材料測試裝置與方法
2023-07-19 05:01:51
材料測試裝置與方法
【專利摘要】一種操作材料測試裝置的方法，包括通過以可變的測試頻率將脈動載荷施加於材料樣品而進行測試、在載荷的施加過程中測量樣品的溫度，並且基於測量到的溫度改變測試頻率，藉此，防止樣品在測試過程中超過預定的最大溫度。還提供相應的材料測試裝置。
【專利說明】材料測試裝置與方法
[0001]本發明涉及材料測試機與操作材料測試機的方法，並且尤其涉及疲勞測試領域與對測試過程中自生的樣品加熱的控制。
[0002]將材料測試機用於測試材料樣品或元件的物理特性。疲勞測試包括確定脈動(fluctuating)載荷之下的材料行為。典型地，將規定的平均載荷(其可以是零)與交變載荷應用於樣品，並且記錄產生故障需要的循環次數(疲勞壽命)。載荷例如可以通過扭轉、彎曲、剪切、摩擦或這些的任意組合軸向施加。
[0003]在機械地用機器測試材料樣品與試樣的過程中，通過在測試過程中施加的機械力與變形將能量給於樣品。部分該能量將其自身表現為樣品的自生熱。在循環疲勞測試中，以重複方式施加力與變形，並且能量吸收率大致與測試頻率成比例(即，測試頻率越快，樣品將變得越熱)。
[0004]在更高的測試頻率處，樣品上的自熱效應可以導致顯著的溫度升高。這是任意循環加載測試，包括使用偽隨機光譜波形的複雜循環加載或測試中的情況，無論以拉伸或扭轉等向樣品施加載荷。
[0005]同時，對於金屬樣品，通常能夠以相對較高的測試頻率實施這種疲勞測試，對於某些樣品材料類型，例如，塑料與複合材料，疲勞測試的自熱效應可以使得樣品溫度超過預定的測試限制(例如，複合材料中的樹脂可能超過其工作溫度)，這可以降低測試結果的有效性。
[0006]為解決這個問題，進行疲勞測試的操作者通常將測試頻率設置為保守值，對於該保守值，認為在測試過程中，工作溫度將不被超過。測試標準(例如，ISO標準、或由製造商或客戶設定的標準)可以規定在測試過程中不會被超過的最大溫度，或允許的最大溫度升高，並且操作者被要求限制疲勞測試頻率，從而自加熱不會引起該限制被超過。因此，會不必要延長測試的持續時間的保守的測試頻率被使用，這減少了機器上的測試量，並且增加每次測試的成本。在某些情況中，測試標準可以簡單地將最大測試頻率規定為防止樣品過熱的簡單與過度謹慎的方式。相關標準的例子為EN IS013003, ASTMD3479/D3479M 「用於聚合物基體複合材料的拉-拉疲勞的標準測試方法」(Standard TestMethod for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials)與 ASTMD7615/7615M 「用於聚合物基體複合材料層壓板的開孔疲勞響應的標準慣例」(StandardPractice for Open-Hole Fatigue Response of Polymer Matrix Composite Laminates)。
[0007]很多不同材料測試系統在現有技術中是已知的，包括設計用於在高溫或低溫測試樣品的測試系統。GB214，737公開用於測試材料樣品的方法與裝置，其中，在測試過程中，將樣品保持(hold)在液體腔內，並且通過調節經過腔室的液體流量而將樣品溫度保持恆定。
[0008]US2002/0170361A1公開一種裝置，該裝置用於測試材料對重複的剪切力的響應，其中，將材料樣品置於環境控制腔中，該環境控制腔具有加熱元件和製冷元件，並且使用PID控制系統，腔室可以被設定成期望的溫度，並且在整個測試過程中保持恆定溫度。
[0009]然而，這些系統依靠控制測試樣品周圍的環境溫度，這增加了裝置的複雜性。而且，如果相關的測試標準允許，這種還可以通過引入更冷的空氣或使用風扇而實現的強制冷卻僅可以用於限制樣品加熱。並不總是這種情況，因為強制冷卻改變測試環境，並且某些測試標準規定了不進行冷卻的測試條件。此外，強制冷卻橫跨樣品產生較大的溫度梯度，使得估計真實的樣品溫度變得更困難。因此理想的是，提供一種測試裝置與方法，通過該裝置及方法，通過控制樣品的自熱，而不需要控制樣品周圍的環境的溫度的情況下，可以在樣品溫度不超過特定溫度限制的情況下，將測試時間最小化，將測試量最大化。
[0010]本發明提供一種方法與裝置，藉此，可以自動地調節測試頻率，以便在維持規定的循環載荷或壓力的同時縮減測試時間，而不超過規定的樣品工作溫度。優選地，本發明布置成在最短的可能時間進行測試，即，主動地(actively)控制測試頻率，以最小化測試時間。
