基于電磁力加載的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，特別是涉及一種基于電磁力加載的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]工程應(yīng)用中，材料變形的應(yīng)變率因?yàn)椴牧戏郗h(huán)境的復(fù)雜性而存在巨大差異，不同的應(yīng)變率范圍內(nèi)材料的力學(xué)行為往往不同，這就需要對(duì)不同應(yīng)變率范圍內(nèi)材料的力學(xué)行為進(jìn)行研宄。目前，分離式霍普金森壓桿技術(shù)(SHPB)已被廣泛應(yīng)用于材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測試。但是在SHPB技術(shù)中，廣泛利用空氣炮撞擊短桿，使其高速射出以產(chǎn)生入射波，此方法的不足在于:空氣具有可壓縮性，撞擊短桿發(fā)射速度和氣壓關(guān)系不能準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致試樣應(yīng)變率無法精確控制；在相同設(shè)置條件下，獲得的入射波波幅將不完全一致，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差；撞擊桿的發(fā)射速度存在下限，許多工程實(shí)踐中的低應(yīng)變率環(huán)境不能通過傳統(tǒng)的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)得到；高應(yīng)變率環(huán)境下，要求撞擊桿尺寸大且發(fā)射速度高，因此同一臺(tái)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置無法同時(shí)滿足應(yīng)變率跨度過大的實(shí)驗(yàn)。
[0003]電磁鉚接產(chǎn)生的應(yīng)力波是一種可控性能優(yōu)越的加載波，具有脈沖寬度可調(diào)、加載應(yīng)變率跨度大、脈沖幅值控制精準(zhǔn)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]文獻(xiàn)“授權(quán)公告號(hào)是CN2865927Y的中國實(shí)用新型專利”公開了一種低壓電磁鉚接設(shè)備的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括模擬控制部分、數(shù)字控制部分、數(shù)字顯示部分。其中，模擬控制部分主要控制晶閘管以控制充放電；數(shù)字控制部分由西門子PLC及擴(kuò)展模塊組成，主要控制電容充電電壓；數(shù)字顯示部分主要由西門子文本顯示器組成，用于顯示人機(jī)交換過程。該控制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基于電磁力的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力波加載，但該控制系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)基于電磁力的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化控制，其中，該控制系統(tǒng)電容量是固定的，實(shí)驗(yàn)過程中需要人工拆卸以改變電容量，從而改變應(yīng)力波脈沖寬度；該控制系統(tǒng)需要人工拆卸以切換單軸或雙軸加載方式，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加載；該控制系統(tǒng)人工拆卸操作時(shí)，需要斷電操作以保障實(shí)驗(yàn)人員的人身安全；該控制系統(tǒng)電容充電電壓在1000V以下，應(yīng)力波脈沖幅值難以滿足實(shí)驗(yàn)要求。因此，采用該控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)周期長，安全性差，系統(tǒng)的可靠性低，難以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有控制系統(tǒng)可靠性低的不足，本發(fā)明提供一種基于電磁力加載的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括人機(jī)交互控制單元、電容量調(diào)節(jié)控制單元、加載方式控制單元、放電線圈溫度控制單元、電容充電控制單元、電容放電控制單元、泄流控制單元、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集控制單元和安全控制單元。所述人機(jī)交互控制單元用于控制實(shí)驗(yàn)過程；所述電容量調(diào)節(jié)控制單元、加載方式控制單元、放電線圈溫度控制單元分別用于調(diào)節(jié)電容量、選擇不同的加載方式、控制放電線圈溫度；所述電容充電控制單元、電容放電控制單元、泄流控制單元分別用于控制應(yīng)力波脈沖幅值、產(chǎn)生應(yīng)力波脈沖、電容器組泄流；所述安全控制單元用于保證實(shí)驗(yàn)人員的生命安全。與【背景技術(shù)】低壓電磁鉚接設(shè)備的鉚接控制系統(tǒng)相比較，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基于電磁力加載的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化控制，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于電磁力加載的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是包括人機(jī)交互控制單元、電容量調(diào)節(jié)控制單元、加載方式控制單元、放電線圈溫度控制單元、電容充電控制單元、電容放電控制單元、泄流控制單元、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集控制單元和安全控制單元。
[0007]人機(jī)交互控制單元由計(jì)算機(jī)、HMI設(shè)備、可編程控制器及模擬量I/O模塊構(gòu)成，三者通過以太網(wǎng)通信接口相互連接，用于控制實(shí)驗(yàn)過程，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，處理、顯示及保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0008]電容量調(diào)節(jié)控制單元由電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器、脈沖電容器及真空交流接觸器構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)電容量，以此控制應(yīng)力波脈沖寬度?？删幊炭刂破髋c電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器、電容充電主電路順次連接。
[0009]加載方式控制單元由加載方式觸發(fā)器、單軸接觸器及雙軸接觸器構(gòu)成，用于控制霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)單/雙軸不同的加載方式?？删幊炭刂破髋c加載方式觸發(fā)器、電容放電主電路順次連接。
