电气强度测试（精选7篇）
电气强度测试 篇1
0前言
当前LED普通照明灯具的广泛应用, 其节能、环保以及灵巧优美的外观设计, 越来越多的被大多民众接受并认可。但同时, 各企业的产品安全性能也是良莠不齐, 国内及国内地方政府对LED灯具的安全性也是三番五令的强调, 并制定出相关标准为企业及认证机构提供产品设计参考及判断标准, 以来引导LED照明灯具行业的蓬勃健康发展。
其中, LED照明灯具安规认证中最为关键的测试项目为电气强度测试, 在测试过程中, LED灯具较为常见的现象是出现拉弧及灯珠失效, 常因此而失去LED灯具应有的安全性能。本文就此问题点并结合安规测试判断标准, 从LED普通照明灯具常见结构及LED本身封装设计进行分析, 给出了灯具带电部件 (基板) 距外壳爬电距离的经验安全值, 以及对LED基板表面接入旁路安规电容的设计方法, 有效的解决了LED照明灯具在电气强度测试中拉弧或灯珠失效现象, 提高了LED灯具使用寿命, 达到了安规标准要求。本文就此做以下阐述:
1 电气强度测试判断的标准
在GB7000.1-2007灯具一般要求与试验、GB19510-2009灯的控制装置对灯具的电气强度测试规定中, 明确要求灯具在此测试期间, 不得发生拉弧或击穿 (灯珠失效) 现象[1,2]。见表1, 为不同类型灯具在电气强度测试中的实验电压及判断标准[2]。
2 爬电距离的安全阈值
LED是一种半导体发光二极体, 其在工作期间, 大概只有30%~40%的输入电能转化为光能, 其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化为热能。这就要求在LED灯具结构设计中, 必须考虑其散热问题。一般情况下, 考虑该散热结构的成本及加工可行性, 金属材料为其散热部件为诸多企业采用的常见方法。 (见图1) 。
由图1可知, LED普通照明灯具散热基本形式为:LED→基板→金属散热底座, 但更多时候金属散热底座为LED灯具外壳。LED发出的热量经铺了铜箔的基板由金属散热底座 (外壳) 散发出去。在由金属材料作为散热结构的形式中, 因LED灯珠以SMT形式贴片在基板上, 可将LED视同基板上的铜箔, 即基板上布置的铜箔 (LED) 与金属散热底座的
距离是导致LED灯具拉弧及灯珠失效原因之一 (爬电距离) , 基板的常见结构示意图见图2。
所说的爬电距离是指基板上铺设的铜箔离散热基座 (金属材料) 或铜箔与散热基座连接的金属导电部件的距离。在LED照明灯具结构设计中, 保证足够的爬电距离是避免LED灯具产生拉弧及灯珠失效的有效措施之一。表2为给出的LED灯具设计过程中有效爬电距离安全值。值得说明的是, 基板的固定方式多采用金属部件固定于散热基座上, 铜箔距金属部件的最近距离同样需满足该爬电距离要求。如图3所示, 为一款基座为金属、输入电压AC220V, 灯具类型为II类的LED普通照明灯具, 其铝基板所设铜箔局部安全爬电距离及相关注意事项示例图。
3 接设旁路安规电容
根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果, LED封装形式多种多样。当前, LED普通照明灯具使用较多的为SMD-LED。此种封装形式, 缩小了LED灯珠的尺寸并减小了LED灯珠的重量。但同时也因尺寸体积较小, 导致LED的正负电极离LED自身基板安全距离不足。但热电技术封装形式的LED因电极与LED自身基板被绝缘材料隔离确不会产生所述拉弧或LED灯珠失效现象。因此, 在LED照明灯具设计过程中, 除保证足够的安全爬电距离外, LED灯珠自身封装原因也是导致灯具拉弧或LED灯珠失效的原因之一。如图4所示, 在保证足够的爬电距离后LED灯具在电气强度测试中所产生的拉弧现象。
因此, 解决LED普通照明灯具在电气强度测试中所产生的拉弧或灯珠失效现象, 是提高LED灯具使用寿命, 达到安规要求的必要条件之一。基板及基板上的LED因电气强度测试所产生的电弧若能通过一种方法将其传导出去, 将会很好解决此类问题。基板上铺设旁路安规电容不失为一种可行的方法。接设的2件旁路安规电容, 其中的一件一端连接LED灯珠的正极, 并一端接外壳, 另一件一端连接LED灯珠负极, 一端接外壳。LED灯具在电气强度测试中所产生的电弧经旁路电容的存放电而传导到LED灯具外壳上, 有效的避免了LED灯具拉弧或灯珠失效现象, 其旁路安规电容接设原理见图5, LED灯具旁路安规电容接设实物详解见图6。接设了安规旁路电容后电气强度测试无拉弧现象, 具体可见图7。接设旁路安规电容主要目的是通过旁路安规电容分别将LED正负极有效接入灯具外壳, 接设的旁路安规电容共需2件。
同时, 需说明的是, 随着LED灯具模组化的应用与推广, 也有愈来愈多的以模组化为单元的整灯LED灯具出现于各企业。但若几个模组拼设为整灯, 在保证足够的爬电距离后, 其中一个模组接设了旁路安规电容, 便可同样解决LED照明灯具拉弧或灯珠失效现象。
4 结论
在LED普通照明灯具设计中, 根据LED灯具防触电保护形式的类型, 保证灯具基板的安全爬电距离, 并通过基板上接设旁路安规电容的方法, 可以有效解决LED普通照明灯具在电气强度测试中所产生的拉弧或LED灯珠失效现象。
参考文献
[1]GB7000.1-2007.灯具一般要求与试验[S].
