1、I题目 多头微试样蠕变实验装置 位移采集系统的设计 学院 机械与动力工程学院 系别 机械工程系 专业 机械设计制造及其自动化 摘要火电、核电、石油化工行业中有大量的压力容器、管道和构件,准确评价在役设备材料的脆化和结构完整性,对于保证装置的安全运行具有重要意义。微试样蠕变试验法能够利用尺寸极其微小的试样对服役材料进行失效分析和寿命评估。针对蠕变试验耗时长，试验影响因素多，实验室开发了多头微试样蠕变试验机，可实现多个试样、一种或多种蠕变试验方法同时进行试验。本课题针对该多头蠕变试验装置，重新设计了恒温炉，并基于 LabVIEW 平台设计专用的位移采集系统和蠕变参数反演程序，实现了多通道位移数据的
2、采集、筛选和存储，并可反演获取材料的蠕变性能参数。 关键词：多头微试样蠕变试验机，LabVIEW 虚拟仪器软件，多通道位移采集系统，蠕变参数反演程序IIIAbstractIn the thermal power, nuclear power, petrochemical industries, there are a lot of pressure vessels, piping and components operated at high temperature. Accurate assessment on the structural integrity of the equipmen
3、t in service, is of great significance to assure the safe operation of the device. Small specimen creep test method with a small volume of materials, can be used for failure analysis and life prediction. As creep tests are time-consuming and many factors influence them, multi-sample small specimen c
4、reep testing machine has been developed in the lab. It can realize one or more creep test methods with more than one specimens at the same time.In this paper, the constant temperature furnace in that creep testing machine is redesigned. Meanwhile, based on the LabVIEW software, a appropriative multi
5、-channel displacement acquisition system and creep parameter regression procedure are designed for the creep testing machine. The system adopts multi-channel short interval data acquisition, point by point selection, data homogenization, large capacity data storage and parameter regression. Keywords
6、：multi-sample small specimen creep testing machine, LabVIEW, multi-channel displacement acquisition system, creep parameter regression procedure目录1 前言 .21.1论文研究的概述 .21.2技术背景 .21.3论文主要研究内容及结构安排 .21.4本章小结 .22 系统硬件搭建 .22.1多头微试样蠕变试验机 .22.2PC 机 .22.3位移传感器 .22.4数据采集卡 .22.5本章小结 .23 单通道位移采集系统 .23.1单通道数据采集模块
7、设计 .23.2单通道数据处理模块设计 .23.3单通道数据实时显示模块设计 .23.4单通道数据储存模块设计 .2V3.5单通道辅助模块设计 .23.6单通道采集系统的实现 .23.7本章小结 .24 多通道位移采集系统 .24.1多通道数据采集模块设计 .24.2多通道数据处理显示模块设计 .24.3多通道数据储存模块设计 .24.4多通道辅助模块设计 .24.5多通道采集系统的实现 .24.6系统界面设计 .24.7本章小结 .25 蠕变参数反演程序 .25.1数据读取模块设计 .25.2数据筛选模块设计 .25.3数据计算模块设计 .25.4蠕变参数反演程序的实现 .25.5程序界面设
8、计 .25.6本章小结 .26 结论与展望 .26.1结论 .26.2展望 .2参考文献 .2致谢 .2多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 11 前言1.1 论文研究的概述1.1.1 研究背景随着石油、化工、电力等各种工业产业的快速扩张，各行业用于生产、制备、储存等过程的机械设备，正向着高温、高压、高效率等高参数方面发展，以提高设备效率和能源使用。但正因为如此，结构完整性对于长时间处于高压、高温工作状态中机械设备起着尤为重要的作用。譬如，核电设备中有许多金属结构长期服役于高温环境，在复杂载荷作用下设备中的缺陷随时间发生扩展，迫使构件发生断裂并导致灾难性后果。因此对于高温服役构件的安全性检
