[发明专利]一种基于快速傅里叶变换的材料动态疲劳测试系统及方法

权利要求书

1.一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试系统，其特征在于：包括材料动态疲劳测试装置、高频响力信号和位移信号产生器和高速数据采集装置；该系统的软件部分包含提取材料的疲劳测试频率、计算材料的损失因子和单周期能量损失；

材料动态疲劳测试装置包括：偏心轮(1)、连杆(3)、下夹具(4)、上夹具(5)、材料试样(7)、钢架外壳(8)和电机(9)，电机(9)通过驱动偏心轮(1)转动带动连杆(3)产生上下往复运动，连杆(3)连接下夹具(4)，上夹具(5)固定在机架上，待测材料试样(7)安装在下夹具(4)和上夹具(5)之间，通过使材料试样(7)产生动态疲劳；

电机(9)能够变频调速，通过改变电机(9)的转动频率来获得不同的测试频率；偏心轮(1)的偏心距离能够自由调节，从而适应性调整测试的行程，实现材料试样(7)拉伸、剪切、压缩三种测试试验；

所述的高频响力信号和位移信号产生器包括电磁式脉冲传感器(2)和S型双向拉压传感器(6)；电磁式脉冲传感器(2)安装在钢架外壳(8)上，电磁式脉冲传感器(2)的位置能够随偏心轮(1)的偏心距离不同而改变，在偏心轮(1)的侧面安装有一个键相测点，用以获得键相脉冲信号，电磁式脉冲传感器(2)与键相测点的距离始终保持2mm～3mm，电磁式脉冲传感器(2)使用外部激励，激励电压为5V；S型双向拉压传感器(6)通过接触式安装在上夹具(5)上，当上夹具(5)对材料试样(7)施加拉压力时，通过上夹具(5)传递到S型双向拉压传感器(6)上，S型双向拉压传感器(6)也使用外部激励，激励电压为5V；

高速数据采集装置包括机箱、采集卡和PC端，电磁式脉冲传感器(2)和S型双向拉压传感器(6)均与采集卡连接，采集卡通过电磁式脉冲传感器(2)产生的模拟信号直接接入采集卡，S型双向拉压传感器(6)产生的模拟信号经变送器后接入采集卡，采集卡接收模拟信号后以一定的采样率和采样数传送到上位机；上位机安装在机箱中，上位机将采集到的参数输出至PC端，PC端中装有Labview软件，通过Labview分析记录采集到的参数。

2.利用权利要求1所述系统进行的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：高速数据采集装置的信号处理流程包括计算动态疲劳测试频率、采用等间隔脉冲法获取整周期的力值信号F(t)、对整周期的力值信号F(t)进行快速傅立叶变换获得材料特性参数，材料特性参数包括弹性力F₁，粘性力F₂以及损耗因子τ、采用等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)、绘制整周期的力值信号F(t)与整周期位移信号X(t)的能量损耗圆曲线并进行能量损耗面积计算；

计算动态疲劳测试频率即先将采集到的脉冲信号进行脉冲测量，将两脉冲之间的时间差计算出来，得到脉冲周期即得到动态疲劳测试的频率f；

等间隔脉冲法获取的整周期力值信号F(t)实现方法如下：将采集卡采集到的连续力值信号使用脉冲信号等间隔截取获得整周期力值信号F(t)，由于力值信号和脉冲信号的频率、采样率、采样数均是一致的，将采集到的脉冲信号数据按0～n-1编号，n为采集模块的采样率，在连续的脉冲信号数据中提取每个脉冲点的数据编号，然后以相邻脉冲点数据编号为截取点截取力值信号即得到整周期力值信号，然后对整周期力值信号进行快速傅立叶变换，得到弹性力F₁、粘性力F₂以及损耗因子τ；

等比例法拟合同频率整周期位移信号X(t)是：试样拉压、剪切、扭转的位移不能由高速数据采集装置直接采样得出，所以需要拟合出一条材料试样的位移曲线；首先确定的是位移曲线是一条正弦曲线，即：

其中振幅A为偏心轮(1)的偏心距离，ω＝2πf，f是脉冲频率，ω是脉冲周期；

相位角采用一种等比例近似求法：

其中，m为脉冲信号首个脉冲点的数据编号，n为每个周期总数据点数；

拟合位移曲线信号的采样信息与脉冲信号、力值信号的采样信息一致，以便绘制能量损耗圆以及进行面积计算。

3.根据权利要求2所述的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：能量损耗圆的绘制是以拟合整周期位移函数为x轴，以整周期的力值信号F(t)为y轴绘制图像，得到材料的迟滞回线，迟滞回线的面积即为材料在动态测试中每个周期的能量损失，称为能量损耗圆。

4.根据权利要求2所述的一种基于快速傅立叶变换的动态疲劳测试方法，其特征在于：

S1疲劳测试前的准备：制作材料试样(7)，将材料试样(7)固定装载在上夹具(5)上，装载时使待测材料处于绷紧状态；

S2动态疲劳测试：电机(9)驱动偏心轮(1)转动并带动连杆(3)使下夹具(4)上下运动，从而使待测材料在测试装置中按设定的频率下做拉伸运动；

S3实时数据分析：

S3.1电磁式脉冲传感器采集偏心轮(1)的运动信号，运动信号经过电磁式脉冲传感器(2)处理后输出模拟信号，模拟信号通过采集卡输入到PC端，使用Labview编程语言获得实时测试脉冲频率f；

S3.2S型双向拉压传感器(6)监测材料拉伸的力值变化，并将模拟信号通过采集卡输入到PC端，通过S3.1中得到的周期获得整周期的力值信号F(t)；

S3.3通过傅立叶变换分析S3.2得到整周期力值信号F(t)信号进而获取弹性力F₁和粘性力F₂的值，以及损耗因子τ；

整周期共有力值n个点，整周期的力值信号F(t)中每个点的值为F(i)，i＝0～n-1

τ＝F₂/F₁ (5)

S3.4根据S3.1中获得的频率f、整周期的力值信号F(t)的相位角以及偏心轮(1)的偏心距离A拟合出试样拉伸的位移信号：

S3.5以S3.4中得到的X(t)为横坐标，S3.1中得到的与X(t)对应的整周期的力值信号F(t)为纵坐标绘制能量椭圆，能量椭圆的面积即为整周期多功能材料疲劳测试的能量损失。