專利名稱：磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及動態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，單純的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能真實(shí)地反映某些材料的力學(xué)物理性能。需要掌握材料在沖擊壓縮載荷下力學(xué)性能的同時(shí)也要了解其在沖擊拉伸載荷下的性能，比如一些軟材料、單晶材料等。材料在兩種相反的高應(yīng)變率載荷作用下的力學(xué)性能對于材料的應(yīng)用有著重要的意義，同時(shí)微型試件的動態(tài)性能測試也正成為新的需求。目前，對材料進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)的裝置主要還是停留在單純的霍普金森壓桿或拉桿上，而且子彈的加載方式主要是通過氣動加載的形式對子彈進(jìn)行加載?！揽茖W(xué)技術(shù)大學(xué)的陳榮(中國專利公開號CN101666724A)和湖南大學(xué)等均采用一種雙向發(fā)射氣體炮裝置實(shí)現(xiàn)拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化。雙向發(fā)射氣體炮根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要將子彈向左或向右加速。用作霍普金森壓桿時(shí)，發(fā)射裝置推動子彈直接撞擊壓縮入射桿；用作霍普金森拉桿時(shí)，發(fā)射裝置可推動套筒子彈反方向撞擊拉伸入射桿末端的法蘭。如此實(shí)現(xiàn)拉伸和壓縮的加載集成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，克服了霍普金森壓桿和拉桿需要分別建立兩套獨(dú)立設(shè)備的困難，實(shí)現(xiàn)了對霍普金森拉桿和壓桿的集成，大幅降低了實(shí)驗(yàn)裝置的成本。但其在由壓縮實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要重新安裝與對中輸入桿、輸出桿，子彈等，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率不高。由于雙向發(fā)射氣體炮裝置的體積龐大，不利于某些特殊霍普金森桿裝置的小型化。而且雙向氣體炮裝置成本依然比較昂貴。C.M. A. Silva 等人(An innovative electromagnetic compressive splitHopkinson bar J，2009，5，281)將磁阻式線圈發(fā)射裝置應(yīng)用到了直徑為25mm的霍普金森壓桿裝置中，并實(shí)現(xiàn)了對純鉛金屬的動態(tài)力學(xué)性能測試。郭偉國等人(ElectromagneticDriving Technique Applied to Split-Hopkinson Pressure BarDevice A,2010,26,682)也在國內(nèi)開展了一些磁阻式線圈發(fā)射方式在霍普金森壓桿中的應(yīng)用研究。磁阻式線圈發(fā)射裝置相對于氣體炮發(fā)射裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、裝置體積小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，有利于霍普金森桿裝置的推廣與小型化。但是上述磁阻式線圈發(fā)射由于裝置自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，均未能達(dá)到氣動加載方式所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變率水平，且都未能在一個(gè)霍普金森桿裝置中實(shí)現(xiàn)拉伸和壓縮的功能。參考圖I及圖2，分別示出了現(xiàn)有拉壓通用霍普金森桿裝置用作壓桿和拉桿時(shí)的裝配示意圖。如圖I所示，裝置由雙向發(fā)射氣體炮和桿件系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。用作霍普金森壓桿時(shí)，其中，雙向氣體發(fā)射炮包括高壓氣體罐I、進(jìn)氣控制閥門203、第一出氣控制閥門201和第二出氣控制閥門202、第一連接管301、第二連接管302、第一氣體轉(zhuǎn)換接頭401、第二氣體轉(zhuǎn)換接頭402、炮管5、圓柱形頂塞6、頂針7、彈托9和圓柱形子彈10。其中，桿件系統(tǒng)包括壓縮入射桿11、壓縮透射桿13和應(yīng)變片18。圓柱形頂塞6是外徑與炮管5內(nèi)徑相同的圓柱，通過螺栓固定在炮管5右側(cè)頂端，用于封閉炮管5右端。在圓柱形頂塞6的插入炮管5內(nèi)的底面的中心插有一根頂針7，頂針7朝向炮管5內(nèi)側(cè)，起到限位作用，防止圓柱形子彈10將炮管5側(cè)壁的進(jìn)氣口堵塞。第二出氣控制出氣閥門202控制高壓氣罐I中的高壓氣體經(jīng)過第二連接管302及第二氣體轉(zhuǎn)換接頭402到達(dá)炮管5，將彈托9和圓柱形子彈10加速向左發(fā)射。圓柱形子彈10被加速后撞擊壓縮入射桿11在桿中形成壓縮波,壓縮波對壓縮試樣12進(jìn)行壓縮加載。壓縮試樣12的應(yīng)力狀態(tài)由貼在壓縮入射桿11和壓縮透射桿13上的應(yīng)變片18測量得到。如圖2所示，當(dāng)用作霍普金森拉桿時(shí)，其中，雙向發(fā)射氣體炮包括高壓氣罐I、進(jìn)氣控制閥門203、第一出氣控制閥門201、第二出 氣控制閥門202、第一連接管301、第二連接管302、第一氣體轉(zhuǎn)換接頭401、第二氣體轉(zhuǎn)換接頭402、炮管5、圓筒形頂塞8、頂針7、圓筒形子彈14 ;其中，桿件系統(tǒng)包括拉伸入射桿15、拉伸透射桿17和應(yīng)變片18。圓筒形頂塞8外徑與炮管5內(nèi)徑氣密滑動配合，內(nèi)徑與拉伸入射桿15的外徑滑動配合，通過螺栓固定在炮管5左側(cè)頂端，用于封閉炮管5左側(cè)。在圓筒形頂塞8的插入炮管5內(nèi)的環(huán)狀底面均勻插入兩根頂針7，頂針7起到限位的作用，防止圓筒形子彈14將炮管5側(cè)壁的進(jìn)氣口堵塞。拉伸入射桿15穿過圓筒形頂塞8，伸到炮管5內(nèi)。第一出氣控制閥門201控制高壓氣罐I中的高壓氣體通過第一連接管301及第一氣體轉(zhuǎn)換接口 401進(jìn)入炮管5，將圓筒形子彈14加速向右發(fā)射。