[2]GB19510-2009.灯的控制装置[S].
医用电气设备电介质强度试验 篇2
1. 电气绝缘图
电气绝缘图是电介质强度试验的基础,使用绝缘图表的方式,能简单而明了地表达各部件之间的绝缘配合关系,适合各层次的人员交流。
只有在熟悉产品结构和各部件的用途后,才能设计出安全而又经济的绝缘配合。在下列部件之间的组合,应该考虑其隔离要求:
——带电部件;
——分离部件;
——接地系统;
——可触及的外壳;
——信号电路;
——患者回路;
GB9706.1标准中给出了各部件之间的要求,如带电部分与已保护接地之间的隔离(A-a1),这种绝缘是基本绝缘(因在单一故障情况下,基本绝缘失效,保护接线系统可以产生极大的瞬间电流,把熔断器烧断,从而实现安全保护);带电部分和未保护接地外壳部件之间(A-a2),这种绝缘是双重绝缘或加强绝缘(由于外壳没有保护接地,按双重的原则,即使在单一故障情况下,外壳部件也是不能带电的);其他部件之间的要求,这里就不再一一累述,标准中都有详细的描述。
对于电气绝缘图的制定,一般可按照以下的步骤。
a)确认设备电路图;
b)确定保护对象;
c)确定绝缘路径;
d)确定绝缘类型;
e)确定电介质强度试验电压值;
f)界定爬电距离和电气间隙;
g)制成表格,构成绝缘图的一部分。
例如:在图1中,是内部电源类、BF型应用部分的血压计绝缘图,其电介质强度试验的部位、绝缘类型、基准电压、试验电压的选取见表1。
2.试验电压值
电介质强度试验所需要的电压值,主要取决于基准电压的选取和绝缘类别的判定。
2.1基准电压的选取
绝缘层间的基准电压选取,是设备在正常使用时,设备施加额定供电电压在绝缘系统所能出现的最大电压,在选取时主要有两种情况。
(1)选绝缘最大电压值的一端:在正常使用时当设备施加额定供电电压或制造商所规定的电压二者中较高电压时,设备有关绝缘可能承受的电压。
(2)选取任何两点间最高电压的算术和:对两个隔离部分之间或一个隔离部分与接地部分之间的绝缘,基准电压(U)等于两个部分的任何两点间最高电压的算术和。
2.2试验电压值的选取
根据基准电压值和绝缘类别的要求不同,是可以查表计算的,这些要求在GB9706.1-2007标准中有详细描述,具体见表2。
1)如有必要,由专用标准规定
3. 漏电流设置
电介质强度试验是检查绝缘结构和绝缘材料在一定的电场强度下是否发生绝缘击穿,而在具体试验的实施中,过流分断装置的动作便成了我们判定的依据,这个动作电流就是漏电流。
首先我们来了解什么是击穿?当电场强度超过某一极限时,通过介质的电流与施加于介质的电压关系就不再符合欧姆定律,而是呈非线性增加,如图2所示。这时我们认为发生了绝缘击穿,绝缘材料被破坏而失去了绝缘性能。
可见,在进行电介质强度试验时,设置合理的过流分断装置的动作便成为电介质强度试验的关键。如果设置过小,很容易发生击穿,从而轻率地判定电介质强度试验未通过;如果设置过大,发生击穿时所产生的功率集中于一点,带来的温升可能破坏周围绝缘或其他元器件,造成器具甚至整个部件的损坏。
对于该电流的设置,GB9706.1标准中没有规定。由于每种产品复杂程度和绝缘结构都不同,这个漏电流会随之变化,具体设定值可以结合设备的特征进行调整,其选取的原则是最大限度保证既不错判又不漏判。
参考其他产品标准的规定,如GB14711-2006《中小型旋转电机安全要求》中规定:工频耐电压试验的击穿判断试验电流为100mA;GB15579.1-2004《弧焊设备第1部分:焊接电源》中规定:过载短路的最大值可设定在100mA;GB12350-2009《小功率电动机的安全要求》中规定:试验过程中,跳闸电流值应不大于10mA;IEC60335在其资料附录中提到其参考值为5mA～30mA。
也就是说,在进行电介质强度试验时,泄漏电流可能会慢慢升高,逐渐超过检测仪器的报警值,也可能是泄漏电流迅速不可控的增大超过报警值。如果是迅速增大,可以判定其为电击穿,如果是缓慢超过,可以把报警值设置到更高的数值,一般不能超过100mA。
4. 注意事项
除了熟悉设备的电路,计算好试验电压、选择合适的漏电流,在进行试验时还需要注意以下几个问题:
(1)试验电路的连接
在绝缘的某一端,如果有多个端子,应把所有的外部接线端子连接到一起,以免造成同侧电位不均而在通电瞬间损坏元件。设备的开关或控制设备的继电器等应处于闭合状态或用导线连接通,电压阻断元件的接线端子应连接在一起,防止出现试验电压没有到达绝缘处的现象。
(2)电压调节方法
接通试验电压时,瞬时的高电压突变容易造成试验材料被击穿,试验时应避免这些问题。GB9706.1标准中是这样规定的:开始,应施加不超过规定电压值的一半,然后在10s内把电压逐渐增加到规定值,保持此值达1min,之后在10s内把电压逐渐降至规定值一半以下。
(3)试验所用电压的波形和频率,应是正常使用时作用于绝缘材料的相同波形和频率,注意同样的绝缘材料遇到高频时绝缘能力会降低。
