[发明专利]基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别是涉及一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统。

背景技术

工程应用中，材料变形的应变率因为材料服役环境的复杂性而存在巨大差异，不同的应变率范围内材料的力学行为往往不同，这就需要对不同应变率范围内材料的力学行为进行研究。目前，分离式霍普金森压杆技术(SHPB)已被广泛应用于材料在高应变率下的力学性能测试。但是在SHPB技术中，广泛利用空气炮撞击短杆，使其高速射出以产生入射波，此方法的不足在于：空气具有可压缩性，撞击短杆发射速度和气压关系不能准确确定，导致试样应变率无法精确控制；在相同设置条件下，获得的入射波波幅将不完全一致，实验重复性差；撞击杆的发射速度存在下限，许多工程实践中的低应变率环境不能通过传统的霍普金森压杆实验得到；高应变率环境下，要求撞击杆尺寸大且发射速度高，因此同一台霍普金森压杆实验装置无法同时满足应变率跨度过大的实验。

电磁铆接产生的应力波是一种可控性能优越的加载波，具有脉冲宽度可调、加载应变率跨度大、脉冲幅值控制精准、稳定性高等优点。

文献“授权公告号是CN2865927Y的中国实用新型专利”公开了一种低压电磁铆接设备的控制系统。该控制系统包括模拟控制部分、数字控制部分、数字显示部分。其中，模拟控制部分主要控制晶闸管以控制充放电；数字控制部分由西门子PLC及扩展模块组成，主要控制电容充电电压；数字显示部分主要由西门子文本显示器组成，用于显示人机交换过程。该控制系统虽然能够实现基于电磁力的分离式霍普金森压杆实验的应力波加载，但该控制系统未能实现基于电磁力的分离式霍普金森压杆实验装置的自动化控制，其中，该控制系统电容量是固定的，实验过程中需要人工拆卸以改变电容量，从而改变应力波脉冲宽度；该控制系统需要人工拆卸以切换单轴或双轴加载方式，无法实现自动化加载；该控制系统人工拆卸操作时，需要断电操作以保障实验人员的人身安全；该控制系统电容充电电压在1000V以下，应力波脉冲幅值难以满足实验要求。因此，采用该控制系统，实验周期长，安全性差，系统的可靠性低，难以满足实验要求。

发明内容

为了克服现有控制系统可靠性低的不足，本发明提供一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统。该控制系统包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。所述人机交互控制单元用于控制实验过程；所述电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元分别用于调节电容量、选择不同的加载方式、控制放电线圈温度；所述电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元分别用于控制应力波脉冲幅值、产生应力波脉冲、电容器组泄流；所述安全控制单元用于保证实验人员的生命安全。与背景技术低压电磁铆接设备的铆接控制系统相比较，本发明能够实现对基于电磁力加载的霍普金森压杆实验装置的自动化控制，提高了控制系统的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，其特点是包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。

人机交互控制单元由计算机、HMI设备、可编程控制器及模拟量I/O模块构成，三者通过以太网通信接口相互连接，用于控制实验过程，显示设备运行状态，处理、显示及保存实验数据。

电容量调节控制单元由电容量调节触发器、脉冲电容器及真空交流接触器构成，用于调节电容量，以此控制应力波脉冲宽度。可编程控制器与电容量调节触发器、电容充电主电路顺次连接。

加载方式控制单元由加载方式触发器、单轴接触器及双轴接触器构成，用于控制霍普金森压杆实验单/双轴不同的加载方式。可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主电路顺次连接。

放电线圈温度控制单元由流量控制器、温度传感器、空气流量计构成，用于控制放电线圈温度，保证相同情况下应力波脉冲的一致性。可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、应力波发生器、温度变送器/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，压缩空气与流量控制器、应力波发生器顺次连接。

电容充电控制单元由充电触发器、电容充电主电路、电压变送器、电流变送器构成，用于控制应力波脉冲幅值。可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器/电流变送器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。