圓筒形子彈14被加速后撞擊拉伸入射桿15頂端的法蘭(結(jié)構(gòu)或機(jī)械零件上垂直于零件軸線突出的邊緣，與凸臺功能一樣，即子彈撞擊后可在拉伸入射桿中產(chǎn)生拉伸波)，在桿中形成拉伸波，拉伸波對拉伸試樣16進(jìn)行拉伸加載。拉伸試樣16的應(yīng)力狀態(tài)由貼在拉伸入射桿15和拉伸透射桿上的應(yīng)變片18測量得到。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，以解決現(xiàn)在的裝置在小型化的同時(shí)，均未能達(dá)到氣動加載方式所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變率水平，且都未能在一套霍普金森拉桿裝置中實(shí)現(xiàn)拉伸和壓縮的功能。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，由電磁控制發(fā)射系統(tǒng)和桿件系統(tǒng)組成，其特征在于，其中，所述電磁控制發(fā)射系統(tǒng)，進(jìn)一步為多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)；所述多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)由拉壓共用的電能提供單元、壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元、拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元組成；其中，所述拉壓共用的電能提供單元，進(jìn)一步為拉壓實(shí)驗(yàn)共用的電能提供單元，包括電壓調(diào)節(jié)器、兩套整流二極管陳列裝置、第一級發(fā)射電容組、第二級加速電容組；所述壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元與所述拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元結(jié)構(gòu)相同，均包括雙向保險(xiǎn)開關(guān)、雙向觸發(fā)開關(guān)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第二級高壓金屬氧化物娃場效應(yīng)晶體管、高強(qiáng)度玻璃管、第一級光電開關(guān)、第二級光電開關(guān)、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置、第二級磁阻式線圈加速裝置；其中，所述第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置與第二級磁阻式線圈加速裝置安裝在同一高強(qiáng)度玻璃管上，所述高強(qiáng)度玻璃管通過滑塊與支座固定在光學(xué)導(dǎo)軌上；所述桿件系統(tǒng)，進(jìn)一步為拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)；所述拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)，由圓柱形子彈、壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿、圓筒形子彈、凸臺、吸收裝置組成，其中，所述拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)安裝在光學(xué)導(dǎo)軌的同一水平高度上；所述壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿組成拉壓共用三桿件；其中，所述拉壓共用透射桿，當(dāng)在壓縮實(shí)驗(yàn)中為壓縮透射桿，當(dāng)在拉伸實(shí)驗(yàn)中為拉伸透射桿；所述壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿上分別粘貼有應(yīng)變片；所述凸臺，安裝于所述拉伸入射桿的一端；所述電壓調(diào)節(jié)器、一套整流二極管陳列裝置與第一級發(fā)射電容組連接組成第一級充電回路，所述電壓調(diào)節(jié)器、另一套整流二極管陳列裝置與第二級加速電容組連接組成第二級充電回路，所述第一級充電回路和第二級充電回路采用并聯(lián)形式連接； 所述第一級發(fā)射電容組、雙向觸發(fā)開關(guān)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)的第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路；所述第二級加速電容組、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第二級磁阻式線圈加速裝置、雙向保險(xiǎn)開關(guān)連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)的第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路；所述第一級光電開關(guān)與第二級光電開關(guān)產(chǎn)生電壓信號以控制第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管和第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通與斷開；所述第一級光電開關(guān)安裝在所述第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置的左端面入口處，控制所述第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開；所述第二級光電開關(guān)安裝在所述第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置的左端面入口處，控制所述第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開。進(jìn)一步，其中，所述拉壓共用透射桿位于壓縮入射桿與拉伸入射桿之間，共同安裝在所述光學(xué)導(dǎo)軌的同一軸線上，組成微型的三桿件系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為壓縮透射桿使用；當(dāng)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為拉伸透射桿使用。