[0011]尤 其，本發明提供如權利要求1所述的操作材料測試裝置的方法。根據本發明，本方法包括通過以可變測試頻率將脈動載荷施加至材料樣品而進行測試，在載荷的施加過程中測量樣品的溫度，並且基於測量到的溫度改變測試頻率，以便防止樣品在測試過程中超過預定的最大溫度。典型地，測試持續直至發生樣品的故障，或載荷循環被執行規定次數。優選地，以以下方式改變測試頻率測試:最小化用於完成測試的時間而在測試過程中樣品不超過最大溫度。
[0012]優選地，該方法包括使用反饋控制迴路，並且將測量到的樣品溫度供應至控制器，其基於測量到的樣品溫度控制測試頻率。在測試過程中(即，在載荷的施加過程中)可以通過使用樣品頻率的比例-積分控制，基於測量到的樣品溫度，或通過使用比例-積分-微分控制或其他相關類型的控制改變樣品頻率。以這種方式，在測試過程中可以最大化頻率，以使得樣品溫度緊密地跟隨目標溫度，而不超過任何給定的溫度限制。
[0013]儘管要求的控制迴路參數可以由操作者選擇，在一個實施例中，本發明提供控制迴路的自動自適應調節，從而最少化操作者輸入，並且最大化控制參數的有效性。
[0014]通過使用有效的控制系統，以響應於樣品溫度控制測試頻率，通過將平均溫度保持為更加靠近理想目標溫度，測試時間被縮減很多，並且避免溫度的大幅度搖擺，這種溫度的大幅度搖擺可能加劇材料疲勞。
[0015]在另一方面中，本發明提供一種材料測試裝置，其包括用於以可變的測試頻率將脈動載荷施加於材料樣品的致動器，用於在載荷的施加過程中測量樣品溫度的裝置，以及用於基於測量到的溫度改變測試頻率以便防止樣品在測試過程中超過預定的最大溫度的
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[0016]現將通過例子，參照附圖描述本發明的實施例，其中:
[0017]圖1示意性地示出了用於實施根據本發明的第一實施例的方法的材料測試系統，其具有對反饋控制的固定調節(fixed tuning)；
[0018]圖2示意性地示出了根據本發明的又一實施例的材料測試系統，包括根據測量到的環境溫度對反饋控制增益的自適應調節；以及
[0019]圖3示意性地示出了包括使用假定的(固定的)環境溫度，根據可替換地布置對反饋控制增益的自適應調節的實施例。
[0020]在傳統材料測試機中，基於規定的測試參數，或命令變量，例如位移、載荷或應變，致動器將載荷施加至樣品測試。在疲勞測試中，將脈衝載荷以規定的測試測試頻率施加於樣品。將要求的測試頻率輸入至波形發生器，波形發生器生成所要求的控制信號，用於根據命令變量驅動致動器。為了實際施加至樣品的載荷完美符合(closely follow)所期望的載荷模式(pattern)，典型地，反饋控制被用於最小化命令變量與測量值之間的誤差，並且誤差被提供至驅動致動器的控制器。
[0021]在典型的疲勞測試中，基於規定的測試標準或已知的足夠低的值，操作者將測試頻率設定為合適的值，以便不會引起樣品在測試過程中過熱。在以上兩種的任何情況中，典型地，將測試頻率設置為保守值，尤其當測試複合材料時，因為如果樣品溫度超過材料的工作限制，則將有損測試結果。
[0022]本發明目標在於通過以下方式在不超過規定的樣品工作溫度的情況下，增加測試裝置的測試量:通過在測試過程中監控樣品的溫度，並且通過將樣品溫度保持在可接受的限制內的方式來控制樣品的循環加載的頻率。換句話說，通過調節測試頻率控制樣品的溫度。
[0023]圖1示例了根據本發明的一個實施例的測試測試裝置，包括用於響應於探測到的樣品溫度調節測試頻率的控制系統。在該實施例中，裝置包括傳統疲勞測試系統的元件，包括用於根據由波形發生器106生成的命令信號將循環載荷施加至樣品104的致動器102，該波形發生器106具有期望的測試頻率作為輸入。如上所述，經由合適的信號調整(condition) 108，在控制迴路中測量並且反饋施加至樣品的實際力，並且命令的值與測量到的值之間的差值被提供至控制器110，控制器110生成致動器的驅動信號。這些傳統特徵總地在虛線100中示出。在一個實施例中，雖然可以使用其他控制器，控制器110為比例積分微分延遲(PIDL)控制器。應該知道的是，可使用位置而不是載荷作為控制參數來運行疲勞測試。在這種情況下，藉助於任意要求的位置信號調整(condition)位置被測量，並且位置被反饋至控制器110。
[0024]為了根據本發明控制樣品的溫度，裝置包括外部迴路控制系統，其包括用於測量樣品溫度2的裝置、用於比較測量到的溫度與目標溫度6以產生溫度誤差值的裝置4，以及控制器8，控制器8用於接收溫度誤差值、基於溫度誤差確定要求的測試頻率、並且將輸出提供至波形發生器106，以相應地調節測試頻率。提供溫度控制函數作為外部迴路控制系統的好處之一就在於其可以對現有的測試系統翻新，現有的測試系統可以對應於由100表示的特徵。