(4)同时注意:a)设备升至工作温度后,断开电源(开关闭合);b)施加于加强绝缘上的电压不应使设备中的基本绝缘或辅助绝缘受到过分的应力;c)试验中存在对人身产生危险的高电压,进行测试时必须特别小心,应严格按照相关的操作规程,保证安全。
5. 结束语
电介质强度试验是衡量医用电气设备安全性能的重要指标之一,也是企业对产品电气安全性能最基本的检测,其试验方法和要求在GB9706.1标准中有明确要求。
同时由于医用电气设备绝缘性能要求严格,各不相同,这就需要对电介质强度的测量电路进行深入细致的研究工作,以满足医用电气设备测量的需要。
参考文献
[1]GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分:安全通用要求》
[2]GB12350-2009《小功率电动机的安全要求》
[3]GB14711-2006《中小型旋转电机安全要求》
[4]GB15579.1-2004《弧焊设备第1部分:焊接电源》
电气强度测试 篇3
1 抗压强度
纸箱在流通过程中要保护内装产品不受损坏, 必须具有合适的抗压强度。抗压强度一般是指纸箱在压力实验机上经受持续均匀的动态压力直至破损的最大变形量或负荷值。或是采用堆码测试的方法, 在纸箱上施加恒定压力持续24 小时, 纸箱产生的变形或损坏情况。为提高效率, 检测一般直接在压力试验机上进行。
2 抗压强度的计算
1) 纸箱的理论抗压强度。纸箱的抗压强度多数是客户根据所装产品的性质决定的, 纸箱企业为了达到客户要求首先要对抗压强度进行计算, 以方便进行原材料搭配, 在满足客户要求的前提下以保证产品成本最低。纸箱的理论抗压强度通常用下式进行计算:
其中, 堆码系数由堆码的天数确定, 国标规定小于30 天时, 系数为1.6, 大于30 天小于100 天时, 系数为1.65, 大于100 天时, 系数为2.0。出口纸箱通常采用欧美的安全抗压系数3, 考虑到运输方式和贮存条件的变化, 计算出抗压强度还应当适当修正。
空箱抗压强度的理论计算公式是:
从日常的实验来看, 测试值往往比理论值大得多, 但在实际使用过程中, 大约有40% 的出口商品出运后, 箱体会发生不同程度的瘫塌、倒塌现象。造成这一现象的原因主要是K值的取值大小问题。SN/T0262-93 《出口商品运输包装瓦楞纸箱检验规程》 中提到的安全系数, 是由纸箱所装货物的贮存期和贮存条件决定的, 且取值一般为1.65。但包装件在贮存、运输时, 会受到较多因素的影响, 如温湿度的变化, 包装件的堆叠方式, 运输中的冲撞和振动, 装卸等。综合考虑这些因素, 安全系数应高于1.65, 可取K在2~3 之间。
2) 根据原纸计算纸箱抗压强度。瓦楞原纸是纸板生产的基本原料, 其强度大小与纸箱强度密切相关。也有较多公式通过原纸的强度来计算生产出的纸箱抗压强度。根据这些公式, 可以对规定强度的纸箱进行原纸选配, 一定程度上为企业节约了生产成本。这些公式中, 凯里卡特公式简单易用, 对0201型纸箱特别适用。国内纸箱工作者经过长期的测算与验证, 将国内纸箱的价格设计与空箱抗压强度设计相结合, 通过原纸性能计算预测纸箱抗压强度。公式如下:
原纸的横向综合环压强度= (面纸环压强度+ 里纸环压强度+ 楞纸环压强度×瓦楞相应的缩率) /15.2。公式中各纸的环压强度值可以测试获得, 也可以通过原纸的等级查询国标, 再由环压指数计算得出。综合强度在纸箱空箱抗压强度中的有效值通过公式计算得到, 每一种楞型的值都有不同, 企业在生产时可以根据本企业的产品楞型查询公式计算。
3 纸箱抗压强度的测定
纸箱强度受生产中多种因素的影响, 理论计算结果与实测结果差异较大, 因此, 纸箱强度的最终确定还需要进行压力测试。
1) 检测要求。SN /T02693-93 《出口商品运输包装瓦楞纸箱检验规程》规定, 检测前纸箱试样应在温度、湿度分别为23±2℃, 50±5%的标准测试环境中预处理24h, 使纸箱的水分达到动态平衡状态, 以保证测试结果的准确性。当然, 企业在实际测试中, 往往受条件限制直接在非标准环境中进行测试并得出结果。这使测试结果存在较大误差。如果是在湿度较大的情况下进行测试, 抗压强度若能达到安全抗压力标准, 则可认为该纸箱强度符合要求。反之, 如果湿度较小, 测试结果往往偏高。纸箱在使用中, 流通环境温湿度变化往往较大, 如果非标准状态的结果不考虑流通环境因素, 可能会因强度不合格而产生质量问题。
2) 样本抽取。纸板在印刷、模切工序后经过了两次压印的过程, 强度会受损失, 对试制的新产品进行强度测试时, 选择的样品应与批量生产的产品状态一致。应尽量多的在不同的批次或包装中抽取多个样本, 为提高检测效率, 至少在不同的3 包中抽取6 个, 以尽量减少检测结果误差。
3) 检测及结果判定。抗压力的检测可进行堆码试验, 在压力机上对纸箱施加与堆码质量相同的压力, 通过多个纸箱检测的抗压力最高值的平均值来确定本批产品是否合格。在标准状态下检测的样本纸箱, 其抗压力峰值的平均值应大于标准安全抗压力的平均值, 只要有一个值低于标准平均值, 则说明本批产品不抗压力不合格。