進(jìn)一步，其中，通過所述第一級光電開關(guān)和第二級光電開關(guān)產(chǎn)生光電信號控制所述第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管和所述第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開。本實(shí)用新型所述磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，具有如下技術(shù)效果第一、磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置采用了磁阻式線圈多級發(fā)射裝置作為霍普金森桿系統(tǒng)的子彈驅(qū)動加載裝置，實(shí)現(xiàn)了由氣動驅(qū)動向電磁驅(qū)動的轉(zhuǎn)化，從而也實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動裝置的小型化和結(jié)構(gòu)的簡單化。第二、透射桿作為拉壓共用桿，在其左右兩端分別安裝壓縮入射桿和拉伸入射桿，組成了拉壓一體化的微型三桿件系統(tǒng)，避免了壓縮實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行入射桿、透射桿、子彈等的重新安裝與對中，真正實(shí)現(xiàn)了霍普金森桿裝置的拉壓一體化。第三、沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)與沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)互不干擾。第四、多級發(fā)射形式可以有效提高子彈的撞擊速度，被測試件的加載應(yīng)變率可達(dá)到104s-l以上，解決了現(xiàn)有電磁驅(qū)動與氣動加載方式所難于實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變率水平。第五、本實(shí)用新型所述電磁式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置具有小型化的特點(diǎn)，是針對微試件的沖擊加載實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，可有效提高加載應(yīng)變率，且結(jié)構(gòu)簡單方便，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)中的通用霍普金森桿壓桿裝置示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的通用霍普金森桿拉桿裝置示意圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置示意圖。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例所述的磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置的多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)中第一級發(fā)射的電路控制模塊圖。
具體實(shí)施方式
在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個(gè)組件。本說明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。在通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開放式用語，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”?！按笾隆笔侵冈诳山邮艿恼`差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性連接于所述第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電性連接至所述第二裝置。說明書后續(xù)描述為實(shí)施本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說明本實(shí)用新型的一般原則為目的，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。如圖3所示，為本實(shí)用新型的一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，由多級電磁控制發(fā)射系統(tǒng)(101)和微型桿件系統(tǒng)(102)組成，多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)由電能提供單元、壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元、拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元組成，其中電能提供單元是拉壓實(shí)驗(yàn)共用的電能提供單元，包括電壓調(diào)節(jié)器(I)、兩套整流二極管裝置(2)、第一級發(fā)射電容組(3)、第二級加速電容組(4 );電壓調(diào)節(jié)器(I)、整流二極管裝置(2 )與第一級發(fā)射電容組(3 )依次連接組成第一級充電回路，為第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)存儲電能，電壓調(diào)節(jié)器(I)、整流二極管裝置(2)與第二級加速電容組(4)依次連接組成第二級充電回路，為第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)存儲電能，兩路充電回路采用并聯(lián)形式連接，電壓調(diào)節(jié)器(I)可同時(shí)調(diào)節(jié)兩路充電回路的電壓值，整流二極管裝置(2)將普通交流電轉(zhuǎn)換為電容組所需的直流電，同時(shí)防止電容組的直流電荷沿充電回路回流(通交流阻直流作用)，第一級發(fā)射電容組(3)、第二級加速電容組(4)用于存儲電能；所述的壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元與拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