9-1对称连接有两条第一齿条9-5，所述第一电机a9-3的输出轴通过第一齿轮9-6与所述第一齿条9-5啮合；需要调节红外灯4的位置时，启动第一电机a9-3，第一电机a9-3通过第一齿轮9-6与第一齿条9-5啮合使支架10上下移动，从而调整偏振光发射端光束与被测材料样品16之间的距离；通过第一电机b9-4的旋转角度控制发射端第一内圈9-1和第一外圈9-2的俯仰、侧倾运动自由度，从而调整偏振光发射端光束角度。
21.具体的，所述偏振光相机调节机构15包括第二内圈15-1、第二外圈15-2、两个第二电机a15-3和四个第二电机b15-4，所述第二内圈15-1设于所述第二外圈15-2的内侧，两个所述第二电机b15-4对称固定于所述第二外圈15-2上，所述第二电机b15-4的输出轴与所述框架6连接，另外两个所述第二电机b15-4对称固定于所述第二内圈15-1上，另外两个所述第二电机b15-4的输出轴与所述第二外圈15-2连接，两个所述第二电机a15-3对称固定于所述偏振光相机3的两侧，所述第二内圈15-1对称连接有两条第二齿条15-5，所述第二电机a15-3的输出轴通过第二齿轮15-6与所述第二齿条15-5啮合；需要调节偏振光相机3的位置时，启动第二电机a15-3，第二电机a15-3通过第二齿轮15-6与第二齿条15-5啮合，使得偏振光相机3上下移动，从而调整偏振光相机3与端盖1-2之间的距离；通过调节第二电机b15-4的旋转角度控制接收端第二内圈15-1和第二外圈15-2的俯仰、侧倾运动自由度，从而调整偏振光相机3接收偏振光光束的角度。
22.具体的，所述支架10上固定有驱动机构18，所述驱动机构18用于驱动所述四分之一波片5转动，所述驱动机构18包括驱动电机18-1、主动齿轮18-2和旋转齿轮18-3，所述驱动电机18-1的输出轴与所述主动齿轮18-2连接，所述旋转齿轮18-3通过齿轮架19固定于所述支架10上，所述主动齿轮18-2与所述旋转齿轮18-3啮合，所述旋转齿轮18-3设有安装通槽（未标出），所述四分之一波片5固定于所述安装通槽（未标出）内；驱动电机18-1可通过主动齿轮18-2与旋转齿轮18-3啮合驱动四分之一波片5转动，其中驱动电机18-1的底部连接有充油补偿器18-4。
23.实施例3参见图1至图5，本实施例与实施例1的区别在于：所述静水压力调节控制系统7包
括进水管路7-1、回水管路7-2和控制水箱7-3，所述进水管路7-1的两端分别与所述控制水箱7-3和所述模拟舱1连通，所述回水管路7-2的两端分别与所述控制水箱7-3和所述模拟舱1连通，被测材料样品16的外形尺寸与端盖1-2下端的凹槽13-2一致，被测材料样品16与端盖1-2之间采用锥面密封结构，加压时，通过进水管路7-1向模拟舱1中注水，随着模拟舱1内压力逐渐增大，被测材料样品16外侧锥面受压后与端盖1-2下端内侧锥面紧密贴合；卸压时，模拟舱1中的水通过回水管路7-2流回控制水箱7-3。
24.具体的，所述信号采集处理工控系统8包括稳压电源8-1和上位机8-2，所述稳压电源8-1用于为偏振光相机3、红外灯4、冲击机构14、红外灯调节机构9、偏振光相机调节机构15和驱动机构18供电，所述上位机8-2与所述偏振光相机3、红外灯4、冲击机构14、红外灯调节机构9、偏振光相机调节机构15和驱动机构18信号连接，可实现供电、控制以及采集被测材料样品16的内部应力应变分布特性的变化。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。