[0025]裝置可以為操作者提供輸入最大樣品溫度和/或最大測試頻率10的能力，或替換地這些參數可以被生成或輸入至系統，而不是由操作者提供。這些最大值典型地用於確保測試沒有超過合適的操作限制。如果樣品達到規定的最大溫度，這通常表示控制沒有充分起作用，並且測試應當停止。最大頻率典型地為測試機的規定的最大操作限制，並且能夠以該頻率無限地連續測試。作為對最大頻率的替換，可以優選地規定最大應變率，可以根據最大應變率自動獲得最大測試頻率。
[0026]現將參照圖1描述溫度控制系統的操作。在圖1中所示的控制器8由已知類型的比例與積分(PI)控制器構成，其在以下變量下操作:
[0027]-工藝參數(PV)為樣品溫度
[0028]-操縱量(MV)為測試頻率
[0029]-設定點(SP)為目標樣品溫度
[0030]-誤差(e)= SP-PV
[0031]在其他實施例中，控制器可以是比例-積分-微分(PID)控制器，或可以使用比例、積分與微分控制的其他組合，例如PD、P或I控制器。任意這種控制器及對本領域技術人員而言明顯的合適的修改可以在以下描述的任意實施例中使用。
[0032]在示例的實施例中，PI控制器為這樣的形式:
[0033]
【權利要求】
1.一種操作材料測試裝置的方法，包括通過將脈動載荷以可變的測試頻率施加於材料樣品而進行測試，在施加載荷的過程中測量所述樣品的溫度，並且基於測量到的溫度改變所述測試頻率，藉此，防止所述樣品在所述測試過程中超過預定的最大溫度。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括比較所述測量到的樣品溫度與規定的目標溫度，以確定溫度誤差，並且基於所述確定的溫度誤差控制所述測試頻率。
3.根據權利要求2所述的方法，進一步包括在開始所述測試之前規定測試頻率控制增益。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，在開始所述測試之前使用由使用者規定的模型參數，基於所述樣品的熱模型計算所述控制增益。
5.根據權利要求2所述的方法，進一步包括通過在所述測試過程中連續計算測試頻率控制增益而提供所述測試頻率控制的自適應調節。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，使用在所述測試過程中估算的模型參數，基於所述樣品的熱模型計算所述控制增益。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，基於所述樣品的加熱與冷卻係數而計算所述控制增益。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，加熱速度與所述加熱係數成比例，並且與所述測試頻率成比例，冷卻速度與所述冷卻係數成比例，並且與所述樣品溫度與所述環境溫度之間的差值成比例。
9.根據權利要求8所述的方法，進一步包括測量所述環境溫度或確定環境溫度的假定值。
10.根據權利要求4或6至9中任一項所述的方法，其中，在所述樣品表面處測量所述樣品溫度，並且所述熱模型基於所述測量到的表面溫度以及所述樣品的熱參數估算所述樣品的所述內部溫度。
11.根據權利要求5至10中任一項所述的方法，其中，在所述測試開始之前，將所述控制增益初始化為零，並且在所述測試過程中，使用指數移動平均濾波器過濾所述計算得到的控制增益。
12.根據權利要求3至11中任一項所述的方法，其中，所述控制增益包括比例與積分控制增益。
13.根據前述任意權利要求所述的方法，其中，基於測量到的最大樣品溫度改變所述測試頻率，所述測量到的最大樣品溫度從橫跨所述樣品的不同位置確定。
14.根據前述任意權利要求所述的方法，進一步包括在所述測試過程中確定測量到的樣品溫度的改變速度，並且僅在一旦在所述測試開始之後確定樣品溫度改變速度降低，基於所述測量到的樣品溫度改變所述測試頻率。
15.根據前述任意權利要求所述的方法，進一步包括如果探測到錯誤狀態，中斷所述測試。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，使用提供溫度信號的傳感器測量所述樣品溫度，並且基於所述測量到的樣品溫度的突然下降或所述測量到的溫度信號的中斷探測到錯誤狀態。