元結(jié)構(gòu)相同，包括雙向保險(xiǎn)開關(guān)(5)、雙向觸發(fā)開關(guān)(6)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)、第一級光電開關(guān)(11)、第二級光電開關(guān)(13)、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)、第二級磁阻式線圈加速裝置(14);第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)與第二級磁阻式線圈加速裝置(14)的長度相等，都安裝在高強(qiáng)度玻璃管(9)上，高強(qiáng)度玻璃管(9)固定在光學(xué)導(dǎo)軌(22)上；第一級發(fā)射電容組(2)、雙向觸發(fā)開關(guān)(6)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)依次連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路，第二級加速電容組(4)、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)、第二級磁阻式線圈加速裝置(14)、雙向保險(xiǎn)開關(guān)(5)依次連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第二級加速系統(tǒng)放電回路；雙向保險(xiǎn)開關(guān)(5)用于保護(hù)第二級加速系統(tǒng)的放電電路；雙向觸發(fā)開關(guān)(6)具有手動觸發(fā)第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路的功能；第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)可瞬間導(dǎo)通或斷開放電回路(反應(yīng)時(shí)間在納秒級以內(nèi))；第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)與第二級磁阻式線圈加速裝置(14)根據(jù)電磁感應(yīng)定律將電能轉(zhuǎn)化為子彈發(fā)射所需的動能，第一級光電開關(guān)(11)與第二級光電開關(guān)(13)是可產(chǎn)生信號以控制第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)和第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)導(dǎo)通與斷開的裝置，第一級光電開關(guān)(10)安裝在第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)的左端面入口處，控制第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)的導(dǎo)通與斷開，第二級光電開關(guān)(13)安裝在第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)的左端面入口處，控制第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)的導(dǎo)通與斷開；·所述的拉壓共用三桿件系統(tǒng)由圓柱形子彈(10)、壓縮入射桿(15)、拉壓共用透射桿(17)、拉伸入射桿(18)、圓筒形子彈(19)、凸臺(20)、吸收裝置(21)組成，依次安裝在光學(xué)導(dǎo)軌(22)的同一水平高度上，其中壓縮入射桿(15)、拉壓共用透射桿(17)、拉伸入射桿
(18)為所述拉壓共用微型三桿件系統(tǒng)的三桿件，其直徑均為4mm，拉壓共用透射桿(17)在壓縮實(shí)驗(yàn)中作為壓縮透射桿，拉伸實(shí)驗(yàn)中作為拉伸透射桿，壓縮入射桿(15)、拉壓共用透射桿(17)、拉伸入射桿(18)上分別粘貼有應(yīng)變片(16)，凸臺(20)安裝于拉伸入射桿的一端，圓柱形子彈(10)、圓筒形子彈(19)的長度與第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)的長度相等，兩種子彈均采用彈托的形式預(yù)置在高強(qiáng)度玻璃管(9)內(nèi)；將本實(shí)用新型用于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)時(shí)，電磁發(fā)射系統(tǒng)(101)包括電能提供單元、壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元。雙向保險(xiǎn)開關(guān)(5)向左端電路閉合，雙向觸發(fā)開關(guān)(6)采用左端觸發(fā)，桿件系統(tǒng)(102)采用圓柱形子彈(10)、壓縮入射桿(15)、拉壓共用透射桿(17)和應(yīng)變片(16)，其中此時(shí)的拉壓共用透射桿(17)作為壓縮透射桿使用。電磁發(fā)射系統(tǒng)的連接圖與桿件連接圖如圖3所示?；羝战鹕瓑簵U實(shí)驗(yàn)的工作過程是圓柱形子彈(10)預(yù)置在第一級光電開關(guān)(11)處(如圖3所示)，第一級光電開關(guān)(11)由于被遮擋而產(chǎn)生電壓信號驅(qū)動第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，啟動雙向觸發(fā)開關(guān)(6)的左端觸發(fā)功能，多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路導(dǎo)通，第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(11)把第一級發(fā)射電容組(3)存儲的電能轉(zhuǎn)化為動能，以洛倫磁力的形式將圓柱形子彈(10)向右加速發(fā)射出去，圓柱形子彈(10)在高強(qiáng)度玻璃管(9)內(nèi)加速穿過第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)，直至圓柱形子彈(10)的末端經(jīng)過第一級光電開關(guān)(11)后，光電信號消失，第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)迅速斷開第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路，多