9、测获得了广泛的应用 1-4。目前预测在役高温设备安全性和剩余寿命的常用方法是蠕变试验法。该方法是一种材料机械性能试验，可测试出材料的持久强度（即在一定温度下和规定时间内不产生断裂的最大应力）与蠕变极限（表示材料抵抗蠕变能力大小的指标，一般用规定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应力值表示） ，这两个指标是重要的设计与安全性检测依据。而微试样技术由于其进行试验时所取试样的尺寸较小，选取试样时对于所检验设备的损伤也尽可能地控制在了最小，因而近几年得到了广泛的应用。实验室中的多头蠕变试验机可多个试样同时进行一种或多种不同方法的蠕变试验。通过加载系统、热风循环式加热炉等设备创造了恒温、恒载荷的条件，
10、并可以长时间运转。本次课题基于 LabVIEW 虚拟仪器软件，针对于实验室现有的多头蠕变试验机进行多通道位移数据采集系统的设计。系统设计内容包括对试验中多个试样的挠度进行数据采集、数据筛选、数据存储、虚拟仪器界面设计以及后期的蠕变参数反演程序设计。保证整个数据采集系统能实时、高稳定性地进行数据采集、处理与存储，并能通过反演程序得到所需的材料蠕变参数。1.1.2 研究目的本次课题基于 LabVIEW 虚拟仪器软件，设计一个用于多头蠕变试验机的多通道位移数据采集系统，在试验过程中，通过位移传感器对多组位移数据进行实时采集及储存，并2 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计附加一个蠕变参数的反演程
11、序，将测量数据转换为所需的材料性能参数。而这种多通道数据采集系统的实现，保证了多头微试样蠕变试验机在进行多路试样试验时的数据采集。提高了试验效率，减少了实验操作量，加快了研究进度。对于所采集到的实验数据，可进行优化筛选与处理，并通过反演程序直接转换至所需要的材料蠕变参数。1.2 技术背景1.2.1 微试样蠕变试验随着能源紧缺和环境污染，核电、火力等能源行业向着高温、高参数方向发展以提高能源利用效率，为此对高温设备材料的工作以及设备服役过程中的安全性要求越来越高。在这些领域中，大多高温机械设备都处于复杂、恶劣的工作环境，且价格昂贵，在整个生产过程具有不可代替的作用。一旦因设备事故而非计划停车，将
12、可能造成重大损失。目前预测其安全性的常用方法主要为蠕变试验法。蠕变试验法是测定金属材料在长时间的恒温和恒载荷作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。蠕变可在单一应力（拉力、压力或扭力）或复合应力下发生。通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。蠕变曲线与单轴蠕变试验机如图 1-1 与 1-2 所示。图1-1 典型的蠕变曲线 图 1-2 传统的单轴蠕变试验机传统单轴拉伸试验采用标准试样获取材料的蠕变力学性能，但往往需要较多材料，且大量取材也会对原设备带来破坏，影响设备的正常运行。而在某些微小装置可靠性的研多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 3
13、究中，有时也会因所取试样体积太小，无法满足传统性能试验对试样尺寸的要求，而导致试验无法进行。一方面要尽可能采用无损或半无损检验的方法；另一方面又必须最大限度地得到材料的性能，微试样技术是解决这种两难问题的有效方法 5-8。(a)三点弯曲简支梁试验方法 (b)悬臂梁试验方法(c)小冲杆试验方法图 1-3 微试样的多种蠕变试验方法微试样蠕变试验法采用微型试样，如小冲杆 9-11、压痕试样 12-13、三点弯 14-17和悬臂梁试样 18-20，试验时微试样在恒温和恒载荷的条件下进行长时间蠕变试验。试验过程中实时采集试样的变形数据（扰度） ，并通过转换公式将采集到的数据最终转换为所需的材料性能参数。
14、图 1-3 表示了三点弯、悬臂梁和小冲杆微试样蠕变试验方法。1.2.2 多通道数据采集（1） DAQ 系统在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。随着计算机和总线技术的发展，基于 PC 的数据采集（Data Acquisition，以下简称 DAQ）板卡产品得到了广泛应用。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其他应用中数据采集硬件和 PC 分离，通过并行或串行接口和 PC 相连。如图 1-4 所示的基于 PC 的数据采集系统各组成部分可分为： PC4 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 传感器 信号调理 数据采集硬件 软件（虚拟仪器）图 1-4 典型的基于 PC 的 DAQ 系统从基本的角度出发，DAQ 系统的任务就是测量或生成物理信号。一个 DAQ 系统通常具有（除了插入式 DAQ 之外）一套用于获取、处理原始数据，分析传感器和转换器，信号调节及显示、储存数据的软件。图1-5 表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的 Buffer 是数据采集存储的中间环节 21。图 1-5 数据采集系统结构（2） 虚拟仪器传DAQ 板卡/DA/D Buffer(FIFO)外触发驱动程序虚拟仪器程序内存Buffer硬件显示
