專利名稱：一種多場耦合測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及固體材料在多場耦合下的測量技術，特別是涉及測量固體材料的磁特性、電特性、溫度特性和機械特性的多場耦合測量系統。
背景技術：
壓電材料、鐵電材料、電致伸縮材料、鐵磁材料、稀土超磁致伸縮功能材料、磁致伸縮復合材料、鐵磁相變材料，以及鐵電-鐵磁復合材料等構成了最主要也是最重要的功能/智能/自適應材料，這些功能材料具有許多優越的性能，在現代科學技術中得到廣泛的應用，從電力電子、航空航天、核能工程，到機器人智能系統、信息存儲系統和智能傳感系統等各個領域中都起到了重要的作用，這些材料在使用過程中往往伴隨著力、電、熱、磁等復雜的耦合物理力學行為。所以這些材料在多場耦合條件下的功能參數和耦合性能指標是評價產品質量、指導產品設計、進行產品改進和控制產品質量的基礎。因此需要設計滿足力-電-磁-熱多場耦合的實驗條件，并測量多種性能參數，如矯頑力、電極化強度、磁導率、磁化強度、電/磁退極化等。
另一方面，近年來迅猛發展的微電子機械系統(MEMS)，它提出了多場耦合與細微信息結構微動力學等科學問題。當應力、應變或熱與電磁行為出現強交互作用時，MEMS器件會發生變形、振動和失穩，但缺乏研究耦合場下的功能材料與MEMS的動作與失效的理論方法與實驗手段。因此急需開發制備力-電-磁-熱耦合加載與自動測量系統，提高耦合加載的能力和增大耦合加載的范圍、提高準確度和靈敏度、拓寬頻率范圍、適用不同形狀的樣品的測試能力，滿足電場-磁場-熱場-機械應力/應變場耦合等復雜科學問題的研究。
現有技術為了創造出多場耦合的實驗條件，是將各種場的產生設備簡單的堆疊在一起，需要手工選擇和配置各種設備，安裝和拆除都很麻煩，費時費力，并且不能自動處理各種設備產生的數據，不能自動選擇各種場的任意耦合，準確性差，難以簡便的實現多場耦合的實驗條件。
發明內容
本發明的目的在于提供一種多場耦合測量系統，解決現有技術難以簡便的實現多場耦合的實驗條件，測量精度差，不能實現測量和數據分析的自動化的技術問題。
為了實現上述目的，本發明提供了一種多場耦合測量系統，其中，包括各種場或力的產生設備及測量設備、監控與采集設備、控制設備；所述場或力的產生設備用于產生實驗用的各種場或力；所述測量設備用于對所述各種場或力進行測量；所述監控與采集設備用于，采集所述測量設備的測量信息并轉換為數字信號并發送給所述控制設備，接收所述控制設備的控制信號并轉化為電信號后發送給所述場或力的產生設備；所述控制設備用于，輸出所述控制信號來控制所述場或力的產生設備進行各種場或力的加載，接收所述數字信號并根據所述數字信號對所述測量設備的測量信息進行計算分析。
上述的系統，其中，所述場或力的產生設備包括磁場產生設備、電場產生設備、溫度場產生設備和應力加載設備；所述磁場產生設備包括固定的兩個磁場極頭，所述應力加載設備包括用于夾持試件的夾頭，所述夾頭設置在所述兩個磁場極頭之間并可根據所述控制設備的控制信號進行任意角度的旋轉和移動。
上述的系統，其中，所述應力加載設備通過液壓傳動將伺服電機的力傳遞到所述試件上，以節省加載力所需要的空間從而減小所述兩個磁場極頭之間的距離，并根據所述控制設備的控制信號完成對所述試件的拉伸、壓縮和三點彎試驗，以及完成對所述試件的恒力或恒位移加載實驗。
上述的系統，其中，所述電場產生設備包括函數發生器、電場電源和示波器；所述函數發生器用于根據所述控制設備的控制信號產生不同的函數波形并輸送到所述電場電源，所述電場電源根據所述函數波形產生對應的電壓并加載到所述試件，所述示波器用于顯示所述電場電源所產生電壓的波形。
上述的系統，其特征在于，所述溫度場產生設備包括能夠根據所述控制設備的控制信號產生超高頻、超低頻、中頻和低頻的熱加載電源，以及與所述熱加載電源相連接用于對所述試件進行感應加熱的加熱套。