級發(fā)射的第一級加速完成；圓柱形子彈(10)在慣性作用下繼續(xù)向右運(yùn)動，當(dāng)圓柱形子彈(10)的前端運(yùn)動至第二級光電開關(guān)(13)處，第二級光電開關(guān)(13)由于被遮擋而產(chǎn)生光電信號驅(qū)動第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路導(dǎo)通，圓柱形子彈(10)在第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)產(chǎn)生的洛倫磁力的作用下再一次加速向右運(yùn)動，圓柱形子彈(10)在高強(qiáng)度玻璃管(9)內(nèi)加速穿過第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)，直至圓柱形子彈(10)的末端經(jīng)過第二級光電開關(guān)(13)后，光電信號消失，第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)迅速斷開第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路，多級發(fā)射的第二級加速完成；經(jīng)過多級加速后的圓柱形子彈(10)撞擊壓縮入射桿(15)在桿中形成壓縮波，壓縮波對夾在壓縮入射桿(15)與拉壓共用透射桿(17)之間的試樣進(jìn)行壓縮加載，試樣的應(yīng)力狀態(tài)由貼在壓縮入射桿(15)和拉壓共用透射桿(17)上的應(yīng)變片16測量得到。加載完成后的應(yīng)力脈沖經(jīng)過拉伸入射桿(18)傳入吸收裝置(21)而被吸收；將本實(shí)用新型用于霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)時(shí)，電磁發(fā)射系統(tǒng)(101)包括電能提供單元、拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元。雙向保險(xiǎn)開關(guān)(5)向右端電路閉合，雙向觸發(fā)開關(guān)(6)采用右端觸發(fā)，桿件系統(tǒng)采用圓筒形子彈(19)、拉伸入射桿(18)、拉壓共用透射桿(17)、應(yīng)變片(16)和吸收裝置(21 )，此時(shí)的拉壓共用透射桿(17)作為拉伸透射桿使用。電磁發(fā)射系統(tǒng)的連接圖與桿件連接圖如圖3所示?；羝战鹕瓧U實(shí)驗(yàn)的工作過程是圓筒形子彈(19) 預(yù)置在第一級光電開關(guān)(11)處(如圖3所示)，第一級光電開關(guān)(11)由于被遮擋而產(chǎn)生電壓信號驅(qū)動第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，啟動雙向觸發(fā)開關(guān)(6)的右端觸發(fā)功能，多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路導(dǎo)通，第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)把第一級發(fā)射電容組(3)存儲的電能轉(zhuǎn)化為動能，以洛倫磁力的形式將圓筒形子彈(19)向右加速發(fā)射出去，圓筒形子彈(19)在高強(qiáng)度玻璃管(9)內(nèi)加速穿過第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)，直至圓筒形子彈(19)的末端經(jīng)過第一級光電開關(guān)(11)后，光電信號消失，第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)迅速斷開第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路，多級發(fā)射的第一級加速完成；圓筒形子彈(19)在慣性作用下繼續(xù)向右運(yùn)動，當(dāng)圓筒形子彈(19)的前端運(yùn)動至第二級光電開關(guān)(13)的處，第二級光電開關(guān)(13)被遮擋而產(chǎn)生光電信號驅(qū)動第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(8)，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)的第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路導(dǎo)通，圓筒形子彈(19)在第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)產(chǎn)生的洛倫磁力作用下再一次加速向右運(yùn)動，圓筒形子彈(19)在高強(qiáng)度玻璃管(9)內(nèi)加速穿過第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置(14)，直至圓筒形子彈(19)的末端經(jīng)過第二級光電開關(guān)(13)后，光電信號消失，第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管
(8)迅速斷開第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路，多級發(fā)射的第二級加速完成；經(jīng)過多級加速后的圓筒形子彈(19)撞擊拉伸入射桿(18)右端的凸臺(20)，在桿中形成拉伸波，拉伸波對裝卡在拉伸入射桿(18)與拉壓共用透射桿(17)之間的試樣進(jìn)行拉伸加載，試樣的應(yīng)力狀態(tài)由貼在拉伸入射桿(18)和拉壓共用透射桿(17)上的應(yīng)變片(16)測量得到。在凸臺(20)上形成的壓縮波經(jīng)過傳遞后被吸收裝置(21)吸收；圖4是多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)(101)中第一級發(fā)射的電路控制模塊圖。第一級發(fā)射系統(tǒng)由第一級發(fā)射電容組(3)、雙向觸發(fā)開關(guān)(6)、第一級高壓金屬氧化物娃場效應(yīng)晶體管(7)、第一級光電開關(guān)(11)、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)組成。