4) 检测过程。首先缓慢施压, 保证压板与纸箱的充分接触, 此后, 压力稍增加, 纸箱产生形变。压力继续增加, 纸箱变形也逐步加重, 直至纸箱被压坏。如果企业检测条件不足, 可以将纸箱放置于水平木板上, 再在纸箱上平放木板, 然后在木板上堆放等量的重物进行简单测试。纸箱的抗压强度测试过程中, 其压溃不是平稳进行的, 测试中发现, 因纸箱的变形, 会使力值不持续增大到纸箱破损点。也就是当纸箱变形量与压力增加到一定程度后, 变形增大而压力不变, 直到变形增大到一定程度后, 压力值才继续增大直至纸箱破损。纸箱在使用中, 因变形而达不到使用要求, 因此, 纸箱抗压强度的好坏, 应与第一阶段持续压力变化的最大值有关, 也可以把该值称为有效压力值。有效压力值班越大, 则说明纸箱的抗压强度越好。当然, 有效值与最终纸箱压溃的值相差越小, 也说明纸箱质量越好。瓦楞纸箱的抗压强度由于压力疲劳会随时间的延长而降低。远洋运输一个月的时间, 可使瓦楞纸箱的强度下降40% 。瓦楞纸箱抗压强度与空气含水率也有很大的关系, 瓦楞纸箱的强度会随相对湿度的增大而下降。数据表明, 纸箱抗压强度在温度30 摄氏度, 湿度80% 会急剧下降。温度40 摄氏度, 湿度95 时下降60% 。有的纸箱企业为了保险起见, 在生产控制时将抗压强度值控制为略高于客户要求的抗压值, 效果较好。
4 结语
纸箱的抗压强度是一个综合的控制过程, 涉及到箱型的设计、材料、生产、运输等众多因素。这些因素之中, 原纸起着决定性的作用, 企业首先要做好原纸的采购与检测工作, 再对各类纸张进行合理的配置, 在生产当中应尽量减少因工艺的不合理造成的对纸箱抗压强度的影响。用户在接收产品时也应根据要求正确的判定纸箱强度, 以减少使用中的损失。
参考文献
[1]陈振强, 张卫.红瓦楞纸箱抗压强度与包装件载荷的计算方法与对比[J].印刷技术, 2015.
电气强度测试 篇4
美国、英国和法国等国家相继发展了一系列的W芯SiC纤维,并且在国际上已得到广泛应用。而国内CVD法SiC纤维的研制还处于初步研制阶段,SiC纤维的制备过程也比较复杂,在纤维中产生了很多缺陷,由于缺陷的随机分布,使其抗拉强度呈现一定的分散性[3]。目前纤维的性能还不稳定,强度在2000~4000MPa范围内波动,因此评价SiC纤维的强度存在很大困难。
抗拉强度是SiC纤维力学性能的主要指标,它的高低将决定纤维的性能,以及作为增强体后的复合材料的性能。由于CVD法SiC纤维直径较细,脆性较大。强度测试过程中常由于操作不当而引起纤维的非正常断裂,强度测试非常困难。同时SiC纤维强度的测试又是设计、计算其复合材料的基础数据。因此SiC纤维的强度测试和评价成为SiC性能分析和复合材料设计计算的一大难点。
由于SiC纤维是一种脆性材料,在拉伸断裂过程中,断裂始于最薄弱横截面。以弱环定理为基础的Weibull分布是用来描述脆性材料强度分布的一种常用的统计方法[3]。它具有很好的合理性和适用性,且参数估计较简单,考虑置信度也很方便,因此本研究参考美国ASTMD3379-75标准,制定了测试SiC纤维强度的方法,采用Weibull分布对涂碳前后的CVD 法SiC纤维的抗拉强度进行了评估,结果表明, Weibull分布能很好的评判其强度的分布规律。涂碳能够明显提高纤维的性能,并且通过评判结果指导了制备工艺,有利于制备出质量更好的SiC纤维。
1 实验方法
本工作选用了国产CVD法制备的SiC纤维作为试样。取出部分样品进行涂碳处理,具体方法是将SiC纤维放置在玻璃反应管内,通入高纯乙炔和高纯氩气,通过射频直热法使上述气体反应,从而在SiC纤维上涂上一层碳。涂碳前SiC纤维的平均直径为110μm,涂碳后的平均直径为114μm。从涂碳前和涂碳后的SiC纤维中随机选取样本,并分别以15,25,35mm和50mm 为标距,各制作50根,进行拉伸强度测试。
试验在国产XLD -100C电子拉力实验机上进行,最大载荷为100N,试样夹头行走速度为1mm/min。同时根据上述测试结果,进一步研究拉伸应变速度对纤维强度的影响,在1,2,3mm/min和4mm/min 4种应变速率下,对具有代表性的25mm标距SiC纤维进行拉伸强度测试。在测试过程中,将纤维两端夹在试样夹头上,试样夹头间的距离即试样标距。并运用 HITACHI S-570 扫描电镜(SEM)观察和分析SiC纤维的表面形貌与拉伸断口特征。
2 实验结果和分析
2.1 SiC纤维的统计分布
脆性材料SiC纤维断裂应变较小,强度分散性较大,建立在最弱环模型上的Weibull分布被普遍用于评价纤维的强度分布。对于直径均匀的SiC纤维,其强度通常采用双参数Weibull分布进行描述[4]。Weibull分布函数的数学表达式为:
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式中:F(σ)为应力≤σ下断裂的概率;L为纤维的长度; σ0为尺度参数;m为形状参数,通常称之为Weibull模数。
两边连续取两次取自然对数,得到:
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上式可转化为:
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令y=ln{-ln[1-F(σ)]}-lnL,x=lnσ,B=mlnσ0,则上式可变换为:
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此直线的斜率m即为Weibull模数。 对涂碳前后SiC纤维的室温抗拉强度的数据进行处理之后,根据y=mx-B拟合。如图1所示。其中a,b,c,d分别表示涂层前后标距为15,25,35mm和50mm的Weibull分布图。并将Weibull模数以及相关系数列于表1中。
由表1可以看出,涂碳后试样的平均拉伸强度的平均值在2781.239~3050.177 MPa范围内变化,涂碳前的强度平均值在1546~1730 MPa范围内,说明
Note: R2 means the correlation coefficient of fitted line
涂碳后试样的拉伸强度明显高于涂碳前的平均强度,即,涂碳可以很大程度的提高纤维的拉伸性能。在不同标距下,无论是涂碳前还是涂碳后,其拉伸强度的相关系数R2都在0.93以上,说明SiC纤维的拉伸强度从整体上符合Weibull概率分布;并且从图1中可以直观的看出,涂碳后不同标距试样的Weibull分布的拟合直线的斜率都要高于涂碳前,直线拟合的相关系数都在0.95以上,比涂碳前高0.02。而且同一组纤维试样在不同标距下的Weibull模数m基本一致,说明涂碳改善了纤维的内部结构,使得纤维缺陷减少,强度分散性减小,性能也得到提高。这是因为涂碳前的纤维表面呈现张应力状态,涂碳以后大大改善了表面的这种应力状态,使其为压应力状态[5],显著提高了纤维的抗张强度。据报道,美国[6]和英国[7]生产的纤维涂碳后的Weibull模数为16~19,刚度E为351~400GPa。而国产SiC纤维涂碳后的Weibull模数最高为13.9,表明后者的强度分散性较大,需要进一步改进工艺以制备性能稳定的纤维。
2.2 标距长度和应变速率对SiC纤维强度的影响
无论是涂碳前还是涂碳后,标距的长短与纤维强度有着一定的关系,从表1中看出,15 mm标距的SiC纤维的平均强度大于25mm标距的SiC纤维的平均强度,25mm标距的大于50 mm标距的。即随着试样标距的增大,纤维强度的平均值在逐渐减小。由于标距越长,试样所包含的缺陷数目越多,纤维缺陷密度也就偏高,从而造成低负载断裂的试样增多,使得测试强度值偏低;另一方面,当标距过短时,所包含的缺陷数目降低,纤维缺陷密度也就偏低,使得测试值偏高,鉴于上述分析结果和本试验设备的原因,选择25mm的标距比较合适。图2即为标距为25mm的强度分布直方图,其中图2a为涂碳前SiC纤维的强度直方图,图2b为涂碳后SiC纤维强度的直方图。从图2中可以明显看出, 无论是涂碳前还是涂碳后,SiC纤维的拉伸强度基本上呈现正态分布,说明其强度值比较集中,此批纤维的生产工艺较稳定。
根据以上分析,得出如下结论:在本实验中,
25mm标距SiC纤维的拉伸强度分布图最能表现其分布规律,也最具有代表性,所以在以下实验中,主要针对标距长度为25mm的SiC纤维进行了拉伸强度的测试,应变速率为1~4mm/min的应变速率下,如表2所示,可以看出,无论涂碳后还是涂碳前的SiC纤维,有相同的规律,即,随着应变速率的提高,平均强度降低,Weibull模数变化较小,说明增加应变速率不会影响试样的整体拉伸性能。
2.3 SiC纤维的表面和断口形貌对纤维强度的影响
纤维表面有很多缺陷,如表面结构疏松,表面不均匀等,纤维在拉伸断裂过程中,这些缺陷成为潜在的断裂源。涂碳前与涂碳后的纤维表面形貌如图3所示,可以看出涂碳前纤维表面结晶颗粒相对于涂碳后来说,表面较粗糙而不均匀。在拉伸断裂过程中,大的SiC颗粒连接处往往会成为断裂源,涂碳后的C颗粒较细小,颗粒间连接紧密,可大大减少表面成为断裂源的几率,增加了纤维从钨丝芯部断裂的几率,进而提高了纤维的拉伸强度。另外,涂层所得的碳为热解碳[8],热解碳由于结构层面内C原子的结合方式类似于石墨中的碳原子,且层面又多为不规则的曲面,正是由于这种不规则的曲面,使得碳原子的层面与层面之间形成互嵌结构,而这种互嵌结构使得层间碳原子之间不仅仅存在分子间的范德华力,有的达到共价键量级,从而导致层面间的结合更牢固,不易滑动,所以涂碳后纤维表面结合力增加了,减少了从表面断裂的几率。
图4为涂碳前后纤维的拉伸断口形貌图,从图4看出,纤维的断口比较平整,说明呈典型的脆性断裂,断口很平整,光滑。CVD法SiC纤维是在沉积载体上成核长大,必然会产生表面缺陷和各种内部缺陷。纤