上述的系統，其中，所述測量設備包括磁場測量設備、電場測量設備、溫度測量設備和應力測量設備。
上述的系統，其中，所述磁場測量設備包括用于測量磁場強度的霍爾探頭或者H型感應線圈，所述霍爾探頭連接特斯拉計，所述H型感應線圈連接磁通計；用于測量試件的磁感應強度的J型感應線圈，所述J型感應線圈由兩個測量線圈串聯反接組成，抵消了測量線圈和試件之間空氣漏磁通的影響，所述J型感應線圈連接磁通計。
上述的系統，其中，所述電場測量設備包括電荷儀；所述溫度測量設備包括紅外傳感器，用于對試件進行非接觸的溫度測量；所述應力測量設備包括安裝在液壓回路的力傳感器，安裝在試件表面的應變片以及與所述應變片連接的動態應變儀。
上述的系統，其中，所述控制設備根據所述測量信息計算分析得出試件在不同場或力的條件下的性能曲線和性能參數，并根據需要輸出相關格式的數據文件并打印。
上述的系統，其中，所述性能曲線包括磁滯回線、電滯回線、退磁曲線和/或應力應變曲線；所述性能參數包括彈性模量、電飽和極化強度、退極化強度、矯頑場、介電常數、壓電常數；磁場強度、磁感應強度、飽和磁極化強度、退磁化強度、矯頑場、磁化常數和/或壓磁常數。
上述的系統，其中，所述監控與采集設備包括模擬/數字轉換卡和數字/模擬轉換卡。
本發明的優點在于1)測量精確。本發明采用了大量的精確測量設備和控制設備，比如力傳感器、電荷儀、霍爾探頭、紅外傳感器、動態應變儀、光學測量系統等等，能夠得到精確的測量信號，并通過計算機的高精度控制，能夠根據用戶的選擇精確的加載各種場或力。
2)結構緊湊。本發明通過液壓傳動，完成對試件的拉伸、壓縮和三點彎試驗，并且還可以通過不同加載方式完成對試件的恒力和恒位移加載，因為液壓傳動使得應力加載設備的控制和操作部分都遠離磁場空間，力的加載通過液壓傳遞到試件上，大大節省了加載應力所需占用的空間，使得磁場兩極頭之間的距離可以設置的更小，從而可以產生更大的磁場。
3)自動控制。本發明通過計算機根據事前存儲的程序進行測量控制，在工作過程中，可以兩兩耦合控制、三者耦合控制、或者四者耦合，用戶只需在計算機中進行相關設定即可，使用操所都相當方便，無需用戶手動配置各種硬件設備，并且計算機自動根據測量數據完成試件材料的性能曲線和性能參數的計算，各種計算結果可以顯示或輸出，讓人一目了然，完全實現了測量和計算過程的自動化，大大提高了工作效率，是進行類似多場耦合試驗所不可多得的自動化試驗設備。
4)控制裝置可以根據預先的設定加載不同波形的電場電壓，可以選擇不同波形的電場電壓進行試驗，也可以根據需要選擇不同的溫度場、磁場、和拉、伸、扭、轉等各種應力，增加了試驗設備的功能選擇。
圖1為本發明多場耦合測量系統的測量部分的結構圖；圖2為本發明多場耦合測量系統的控制部分的結構圖；圖3A至圖3D為本發明力學實驗機分別實現壓、拉、恒位移、扭時的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供的多場耦合測量系統，是可以進行力-電-磁-熱耦合加載與測量的系統，力-電-磁-熱四種場既可以兩-兩耦合，也可以三者或者四者互相耦合，還也可以單獨在一個場下測量試件的特性，并且可以自動完成各種場的動態加載和測量，并根據測量的基本數據計算出材料的性能曲線和各種參數。
圖1為本發明多場耦合測量系統的測量部分的結構圖，本發明的力-電-磁-熱耦合加載與測量系統主要包括以下幾個部分磁場產生設備主體設備為電磁鐵，如圖1所示，通過高精度磁場電源提供勵磁電流，從而在兩個磁場極頭103之間產生所需要加載的磁場，在測量過程中自動補償兩極頭磁吸力對試件的影響，保持極間距不發生變化。本發明中的電磁鐵在極間距為100mm的情況下，最大磁場達4.3T。