圓柱形子彈(10)或圓筒形子彈(19)前端的初始位置預(yù)置在第一級光電開關(guān)(11)的凹槽內(nèi)(如圖3所示)，被遮擋的第一級光電開關(guān)(11)在藍(lán)極與紅極之間產(chǎn)生12V的電壓信號，并作用在第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)的S極(源極)與G極(柵極)間，第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(7)在電壓信號的作用下迅速導(dǎo)通G極與D極(漏極)的電路，此時(shí)啟動雙向觸發(fā)開關(guān)(6)后第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路導(dǎo)通，基于電磁感應(yīng)定律，子彈從初始位置運(yùn)動至第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)長度的二分之一過程中，子彈始終受到正向的洛倫磁力作用，當(dāng)子彈的運(yùn)動距離超過第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)長度的二分之一時(shí)，超過部分的子彈長度將受到反向洛倫磁力的作用，剩余部分子彈長度依然受正向洛倫磁力的作用，由于剩余部分子彈長度大于超過部分的子彈長度，子彈整體依然受正向洛倫磁力的作用；直至子彈完全進(jìn)入第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置(12)內(nèi)，子彈所受的正反向洛倫磁力大小相等，子彈整體不受力作用；此時(shí)圓柱形子彈(10)或圓筒形子彈(19)的末端恰好經(jīng)過第一級光電開關(guān)(11)的凹槽，電壓信號消失，第一級高壓金屬氧化物娃場效應(yīng)晶體管(7)斷開G極與D極的電路，第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路斷開，子彈受到的正反向洛倫磁力消失，避免了子彈由于繼續(xù)向前運(yùn)動而出現(xiàn)反向洛倫磁力大于正向洛倫磁力導(dǎo)致的子彈減速現(xiàn)象，這樣子彈的第一級加速完成。在此由于第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路的導(dǎo)通或斷開原理與第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路相同，這里不在詳細(xì)贅述。 本實(shí)用新型所述磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，具有如下技術(shù)效果第一、磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置采用了磁阻式線圈多級發(fā)射裝置作為霍普金森桿系統(tǒng)的子彈驅(qū)動加載裝置，實(shí)現(xiàn)了由氣動驅(qū)動向電磁驅(qū)動的轉(zhuǎn)化，從而也實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動裝置的小型化和結(jié)構(gòu)的簡單化。第二、透射桿作為拉壓共用桿，在其左右兩端分別安裝壓縮入射桿和拉伸入射桿，組成了拉壓一體化的微型三桿件系統(tǒng)，避免了壓縮實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行入射桿、透射桿、子彈等的重新安裝與對中，真正實(shí)現(xiàn)了霍普金森桿裝置的拉壓一體化。第三、沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)與沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)互不干擾。第四、多級發(fā)射形式可以有效提高子彈的撞擊速度，被測試件的加載應(yīng)變率可達(dá)到IO4iT1以上，解決了現(xiàn)有電磁驅(qū)動與氣動加載方式所難于實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變率水平。第五、本實(shí)用新型所述電磁式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置具有小型化的特點(diǎn)，是針對微試件的沖擊加載實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，可有效提高加載應(yīng)變率，且結(jié)構(gòu)簡單方便，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本實(shí)用新型的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本實(shí)用新型可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本實(shí)用新型可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。上述說明示出并描述了本實(shí)用新型的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)用新型并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述實(shí)用新型構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進(jìn)行改動。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動和變化不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，則都應(yīng)在本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，由電磁控制發(fā)射系統(tǒng)和桿件系統(tǒng)組成，其特征在于，其中， 所述電磁控制發(fā)射系統(tǒng)，進(jìn)一步為多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)；所述多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)由拉壓共用的電能提供單元、壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元、拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元組成；其中， 