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于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，并且基于測量到的溫度改變測試頻率，借此，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(fā)明涉及材料測試機與操作材料測試機的方法，并且尤其涉及疲勞測試領(lǐng)域與對測試過程中自生的樣品加熱的控制。
[0002]將材料測試機用于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(guī)定的平均載荷(其可以是零)與交變載荷應用于樣品，并且記錄產(chǎn)生故障需要的循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)。載荷例如可以通過扭轉(zhuǎn)、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于樣品。部分該能量將其自身表現(xiàn)為樣品的自生熱。在循環(huán)疲勞測試中，以重復方式施加力與變形，并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(huán)加載測試，包括使用偽隨機光譜波形的復雜循環(huán)加載或測試中的情況，無論以拉伸或扭轉(zhuǎn)等向樣品施加載荷。
[0005]同時，對于金屬樣品，通常能夠以相對較高的測試頻率實施這種疲勞測試，對于某些樣品材料類型，例如，塑料與復合材料，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，復合材料中的樹脂可能超過其工作溫度)，這可以降低測試結(jié)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(shè)置為保守值，對于該保守值，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、或由制造商或客戶設(shè)定的標準)可以規(guī)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，并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(xù)時間的保守的測試頻率被使用，這減少了機器上的測試量，并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(guī)定為防止樣品過熱的簡單與過度謹慎的方式。相關(guān)標準的例子為EN IS013003, ASTMD3479/D3479M “用于聚合物基體復合材料的拉-拉疲勞的標準測試方法”(Standard TestMethod for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials)與 ASTMD7615/7615M “用于聚合物基體復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(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，包括設(shè)計用于在高溫或低溫測試樣品的測試系統(tǒng)。GB214，737公開用于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(nèi)，并且通過調(diào)節(jié)經(jīng)過腔室的液體流量而將樣品溫度保持恒定。
[0008]US2002/0170361A1公開一種裝置，該裝置用于測試材料對重復的剪切力的響應，其中，將材料樣品置于環(huán)境控制腔中，該環(huán)境控制腔具有加熱元件和制冷元件，并且使用PID控制系統(tǒng)，腔室可以被設(shè)定成期望的溫度，并且在整個測試過程中保持恒定溫度。
[0009]然而，這些系統(tǒng)依靠控制測試樣品周圍的環(huán)境溫度，這增加了裝置的復雜性。而且，如果相關(guān)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(xiàn)的強制冷卻僅可以用于限制樣品加熱。并不總是這種情況，因為強制冷卻改變測試環(huán)境，并且某些測試標準規(guī)定了不進行冷卻的測試條件。此外，強制冷卻橫跨樣品產(chǎn)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(huán)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(fā)明提供一種方法與裝置，借此，可以自動地調(diào)節(jié)測試頻率，以便在維持規(guī)定的循環(huán)載荷或壓力的同時縮減測試時間，而不超過規(guī)定的樣品工作溫度。優(yōu)選地，本發(fā)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(fā)明提供如權(quán)利要求1所述的操作材料測試裝置的方法。根據(jù)本發(fā)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，并且基于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(xù)直至發(fā)生樣品的故障，或載荷循環(huán)被執(zhí)行規(guī)定次數(shù)。優(yōu)選地，以以下方式改變測試頻率測試:最小化用于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(yōu)選地，該方法包括使用反饋控制回路，并且將測量到的樣品溫度供應至控制器，其基于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，基于測量到的樣品溫度，或通過使用比例-積分-微分控制或其他相關(guān)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]盡管要求的控制回路參數(shù)可以由操作者選擇，在一個實施例中，本發(fā)明提供控制回路的自動自適應調(diào)節(jié)，從而最少化操作者輸入，并且最大化控制參數(shù)的有效性。
[0014]通過使用有效的控制系統(tǒng)，以響應于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，并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(fā)明提供一種材料測試裝置，其包括用于以可變的測試頻率將脈動載荷施加于材料樣品的致動器，用于在載荷的施加過程中測量樣品溫度的裝置，以及用于基于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(xiàn)將通過例子，參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0017]圖1示意性地示出了用于實施根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的方法的材料測試系統(tǒng)，其具有對反饋控制的固定調(diào)節(jié)(fixed tuning)；