[0010]放電線圈溫度控制單元由流量控制器、溫度傳感器、空氣流量計(jì)構(gòu)成，用于控制放電線圈溫度，保證相同情況下應(yīng)力波脈沖的一致性?？删幊炭刂破髋c模擬量I/o模塊、流量控制器、應(yīng)力波發(fā)生器、溫度變送器/空氣流量計(jì)、模擬量I/O模塊順次連接形成回路，壓縮空氣與流量控制器、應(yīng)力波發(fā)生器順次連接。
[0011 ] 電容充電控制單元由充電觸發(fā)器、電容充電主電路、電壓變送器、電流變送器構(gòu)成，用于控制應(yīng)力波脈沖幅值。可編程控制器與模擬量I/o模塊、充電觸發(fā)器、電容充電主電路、電壓變送器/電流變送器、模擬量I/o模塊順次連接形成回路。
[0012]電容放電控制單元由放電觸發(fā)器、電容放電主電路、電壓傳感器、應(yīng)力波發(fā)生器構(gòu)成，用于產(chǎn)生應(yīng)力波脈沖?？删幊炭刂破髋c放電觸發(fā)器、電容放電主電路、電壓傳感器、模擬量I/o模塊順次連接形成回路，電容放電主電路、應(yīng)力波發(fā)生器順次連接。
[0013]泄流控制單元由泄流觸發(fā)器、泄流接觸器構(gòu)成，用于釋放脈沖電容器組中儲(chǔ)存的能量。可編程控制器與泄流觸發(fā)器、電容放電主電路、電壓傳感器、模擬量I/o模塊順次連接形成回路。
[0014]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集控制單元由應(yīng)力波發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、Rogowski線圈、積分器、電阻應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和高速數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，用于測量脈沖電容器組放電電流大小和材料的應(yīng)變率大小。應(yīng)力波發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)順次連接，實(shí)驗(yàn)臺(tái)、Rogowski線圈、積分器、高速數(shù)據(jù)采集器順次連接，實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電阻應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、高速數(shù)據(jù)采集器順次連接，高速數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)通過USB接口相互連接。
[0015]安全控制單元由充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器、安全監(jiān)控器構(gòu)成，用于保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器分別與可編程控制器連接，電容充電主回路、電容放電主回路、實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別于安全監(jiān)控器連接，安全監(jiān)控器、可編程控制器順次連接。
[0016]所述計(jì)算機(jī)、HMI設(shè)備及可編程控制器構(gòu)成人機(jī)交互控制單元，通過以太網(wǎng)相互連接，用于控制實(shí)驗(yàn)過程，處理、顯示及保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0017]所述充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器、安全監(jiān)控器構(gòu)成安全控制單元，用于顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器分別與可編程控制器連接，電容充電主回路、電容放電主回路、實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別于安全監(jiān)控器連接，安全監(jiān)控器、可編程控制器順次連接。
[0018]電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器、真空交流接觸器Jl?J7、脈沖電容器Cl?C3構(gòu)成電容量調(diào)節(jié)控制單元?？删幊炭刂破髋c電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器、真空交流接觸器Jl?J7、脈沖電容器Cl?C3順次連接?？删幊炭刂破魍ㄟ^輸出端子輸出控制信號(hào)至電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器，電容量調(diào)節(jié)觸發(fā)器控制對(duì)應(yīng)的交流接觸器使之閉合，脈沖電容器Cl?C3與真空交流接觸器Jl?J7相互組合構(gòu)成不同電容量的脈沖電容器組C4。
[0019]變壓器TM1、整流晶閘管Ml?M2、限流電阻R1、濾波電感L1、脈沖電容器組C4、整流二極管Dl?D2順次連接形成回路構(gòu)成電容充電主回路，電壓表與電壓變送器TVl均并聯(lián)在脈沖電容器組兩端，電流變送器TAl連接在脈沖電容器組C4與整流二極管Dl?D2之間。充電觸發(fā)器、電容充電主電路、電壓變送器TVl、電流變送器TAl構(gòu)成電容充電控制單元?？删幊炭刂破髋c模擬量I/O模塊、充電觸發(fā)器、電容充電主電路、電壓變送器/電流變送器、模擬量I/O模塊順次連接形成回路?？删幊炭刂破魍ㄟ^模擬量I/O模塊、充電觸發(fā)器控制整流晶閘管Ml?M2的通斷，從而對(duì)脈沖電容器組C4進(jìn)行充電或停止充電。電容充電控制單元利用專家自整定串級(jí)PID控制器。
[0020]加載方式觸發(fā)器、雙軸加載接觸器J9、單軸加載接觸器J10、構(gòu)成加載方式控制單元?？删幊炭刂破髋c加載方式觸發(fā)器、放電主回路順次連接。雙軸加載接觸器J9分別于放電晶閘管M3、縱向放電線圈3連接，單軸加載接觸器JlO —端與放電晶閘管M3連接，另一端分別與縱向放電線圈3、橫向放電線圈8連接?？删幊炭刂破魍ㄟ^輸出端子輸出控制信號(hào)至加載方式觸發(fā)器；加載方式觸發(fā)器控制雙軸加載接觸器J9或單軸加載接觸器JlO使之閉入口 ο
[0021]縱向溫度變送器STl的測量端與縱向放電線圈3緊密貼合，橫向溫度變送器ST2的測量端與橫向放電線圈8緊密貼合。所述的流量控制器、縱向溫度變送器ST1、橫向溫度變送器ST2、空氣流量計(jì)構(gòu)成放電線圈溫度控制單元?？删幊炭刂破髋c模擬量I/O模塊、流量控制器、放電主回路、縱向溫度變送器STl/橫向溫度變送器ST2/空氣流量計(jì)、模擬量I/O模塊順次連接形成回路?？删幊炭刂破魍ㄟ^模擬量I/O模塊輸出控制信號(hào)對(duì)流量控制器進(jìn)行控制，流量控制器根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)氣壓閥門的大小，從而控制縱向放電線圈3和橫向放電線圈8的溫度。
[0022]當(dāng)雙軸加載時(shí)，脈沖電容器組C4、放電晶閘管M3、雙軸加載接觸器J9、縱向放電線圈3、橫向放電線圈8、放電電阻R3順次連接形成回路構(gòu)成電容放電主回路，在脈沖電容器組C4兩端并入續(xù)流二極管D3。