磁場測量設備有霍爾探頭107和感應線圈108，分別與特斯拉計和磁通計連接。磁感應強度測量設備為感應線圈122(J線圈)，J線圈與磁通計連接，特斯拉計和磁通計的輸出端與A/D卡相接，模擬信號轉換為數字信號后送到計算機采集。J線圈由兩個測量線圈串聯反接組成，抵消了測量線圈和試件之間空氣漏磁通的影響。
應力加載設備如圖1所示，力學實驗機101設置在兩個磁場極頭103之間，力學實驗機101上對稱設置有兩個絕緣件121，絕緣件121上設置有電極120，試件110夾持在兩個電極120之間。力學實驗機101能夠在兩個磁場極頭103之間對試件110進行壓、拉、恒位移、扭、彎等各種試驗操作。
應力加載設備采用伺服電機和液壓驅動系統實現兩軸液壓無級機械加載。應力加載設備的控制操作設備遠離磁場空間，力的加載通過液壓傳遞到試件上，大大節省了力加載空間，能夠使得磁場兩極頭之間的距離變小，為獲得較大的加載磁場創造了條件。本發明通過計算機的高精度控制，驅動伺服電機，完成對試件的拉伸、壓縮和三點彎試驗，并且還可以通過不同加載方式完成對試件的恒力和恒位移加載。
應力和位移的測量設備設置在力學實驗機101上的位移測量機構112連接光學測量系統113，用于測量位移；粘貼在試件110表面的應變片111連接動態應變儀119(如圖2中所示)，應變儀獲得的測量信號經A/D卡轉換為數字信號后送計算機。通過安裝在液壓回路的力傳感器105測量應力，力傳感器105的量程可選擇為3000公斤力(精度0.1公斤力)或者量程300公斤力(精度0.01公斤力)。
電場的產生設備如圖1所示，電場電源102連接函數發生器117和示波器118。函數發生器117用于根據計算機的控制信號產生不同的函數波形并輸送到電場電源102，電場電源102根據所述函數波形產生對應的電壓并加載到對稱的兩個電極120，示波器118用于顯示電場電源102所產生電壓的波形。電場對試件的加載比較容易實現，電場電源102的穩定性和精度決定了電場的穩定性和精度。電場電源102可以為高、中、低壓電源，電場電源102輸出波形可以為正弦、矩形、梯形和/或三角形。
電荷儀106連接兩個電極120用于進行電場測量。
溫度場的加載設備在試件110周圍用感應加熱套并連接熱加載電源104，電源104可采用高頻、中頻或低頻來進行感應加熱，使試件110的溫度可選擇為室溫到250℃之間的任意溫度。在試件110周圍放置紅外傳感器109，進行非接觸的溫度測量，隨時將溫度場信號采集反饋給計算機，由計算機進行溫度控制，維持溫度場的穩定。
圖2為本發明多場耦合測量系統的控制部分的結構圖。如圖2所示，監控與采集設備包括A/D卡(模擬/數字轉換卡)201和D/A卡(數字/模擬轉換卡)202。A/D卡201采集測量設備的測量信息并轉換為數字信號并發送給計算機300，其中A/D卡201連接力傳感器105、電荷儀106、霍爾探頭107、感應線圈108、紅外傳感器109、與應變片111相連接的動態應變儀119、光學測量系統113、圖像系統116和示波器118。其中的圖像系統116可以為一個監控用的攝像頭，用于監視測量系統的運行情況。
D/A卡202接收計算機300的控制信號并轉化為電信號后發送給各種場或力的產生設備。如圖2所示，D/A卡202連接力學實驗機101、與電場電源102相連接的函數發生器117、磁場電源114、熱加載電源104、溫控系統115。
控制設備可選用為工控計算機300，具有顯示部分301，并且連接有打印部分302。計算機300中存儲有預先設定的程序，能夠根據用戶的輸入進行各種場或力的組合，并自動完成試件材料的性能曲線和性能參數的計算。在工作過程中，可以兩兩耦合控制、三者耦合控制、或者四者耦合控制，比如某個磁場值條件下應力與應變的關系，某個電場值條件下應力與應變的關系，某個固定磁場、電場值條件下應力與應變的關系，或者溫度場在固定條件下，某個固定磁場、電場值條件下應力與應變的關系。測量完成后，計算機300根據測量信息計算分析得出試件在不同場或力的條件下的性能曲線和性能參數，性能曲線可以包括磁滯回線、電滯回線、退磁曲線和/或應力應變曲線等；性能參數可以包括彈性模量、電飽和極化強度、退極化強度、矯頑場、介電常數、壓電常數；磁場強度、磁感應強度、飽和磁極化強度、退磁化強度、矯頑場、磁化常數和/或壓磁常數等。