维强度与纤维的表面和内部缺陷有着直接的关系,在外力的作用下,这些缺陷是潜在的应力集中点,使SiC纤维产生脆性断裂[9,10]。涂碳前纤维的拉伸断裂源在表面,然后扩展到内部。涂碳后,钨丝的芯部有一个向内的断口,说明拉伸断裂源在纤维芯部的钨丝。因此说明涂碳在一定程度上减少了SiC纤维表面的缺陷。另外,从断口图也可以看出,所沉积的C层比较薄,并且表面涂碳还有一些滑脱现象,说明我们做的沉积工艺还不够成熟,工艺还需要在进一步改进。
3 结论
(1)CVD法SiC纤维的抗拉强度有较大的分散性,符合Weibull分布,随着测试标距的长度增强,SiC纤维的平均强度降低,Weibull模数基本不变。随着应变速度的增加,纤维平均强度降低,模数基本不变。
(2)涂碳后SiC纤维的Weibull模数为11~13,明显高于涂碳前的7~8,并且涂碳后的抗拉强度明显高出涂碳前1200MPa。涂碳后CVD法SiC纤维的表面缺陷减少,结合力增强,纤维的断口呈典型的脆性断裂,因此涂碳在一定程度上改善纤维的性能。
摘要：测定了室温下涂碳前后化学气相沉积法(CVD)制备的国产SiC纤维的抗拉强度,发现威布尔分布可以较好地描述SiC纤维的抗拉强度的统计分布。分析得出以下结论,涂碳后与涂碳前的纤维抗拉强度的Weibull模数,及其平均抗拉强度相比,前者明显高于后者。涂碳后SiC纤维的表面缺陷大大减小。随着标距和应变速率的增加,纤维的平均强度逐渐下降,而Weibull模数基本不变。并对断口进行分析,结果表明SiC纤维呈明显的脆性断裂。
关键词：CVD SiC纤维,Weibull模数,碳涂层
参考文献
[1]赵稼祥.碳化硅纤维及其复合材料[J].高科技纤维与应用,2002,(8):1-6.
[2]冯春祥,范小林,宋永才.21世纪高性能纤维的发展应用前景及其挑战(Ⅰ)硅化物陶瓷纤维[J].高科技纤维与应用,1999,24(4):1-8.
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电气强度测试 篇5
1 试验装置
1.1 试验装置结构
防砂筛管抗挤毁强度测试装置结构如图1所示。该装置主要由高压筒、筛管、泥砂封堵层、包裹层、出口堵头、扶正堵头、压力表、泄压阀、高压柱塞泵和供水装置组成。扶正堵头上具有多个通孔作为水流通道。高压筒体耐压为50MPa, 内径为300mm, 长度为3m。高压柱塞泵的排量为0~102L/min, 最高工作压力28MPa, 通过变频器可以调节高压泵的排量大小。
1.2 筛管抗挤毁强度测试原理
采用不同粒径的固体颗粒、膨润土以及聚合物溶液混合均匀配制成黏状的泥砂封堵物。将黏状物体均匀涂抹在筛管表面, 封堵筛管过滤材料。利用塑料薄膜包裹在泥砂封堵层外, 再用胶带缠绕在塑料薄膜外, 对泥砂层起到支撑包覆作用, 防止泥砂层脱落或被水冲散。将包裹好的筛管样件放进高压筒中, 利用高压柱塞泵将清水注入高压筒中。由于泥砂层封堵了筛管的过滤孔缝, 高压筒中的压力会逐步上升, 当压力达到试验要求值, 或者观察到筛管失效时的压力值, 即为筛管抗挤毁强度试验测试值。
2 试验方法
利用筛管抗挤毁强度测试装置进行试验的具体操作方法如下:
1) 将膨润土、0.1 mm石英砂、0.15 mm石英砂和0.27 mm石英砂按照1:1:1:1的重量比混合, 再加入聚阴离子纤维素HV的水溶液, 搅拌均匀, 配制成泥砂封堵物。
2) 将泥砂封堵物均匀涂抹在筛管表面, 形成泥砂封堵层, 泥砂封堵层的厚度约为10~20 mm。用塑料薄膜包裹在泥砂封堵层外, 再用胶带缠绕在塑料薄膜外, 形成包裹层。
3) 连接筛管样件堵头, 将包裹后的筛管样件装入高压筒中, 连接高压柱塞泵与高压筒之间的高压管线。
4) 启动高压柱塞泵, 通过控制变频器的频率调节高压柱塞泵的排量, 控制压力缓慢上升。如果压力达到高压后, 没有出现回落现象, 则将压力保持在高压范围内, 稳定一段时间;如果压力冲高后, 迅速回落, 且无法重新起高压, 则表明筛管已经被挤毁破坏, 记录最高压力值, 作为该筛管的抗挤毁强度。
5) 打压结束后, 卸掉高压筒的内部压力, 取出筛管样件, 清除包裹层和泥砂封堵层, 观察筛管变形及破坏情况。
3 测试装置的技术特点
筛管抗挤强度测试装置具有如下技术特点:
1) 采用液体从筛管外围均匀施加外挤压力, 相对于压力试验机直接挤压, 这种方式更加符合筛管的实际挤压情况, 测试结果更加合理、准确。
2) 采用泥砂层直接封堵筛管过滤孔缝, 封堵效果更好, 不会出现封堵不住、起不了高压的情况。
3) 采用直接注入清水打压, 对高压泵的性能要求降低, 减小了试验装置的制作成本。
4) 该装置结构简单, 试验操作方便, 制作成本低, 便于推广应用。
4 筛管抗挤毁强度测试试验
采用筛管抗挤毁强度测试装置对4种不同类型的筛管进行了抗挤毁强度测试试验。将这4种筛管加工成试验样件 (图2) 。筛管试验样件的主要参数见表1。
用泥砂封堵物将筛管试验样件涂抹封堵, 再用塑料薄膜包裹, 如图3所示。将包裹后的筛管试验样件装入试验装置中, 进行试验, 测试结果见表2。由于试验装置的高压柱塞泵的最高工作压力为28MPa, 所以, 试验压力均未超过28 MPa。试验结束后试验样件的状态如图4所示。