[0018]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的材料測試系統(tǒng)，包括根據(jù)測量到的環(huán)境溫度對反饋控制增益的自適應調(diào)節(jié)；以及
[0019]圖3示意性地示出了包括使用假定的(固定的)環(huán)境溫度，根據(jù)可替換地布置對反饋控制增益的自適應調(diào)節(jié)的實施例。
[0020]在傳統(tǒng)材料測試機中，基于規(guī)定的測試參數(shù)，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，將脈沖載荷以規(guī)定的測試測試頻率施加于樣品。將要求的測試頻率輸入至波形發(fā)生器，波形發(fā)生器生成所要求的控制信號，用于根據(jù)命令變量驅(qū)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，反饋控制被用于最小化命令變量與測量值之間的誤差，并且誤差被提供至驅(qū)動致動器的控制器。
[0021]在典型的疲勞測試中，基于規(guī)定的測試標準或已知的足夠低的值，操作者將測試頻率設(shè)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(shè)置為保守值，尤其當測試復合材料時，因為如果樣品溫度超過材料的工作限制，則將有損測試結(jié)果。
[0022]本發(fā)明目標在于通過以下方式在不超過規(guī)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(jiān)控樣品的溫度，并且通過將樣品溫度保持在可接受的限制內(nèi)的方式來控制樣品的循環(huán)加載的頻率。換句話說，通過調(diào)節(jié)測試頻率控制樣品的溫度。
[0023]圖1示例了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測試測試裝置，包括用于響應于探測到的樣品溫度調(diào)節(jié)測試頻率的控制系統(tǒng)。在該實施例中，裝置包括傳統(tǒng)疲勞測試系統(tǒng)的元件，包括用于根據(jù)由波形發(fā)生器106生成的命令信號將循環(huán)載荷施加至樣品104的致動器102，該波形發(fā)生器106具有期望的測試頻率作為輸入。如上所述，經(jīng)由合適的信號調(diào)整(condition) 108，在控制回路中測量并且反饋施加至樣品的實際力，并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(qū)動信號。這些傳統(tǒng)特征總地在虛線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(shù)來運行疲勞測試。在這種情況下，借助于任意要求的位置信號調(diào)整(condition)位置被測量，并且位置被反饋至控制器110。
[0024]為了根據(jù)本發(fā)明控制樣品的溫度，裝置包括外部回路控制系統(tǒng)，其包括用于測量樣品溫度2的裝置、用于比較測量到的溫度與目標溫度6以產(chǎn)生溫度誤差值的裝置4，以及控制器8，控制器8用于接收溫度誤差值、基于溫度誤差確定要求的測試頻率、并且將輸出提供至波形發(fā)生器106，以相應地調(diào)節(jié)測試頻率。提供溫度控制函數(shù)作為外部回路控制系統(tǒng)的好處之一就在于其可以對現(xiàn)有的測試系統(tǒng)翻新，現(xiàn)有的測試系統(tǒng)可以對應于由100表示的特征。
[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(shù)可以被生成或輸入至系統(tǒng)，而不是由操作者提供。這些最大值典型地用于確保測試沒有超過合適的操作限制。如果樣品達到規(guī)定的最大溫度，這通常表示控制沒有充分起作用，并且測試應當停止。最大頻率典型地為測試機的規(guī)定的最大操作限制，并且能夠以該頻率無限地連續(xù)測試。作為對最大頻率的替換，可以優(yōu)選地規(guī)定最大應變率，可以根據(jù)最大應變率自動獲得最大測試頻率。
[0026]現(xiàn)將參照圖1描述溫度控制系統(tǒng)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(gòu)成，其在以下變量下操作:
[0027]-工藝參數(shù)(PV)為樣品溫度
[0028]-操縱量(MV)為測試頻率
[0029]-設(shè)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(lǐng)域技術(shù)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(quán)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于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，并且基于測量到的溫度改變所述測試頻率，借此，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(jù)權(quán)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(guī)定的目標溫度，以確定溫度誤差，并且基于所述確定的溫度誤差控制所述測試頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括在開始所述測試之前規(guī)定測試頻率控制增益。
4.根據(jù)權(quán)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(guī)定的模型參數(shù)，基于所述樣品的熱模型計算所述控制增益。
5.根據(jù)權(quán)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(xù)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(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)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(shù)，基于所述樣品的熱模型計算所述控制增益。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，基于所述樣品的加熱與冷卻系數(shù)而計算所述控制增益。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，加熱速度與所述加熱系數(shù)成比例，并且與所述測試頻率成比例，冷卻速度與所述冷卻系數(shù)成比例，并且與所述樣品溫度與所述環(huán)境溫度之間的差值成比例。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括測量所述環(huán)境溫度或確定環(huán)境溫度的假定值。