17.根據前述任意權利要求所述的方法，其中，由規定次數的載荷循環或由樣品故障確定所述測試的持續時間，並且在所述測試過程中以最小化所述測試持續時間而樣品在所述測試過程中不超過所述最大溫度的方式改變所述測試頻率測試。
18.—種材料測試裝置，包括用於以可變測試頻率將脈動載荷施加於材料樣品的致動器、用於在載荷的施加過程中測量所述樣品的所述溫度的裝置，以及用於基於所述測量到的溫度改變所述測試頻率，藉此，防止所述樣品在載荷的施加過程中超過預定的最大溫度的裝置。
19.根據權利要求18所述的裝置，進一步包括控制器，所述控制器用於基於所述測量到的樣品溫度與規定的目標溫度之間的差值，提供表示目標測試頻率的控制信號，用於控制器所述致動器。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中，將所述控制器被布置成使用預定的控制增益生成所述目標測試頻率信號。
21.根據權利要求20所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基於所述樣品的熱模型，使用由使用者規定的模型參數，在將載荷施加於所述樣品之前計算所述控制增益。
22.根據權利要求19所述的裝置，其中，將所述控制器布置成在載荷施加的過程中，連續計算控制增益，用於所述目標測試頻率信號的生成。
23.根據權利要求22所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基於所述樣品的熱模型，使用在所述測試過程中估算的模型參數計算所述控制增益。
24.根據權利要 求23所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基於所述樣品的加熱與冷卻係數計算所述控制增益。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中，加熱速度與所述加熱係數成比例，並且與所述測試頻率成比例，冷卻速度與所述冷卻係數成比例，並且與所述樣品溫度與所述環境溫度之間的差值成比例。
26.根據權利要求25所述的裝置，進一步包括用於測量所述環境溫度的裝置或用於將預先確定的環境溫度的值提供至所述控制器的裝置。
27.根據權利要求21或23至26中任一項所述的裝置，將所述樣品溫度測量裝置布置成測量所述樣品表面處的所述樣品溫度，並且將所述熱模型布置成基於所述測量到的表面溫度與所述樣品的熱參數估算所述樣品的所述內部溫度。
28.根據權利要求22至27中任一項所述的裝置，其中，將所述控制器布置成在施加載荷之前，將所述控制增益初始化為零，以及在載荷的施加過程中，使用指數移動平均濾波器過濾所述計算得到的控制增益。
29.根據權利要求20至28中任一項所述的裝置，其中，所述控制增益包括比例與積分控制增益。
30.根據權利要求18至29中任一項所述的裝置，其中，將所述測試頻率改變裝置布置成基於測量到的最大樣品溫度改變所述測試頻率，所述測量到的最大樣品溫度從橫跨所述樣品的不同位置確定。
31.根據權利要求19至30中任一項所述的裝置，其中，將所述控制器布置成在載荷的施加過程中確定測量到的樣品溫度的改變速度，並且僅在一旦在初次向所述樣品施加載荷之後確定樣品溫度的改變速度下降，基於所述測量到的樣品溫度改變所述測試頻率。
32.根據權利要求19至31中任一項所述的裝置，其中，將所述控制器布置成如果探測到錯誤狀態，中斷載荷的施加。
33.根據權利要求32所述的裝置，包括用於將表示所述測量到的樣品溫度的信號提供至所述控制器的裝置，其中，將所述控制器布置成基於所述測量到的樣品溫度的突然下降或所述測量到的溫度信號的中斷探測錯誤狀態。
34.一種用於控制材料測試裝置的控制系統，所述材料測試裝置布置成以可變的測試頻率將脈動載荷施加於材料樣品，所述控制系統包括用於在載荷的施加過程中測量所述樣品的所述溫度的裝置，以及用於提供控制所述測試頻率的控制信號的控制器，將所述控制系統布置成根據權利要求1至17中任一項所述的方法操作所述材料測試裝置。
35.一種操作材料測試裝置的方法，基本上如上參照附圖所描述的。
36.一種材料測 試裝置，基本上如上參照附圖所描述的。
37.一種控制系統，基本上如上參照附圖所描述的。
【文檔編號】G01N3/32GK104011525SQ201280063386
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2011年12月21日
【發明者】史蒂文·R.·斯誇爾斯, 班傑明·P.·傑普森, 安德魯·約翰·史密斯 申請人:伊利諾斯工具製品有限公司