圖3A、3B、3C、3D是本發明力學實驗機的結構圖，其中圖3A為對試件進行“壓”的示意圖，力學實驗機包括試件操作部310和液壓力提供部320，試件操作部310用于完成對試件的“壓”操作，液壓力提供部320用于提供液壓力，并通過軟管330傳遞到試件操作部310。事實上，因為采用了軟管330傳遞液壓力，力學實驗機僅有試件操作部310設置在圖1中的兩個磁場極頭103之間，液壓力提供部320可以設置在較遠處，這樣就不用限制液壓力提供部320的尺寸了，從而液壓力提供部320因為沒有尺寸的限制可以提供范圍很大的液壓力。
力學實驗機101在進行壓、拉、扭、彎等各種試驗操作時，要裝配不同的夾具，圖3A至圖3D僅提供了力學實驗機進行壓、拉、恒位移、扭時的結構舉例，其結構并非僅僅限定于此。
由上可知，本發明具有如下優點1)測量精確。本發明采用了大量的精確測量設備和控制設備，比如力傳感器、電荷儀、霍爾探頭、紅外傳感器、動態應變儀、光學測量系統等等，能夠得到精確的測量信號，并通過計算機的高精度控制，能夠根據用戶的選擇精確的加載各種場或力。
2)結構緊湊。本發明通過液壓傳動，完成對試件的拉伸、壓縮和三點彎試驗，并且還可以通過不同加載方式完成對試件的恒力和恒位移加載，因為液壓傳動使得應力加載設備的控制和操作部分都遠離磁場空間，力的加載通過液壓傳遞到試件上，大大節省了加載應力所需占用的空間，使得磁場兩極頭之間的距離可以設置的更小，從而可以產生更大的磁場。
3)自動控制。本發明通過計算機根據事前存儲的程序進行測量控制，在工作過程中，可以兩兩耦合控制、三者耦合控制、或者四者耦合，用戶只需在計算機中進行相關設定即可，使用操所都相當方便，無需用戶手動配置各種硬件設備，并且計算機自動根據測量數據完成試件材料的性能曲線和性能參數的計算，各種計算結果可以顯示或輸出，讓人一目了然，完全實現了測量和計算過程的自動化，大大提高了工作效率，是進行類似多場耦合試驗所不可多得的自動化試驗設備。
4)控制裝置可以根據預先的設定加載不同波形的電場電壓，可以選擇不同波形的電場電壓進行試驗，也可以根據需要選擇不同的溫度場、磁場、和拉、伸、扭、轉等各種應力，增加了試驗設備的功能選擇。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種多場耦合測量系統，其特征在于，包括各種場或力的產生設備及測量設備、監控與采集設備、控制設備；所述場或力的產生設備用于產生實驗用的各種場或力；所述測量設備用于對所述各種場或力進行測量；所述監控與采集設備用于采集所述測量設備的測量信息并轉換為數字信號并發送給所述控制設備，接收所述控制設備的控制信號并轉化為電信號后發送給所述場或力的產生設備；所述控制設備用于輸出所述控制信號來控制所述場或力的產生設備進行各種場或力的加載，接收所述數字信號并根據所述數字信號對所述測量設備的測量信息進行計算分析。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述場或力的產生設備包括磁場產生設備、電場產生設備、溫度場產生設備和應力加載設備；所述磁場產生設備包括固定的兩個磁場極頭，所述應力加載設備包括用于夾持試件的夾頭，所述夾頭設置在所述兩個磁場極頭之間并可根據所述控制設備的控制信號進行任意角度的旋轉和移動。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述應力加載設備通過液壓傳動將伺服電機的力傳遞到所述試件上，以節省加載力所需要的空間從而減小所述兩個磁場極頭之間的距離，并根據所述控制設備的控制信號完成對所述試件的拉伸、壓縮和三點彎試驗，以及完成對所述試件的恒力或恒位移加載實驗。