10.根據(jù)權(quán)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，并且所述熱模型基于所述測量到的表面溫度以及所述樣品的熱參數(shù)估算所述樣品的所述內(nèi)部溫度。
11.根據(jù)權(quán)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，并且在所述測試過程中，使用指數(shù)移動平均濾波器過濾所述計算得到的控制增益。
12.根據(jù)權(quán)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(jù)前述任意權(quán)利要求所述的方法，其中，基于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(jù)前述任意權(quán)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，并且僅在一旦在所述測試開始之后確定樣品溫度改變速度降低，基于所述測量到的樣品溫度改變所述測試頻率。
15.根據(jù)前述任意權(quán)利要求所述的方法，進一步包括如果探測到錯誤狀態(tài)，中斷所述測試。
16.根據(jù)權(quán)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，并且基于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(tài)。
17.根據(jù)前述任意權(quán)利要求所述的方法，其中，由規(guī)定次數(shù)的載荷循環(huán)或由樣品故障確定所述測試的持續(xù)時間，并且在所述測試過程中以最小化所述測試持續(xù)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，包括用于以可變測試頻率將脈動載荷施加于材料樣品的致動器、用于在載荷的施加過程中測量所述樣品的所述溫度的裝置，以及用于基于所述測量到的溫度改變所述測試頻率，借此，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(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，進一步包括控制器，所述控制器用于基于所述測量到的樣品溫度與規(guī)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，用于控制器所述致動器。
20.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基于所述樣品的熱模型，使用由使用者規(guī)定的模型參數(shù)，在將載荷施加于所述樣品之前計算所述控制增益。
22.根據(jù)權(quán)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(xù)計算控制增益，用于所述目標測試頻率信號的生成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基于所述樣品的熱模型，使用在所述測試過程中估算的模型參數(shù)計算所述控制增益。
24.根據(jù)權(quán)利要 求23所述的裝置，其中，將所述控制器布置成基于所述樣品的加熱與冷卻系數(shù)計算所述控制增益。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中，加熱速度與所述加熱系數(shù)成比例，并且與所述測試頻率成比例，冷卻速度與所述冷卻系數(shù)成比例，并且與所述樣品溫度與所述環(huán)境溫度之間的差值成比例。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，進一步包括用于測量所述環(huán)境溫度的裝置或用于將預先確定的環(huán)境溫度的值提供至所述控制器的裝置。
27.根據(jù)權(quán)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，并且將所述熱模型布置成基于所述測量到的表面溫度與所述樣品的熱參數(shù)估算所述樣品的所述內(nèi)部溫度。
28.根據(jù)權(quán)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(shù)移動平均濾波器過濾所述計算得到的控制增益。
29.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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于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(jù)權(quán)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，并且僅在一旦在初次向所述樣品施加載荷之后確定樣品溫度的改變速度下降，基于所述測量到的樣品溫度改變所述測試頻率。
32.根據(jù)權(quán)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(tài)，中斷載荷的施加。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，包括用于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于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(tài)。
34.一種用于控制材料測試裝置的控制系統(tǒng)，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于材料樣品，所述控制系統(tǒng)包括用于在載荷的施加過程中測量所述樣品的所述溫度的裝置，以及用于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(tǒng)布置成根據(jù)權(quán)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(tǒng)，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(yōu)先權(quán)日:2011年12月21日
【發(fā)明者】史蒂文·R.·斯夸爾斯, 本杰明·P.·杰普森, 安德魯·約翰·史密斯 申請人:伊利諾斯工具制品有限公司