金属棉筛管试验过程中, 压力逐步上升, 在达到21 MPa时, 压力迅速下降为零。试验结束后, 筛管基管完好, 筛管过滤层有明显被破坏的孔洞, 如图4 (a) 所示。从图5中可以看出, 金属棉过滤材料出现严重破坏, 失去了有效的防砂性能。因此该筛管的抗挤毁强度是21 MPa。
金属网布筛管试验过程中, 控制压力基本在26~27 MPa范围内稳定41 min, 最高压力达到27.4MPa。整个试验过程中, 没有出现压力急剧下降的现象。试验结束后, 仅是筛管外层保护罩有一定的变形, 过滤层和基管没有被破坏, 筛管仍有效, 如图4 (b) 所示。因此, 该筛管的抗挤毁强度大于27.4 MPa。
烧结滤网筛管试验过程中, 控制压力基本在226~27 MPa范围内稳定45 min, 最高压力达到27.8MPa。试验结束后, 筛管外层保护罩有一定的变形, 过滤层和基管没有被破坏, 筛管仍有效, 如图4 (c) 所示。因此, 该筛管的抗挤毁强度大于27.8 MPa。
膨胀筛管在试验过程中, 压力逐步上升, 在达到9.5 MPa时, 压力迅速下降为零。试验结束后, 筛管的基管被挤瘪, 筛管完全失效, 如图4 (d) 所示。因此, 该膨胀筛管的抗挤毁强度为9.5 MPa。
5 现场应用效果
自2008年以来, 烧结滤网筛管在辽河油田已应用了数十口井, 且大多数在热采井中应用。至今为止, 没有出现因该筛管被挤压破坏或基管变形, 导致防砂失效的现象。
6 结论
1) 研制了一套防砂筛管抗挤毁强度测试装置。该装置结构简单、操作方便, 可以对不同类型的筛管进行抗挤毁强度测试。
2) 测试出了金属棉筛管、金属网布筛管、烧结滤网筛管和膨胀筛管的抗挤毁强度。其中, 膨胀筛管的抗挤毁强度最低, 筛管基管被挤瘪;金属棉筛管的抗挤毁强度中等, 筛管过滤层被挤毁破坏, 出现孔洞;金属网布筛管和烧结滤网筛管抗挤毁强度最高, 筛管基管和过滤网完好。
3) 所研制的测试装置以及4种筛管的抗挤毁强度值, 能够为机械防砂工艺设计和应用提供技术支持和参考。
摘要：筛管的抗挤毁强度是防砂工艺技术研究和应用中非常重要的技术参数。为了准确测试出不同类型筛管的抗挤毁强度, 研制出了一套筛管抗挤毁强度测试装置。该装置采用泥砂封堵与清水打压相结合的方式, 对筛管表面施加均匀的挤压力, 测试结果更加合理。利用该装置对不同类型的筛管进行了抗挤毁强度测试试验, 得到了不同筛管的抗挤毁强度值, 以及挤压破坏形态。
关键词：防砂筛管,抗挤毁强度,试验装置
参考文献
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电气强度测试 篇6
本文不考虑金属材料本身内在因素及试件加工工艺对其屈服强度影响, 仅从实验方法的角度探讨如何更准确测定材料的屈服强度。
1 拉伸曲线中上、下屈服点的确定
随着科学技术的发展, 在对金属材料的性能测试中, 越来越多的使用到先进的仪器对其进行测量。电子万能实验机就是测量金属材料屈服强度的机器, 并且操作简单, 在实验结束后, 机器会自动给出屈服曲线, 并且对于材料中的屈服点都会明确的标识出来, 屈服强度的相关参数也会有所阐述。但是在实际的使用中却发现, 即使是同一批材料, 使用同一台机器, 在同样的条件下进行实验, 但是得出来的数据还是存在很大的差异, 并且有些差异是不可接受的。
对于以上现象的出现, 经过了长期的实验观察, 发现主要是在实验期间, 机器在寻找屈服点的过程中出现了错误, 从而造成测量的差异。在相关资料中, 对于上下屈服点的定义为在屈服阶段内, 出现的最高应力和最低应力分别称为上下屈服强度。实际上按照国家标准, 上屈服强度是试样因发生屈服应力首次下降前的最高应力, 下屈服强度是在屈服期间不计初始瞬时效应时的最低应力。所谓初始瞬时效应是指从上屈服强度向下屈服强度过度时发生的瞬时效应 (也称惯性效应) 。瞬时效应与实验机加力系统的柔度、试样的柔度、实验速率、试样屈服特性和测力系统惯件守恒等多种因素有关。对瞬时效应作定量评定是困难的。定性的把从上屈服强度向下屈服强度过度期间的第1个下降谷区作为初始瞬时效应的影响区。为了避开该区影响, 把第1个下降谷值应力 (不管它是否最小) 排除不计后, 取其后的最小应力为下屈服强度。对于只呈现一个谷值的情况, 该谷值应力为下屈服强度。这样的定义与一般意义上的理解足有出入的, 很容易造成误判, 如图1图2所示。
Fe H为上屈服点, Fe L为下屈服点。
如图1, 在确定下屈服点时, 往往会选择A点。实际上考虑到初始瞬时效应的影响, 应当选择图上标示的点为下屈服点。如果选择A点, 会使测得的下屈服强度小于真实值。如图2, 在确定上屈服点时, 往往会选择B点。根据规定, 应当选则图上标示的点为上屈服点。如果选择B点, 会使测得的下屈服强度大于真实值。在很多情况下, 这种误判造成的误差较大而不能容忍。
对于上、下屈服强度位置判定的基本原则如下:
(1) 屈服前的第1个峰值应力 (第1个极大值应力) 判为上屈服强度, 不管其后的峰值应力比它大或比它小。