4.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述電場產生設備包括函數發生器、電場電源和示波器；所述函數發生器用于根據所述控制設備的控制信號產生不同的函數波形并輸送到所述電場電源，所述電場電源根據所述函數波形產生對應的電壓并加載到所述試件，所述示波器用于顯示所述電場電源所產生電壓的波形。
5.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述溫度場產生設備包括能夠根據所述控制設備的控制信號產生超高頻、超低頻、中頻和低頻的熱加載電源，以及與所述熱加載電源相連接用于對所述試件進行感應加熱的加熱套。
6.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述測量設備包括磁場測量設備、電場測量設備、溫度測量設備和應力測量設備。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述磁場測量設備包括用于測量磁場強度的霍爾探頭或者H型感應線圈，所述霍爾探頭連接特斯拉計，所述H型感應線圈連接磁通計；用于測量試件的磁感應強度的J型感應線圈，所述J型感應線圈由兩個測量線圈串聯反接組成，抵消了測量線圈和試件之間空氣漏磁通的影響，所述J型感應線圈連接磁通計。
8.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述電場測量設備包括電荷儀；所述溫度測量設備包括紅外傳感器，用于對試件進行非接觸的溫度測量；所述應力測量設備包括安裝在液壓回路的力傳感器，安裝在試件表面的應變片以及與所述應變片連接的動態應變儀。
9.根據權利要求1至8中任意一項權利要求所述的系統，其特征在于，所述控制設備根據所述測量信息計算分析得出試件在不同場或力的條件下的性能曲線和性能參數，并根據需要輸出相關格式的數據文件并打印。
10.根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述性能曲線包括磁滯回線、電滯回線、退磁曲線和/或應力應變曲線；所述性能參數包括彈性模量、電飽和極化強度、退極化強度、矯頑場、介電常數、壓電常數；磁場強度、磁感應強度、飽和磁極化強度、退磁化強度、矯頑場、磁化常數和/或壓磁常數。
11.根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述監控與采集設備包括模擬/數字轉換卡和數字/模擬轉換卡。
全文摘要
本發明公開了一種多場耦合測量系統，包括各種場或力的產生設備及測量設備、監控與采集設備、控制設備；所述場或力的產生設備用于產生實驗用的各種場或力；測量設備用于對所述各種場或力進行測量；監控與采集設備用于采集測量設備的測量信息并轉換為數字信號并發送給控制設備，接收控制設備的控制信號并轉化為電信號后發送給所述場或力的產生設備；控制設備用于輸出控制信號來控制所述場或力的產生設備進行各種場或力的加載，接收所述數字信號并根據所述數字信號對所述測量設備的測量信息進行計算分析。本發明采用了大量精確測量設備和控制設備，測量精確、結構緊湊并能夠進行全自動控制，能夠顯著提高工作效率。
文檔編號G01N3/00GK1932544SQ20061015064
公開日2007年3月21日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年10月20日
發明者方岱寧, 饒國光 申請人:北京賽迪機電新技術開發公司