所述拉壓共用的電能提供單元，進(jìn)一步為拉壓實(shí)驗(yàn)共用的電能提供單元，包括電壓調(diào)節(jié)器、兩套整流二極管陳列裝置、第一級發(fā)射電容組、第二級加速電容組； 所述壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元與所述拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元結(jié)構(gòu)相同，均包括雙向保險(xiǎn)開關(guān)、雙向觸發(fā)開關(guān)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、高強(qiáng)度玻璃管、第一級光電開關(guān)、第二級光電開關(guān)、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置、第二級磁阻式線圈加速裝置；其中，所述第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置與第二級磁阻式線圈加速裝置安裝在同一高強(qiáng)度玻璃管上，所述高強(qiáng)度玻璃管通過滑塊與支 座固定在光學(xué)導(dǎo)軌上； 所述桿件系統(tǒng)，進(jìn)一步為拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)；所述拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)，由圓柱形子彈、壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿、圓筒形子彈、凸臺、吸收裝置組成，其中， 所述拉壓共用的微型三桿件系統(tǒng)依次安裝在光學(xué)導(dǎo)軌的同一水平高度上； 所述壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿組成拉壓共用微型三桿件系統(tǒng)的三桿件；其中，所述拉壓共用透射桿，當(dāng)在壓縮實(shí)驗(yàn)中為壓縮透射桿，當(dāng)在拉伸實(shí)驗(yàn)中為拉伸透射桿；所述壓縮入射桿、拉壓共用透射桿、拉伸入射桿上分別粘貼有應(yīng)變片； 所述凸臺，安裝于所述拉伸入射桿的右端； 所述電壓調(diào)節(jié)器、一套整流二極管陳列裝置與第一級發(fā)射電容組連接組成第一級充電回路，所述電壓調(diào)節(jié)器、另一套整流二極管陳列裝置與第二級加速電容組連接組成第二級充電回路，所述第一級充電回路和第二級充電回路采用并聯(lián)形式連接； 所述第一級發(fā)射電容組、雙向觸發(fā)開關(guān)、第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)的第一級發(fā)射系統(tǒng)放電回路； 所述第二級加速電容組、第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管、第二級磁阻式線圈加速裝置、雙向保險(xiǎn)開關(guān)連接組成多級電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)的第二級發(fā)射系統(tǒng)放電回路；所述第一級光電開關(guān)與第二級光電開關(guān)產(chǎn)生電壓信號以控制第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管和第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通與斷開； 所述第一級光電開關(guān)安裝在所述第一級磁阻式線圈發(fā)射裝置的左端面入口處，控制所述第一級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開； 所述第二級光電開關(guān)安裝在所述第二級磁阻式線圈發(fā)射裝置的左端面入口處，控制所述第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開。
2.如權(quán)利要求I所述的磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，其特征在于，所述拉壓共用透射桿位于壓縮入射桿與拉伸入射桿之間，共同安裝在所述光學(xué)導(dǎo)軌的同一軸線上，組成微型的三桿件系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為壓縮透射桿使用；當(dāng)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為拉伸透射桿使用。
3.如權(quán)利要求I所述的磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，其特征在于，通過所述第一級光電開關(guān)和第二級光電開關(guān)產(chǎn)生光電信號控制所述第一級高壓金屬氧化物硅 場效應(yīng)晶體管和所述第二級高壓金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通與斷開。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種磁阻式拉壓一體化微型霍普金森桿裝置，由電磁控制發(fā)射系統(tǒng)和微型三桿件系統(tǒng)組成，其中電磁控制發(fā)射系統(tǒng)包括拉壓共用的電能提供單元、壓縮磁阻式線圈多級發(fā)射單元、拉伸磁阻式線圈多級發(fā)射單元；微型三桿件系統(tǒng)主要包括雙入射桿和拉壓共用透射桿。本實(shí)用新型采用了簡便的磁阻式線圈多級發(fā)射裝置作為微型霍普金森桿系統(tǒng)的子彈驅(qū)動加載裝置，實(shí)現(xiàn)了由氣動驅(qū)動向電磁驅(qū)動的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動裝置的小型化和整體結(jié)構(gòu)的簡單化；將傳統(tǒng)的霍普金森壓桿和拉桿裝置通過微型三桿件系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)而有機(jī)地結(jié)合起來，真正實(shí)現(xiàn)了霍普金森桿裝置的拉壓一體化與微型化。
文檔編號G01N3/10GK202770702SQ201220500760
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者劉戰(zhàn)偉, 陳喜民, 呂新濤, 王一沛 申請人:北京理工大學(xué)