[发明专利]一种中子原位力学加载系统

说明书

技术领域

本发明涉及中子衍射结合应力加载环境下，材料结构与性能的原位测量控制技术，具体涉及一种中子原位力学加载系统及批命令自动控制方法。

背景技术

原位力学加载装置配合中子散（衍）射谱仪使用，可用于对研究材料进行力学加载，进一步通过中子衍射分析技术分析材料的微观结构变化，获得材料微观结构变化与外部力学加载环境的关系。一般中子原位力学加载实验采用分步进行，针对不同样品材料的力学特性选择数个应变或应力特征点，利用原位力学加载装置带动样品到一个特征点后使用中子散（衍）射谱仪进行中子测量。一个特征点测量结束后到下一步测量的切换操作大多采用中子计数达到某一值作为触发条件，不同材料的单步测量时间为半小时到几个小时不等。同时，由于中子束线成本昂贵，中子原位实验对设备的测量精度、可靠性、稳定性要求很高。

目前，国外（如INSTRON、MTS、ZWICK等品牌）的拉伸压缩产品具有精度高、稳定性好，但由于装置尺寸、重量等因素无法直接应用于中子原位测量。而国内自研力学加载装置用于中子原位实验测量主要存在以下问题：（1）中子原位力学加载衍射实验具有步骤多、时间长的特点，由谱仪系统和力学加载装置配合完成，若使用普通力学加载装置则需要实验人员全程参与，完成多个特征点的切换操作，给实验人员带来了巨大的劳动强度，同时也引入了误操作的可能性；（2）中子衍射实验的成品高、耗时长，对系统的稳定性、可靠性要求极高，同时人机控制界面功能复杂，涉及数据通讯、参数设置、报警、曲线趋势、归档等，而普通力学加载装置往往为了节约成品等因素采用C++、C#等语言自行编写复杂代码来实现，给系统引入不可靠因素的可能，需要利用稳定性好、功能强大、友好的组态软件来完成界面的设计。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题与不足，本发明提供了一种与谱仪系统有机结合、能够完成批命令自动运行的中子原位力学加载系统，该系统通过与中子谱仪系统进行连接获得中子测量信息，从而配合中子谱仪自动完成实验人员设置的多个特征点的加载与测量，有效地降低实验人员的劳动强度和操作失误率。

本发明的中子原位力学加载系统包括计算机、主控制器单元、执行驱动单元、传感器反馈单元和中子监视器。计算机使用德国西门子公司的组态软件WINCC软件来实现人机界面的设计工作，它既用于样品特征参数、拉伸压缩控制参数、起停模式等参数进行设置选择，又用于在线趋势的显示和数据归档。主控制器采用可逻辑编程控制器PLC，主要用于向执行驱动单元下达运动命令和采集运动状态信息，采集传感器反馈的信号，并与计算机、中子监视器建立通信，为了实现批命令自动运行的功能，主控制器单元依次执行以下步骤：

a)参数读取：通过与计算机通信接收拉伸压缩速度、样品长度、样品面积、加载阈值、拉伸压缩模式（应力、应变模式可选）批参数、目标应力或应变批参数和单步测量中子个数参数信息批参数；

b)阈值加载（仅执行一次）：根据速度参数和加载阈值参数，通过现场总线向执行驱动单元下达运动速度、方向命令，然后周期采集力传感器反馈的当前力值信息，然后与加载阈值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动，并将当前样品形变量值修正为零；阈值加载的目的是使样品处于紧绷状态，有效地消除由于夹具、齿轮等因素带来样品松弛而产生的应变测量误差。

c)数据采集：周期采集传感器单元的输出信号，考虑传感器由于现场环境干扰等因素引起的当前力值和当前形变量测量误差问题，使用去极值滤波和移动平均滤波的复合算法对测量数据进行数据处理。检测当前力值、当前形变量是否超限时，一旦检测到超限情况，则触发拉伸或压缩方向保护动作，不再执行样品拉伸或压缩的操作命令，同时向计算机发送报警信息，以便人机界面向实验人员作出相应提示；

d)单步加载运行：首先判断该步的运行模式，若运行模式选择应力模式，根据样品面积和目标应力参数计算目标力值；若选择应变模式，根据样品长度和目标应变参数计算目标形变量值。进一步与当前力值或当前形变量比较，若前者大于后者则控制执行驱动单元进行拉伸运动，否则控制其进行压缩运动，然后周期采集传感器反馈单元的力值或形变量信息，并与目标值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动。

e)步间切换：与中子监视器进行周期性通信，获得实时测量中子个数，并与该步的目标测量中子参数进行比较，直到两者相等或前者大于后者时，重复跳转到c）步骤进行下一步测量。谱仪系统中，监视器模块周期性地将统计的中子个数信息发送给谱仪控制计算机。