(2) 屈服阶段中如呈现两个或两个以上的谷值应力, 舍去第一个谷值应力 (第1个极小值应力) 不计, 取其余谷值应力之中最小者判为下屈服强度。如只呈现1个下降谷, 此谷值应力判为下屈服强度。
(3) 屈服阶段中呈现屈服平台, 平台成力判为下屈服强度;如呈现多个且后者高于前者的屈服平台, 判第1个平台应力为下屈服强度。
(4) 正确的判定结果应是下屈服强度一定低于上屈服强度。
以上是一些典型的拉伸曲线, 其上、下屈服点的选择应按图上所示的方式, 见图3a~f。
2 拉伸实验的控制方式
2.1 控制方式的选取
在对金属材料进行拉伸实验的过程中, 控制的选择是非常重要的, 它对于实验结果有很大的影响。在实验中, 控制方式有很多, 比如说应力速率控制和应变速率控制就是其中的两种。在实验中, 为了保证测量数据的准确性, 应该根据实际情况来选择适宜的控制方式。在进行下屈服强度的实验测定中, 由于在实验阶段, 试样在塑性延伸上会有很大的变化, 但是应力的变化却是上下波动的, 而不是单向变动。在这种情况下, 为了达到应力速率而采用应力速率控制的方法, 那么实验机在测试的过程中, 横梁的移动速度会发生波动, 测出的数据也不准确。在严重的情况下, 甚至会使实验机失控从而造成极大的危险。
2.2 拉伸速率的选择
国家标准规定, 若仅测量下屈服强度, 存试样平行长度的屈服期间应变速率应在0.00025/s~0.0025/s之间, 平行长度的应变速率应尽量保持恒定。可以看出, 国家规定的实验速率范同是比较宽泛的。有些实验由于实验条件或实际需要实验速率更会超出规定的范围。对于金属材料, 特别是低碳钢其屈服强度会受到实验速率的影响, 有时差别会比较大。
3 结语
通过对本文的分析, 可以得知在对金属材料的屈服强度进行实验的过程中, 对于屈服点的掌握, 在使用电子万能实验机进行测试时, 不能够完全根据机器测得的数据进行确定, 而是应该根据实际的具体情况来确定屈服点。对于实验中速率对于材料的影响也要充分的考虑进来, 只有在同样的速率下测得的屈服强度才具有可比性。金属材料的屈服强度是其力学性能中比较重要的性能之一, 对于实际的应用有很大的影响, 所以在实验中, 要对屈服点的确定严格谨慎, 保证屈服强度测定的准确性。
摘要：在工业生产中, 金属材料应用的比较广泛, 对于金属材料的相关性能要求的也比较严格, 所以要严格测定金属材料的性能。屈服强度是金属材料力学性能的表现形式之一, 对于屈服强度的测试, 其中屈服点的确定比较重要, 对于屈服强度的测定有很大的影响。本文通过对金属材料中影响屈服强度测试的因素进行了分析, 为以后屈服强度的测试奠定了基础。
关键词：拉伸实验,屈服强度,拉伸曲线,加载速度
参考文献
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电气强度测试 篇7
关键词：LabVIEW,红外辐射强度,标定
虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术.它充分利用了计算机强大的运算处理功能,同时又利用各种测量仪器的测量功能,互相取长补短[1],代表了当前测量技术的发展方向.虚拟仪器开发平台中最著名的是LabVIEW,它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性,以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能,能为数据采集、仪器控制、测量分析等各种应用提供必要的开发工具[2].目前LabVIEW在电子、机械、通信、红外探测、生物、化工等领域有着广泛的应用,国内外已经有许多LabVIEW在各领域成功应用的案例,采用LabVIEW设计的标定系统也有报道.在以辐射源为标准的红外辐射强度测试系统中,标定系统用于测量标准辐射源的红外辐射强度与探测器输出电压响应之间的关系.根据此关系可以测量计算出待测物体的红外辐射强度.采用虚拟仪器软件LabVIEW设计的标定系统能够对标准辐射源的红外辐射进行数据采集、分析,并给出标定结果.
1 标定原理
将黑体置于探测器窗口正前方,当黑体温度一定时,黑体的光谱辐射出射度的计算公式[3]如下
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式中,Mλ为黑体的光谱辐射出射度(W/(μm·m2));λ为波长(μm);T为黑体温度(K);c为光速(m/s);KB为波尔兹曼常数(KB=1.380 622×10-23 J/K);h为普朗克常数(h=6.626 196×10-34 J·s).
探测器所接收的黑体辐射强度可由黑体辐射公式[3]计算
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式中,I为黑体辐射强度(W/sr);ABB为黑体腔口面积(cm2);λmin,λmax为被测波长范围的上下限(μm).
由此可得出探测器接收到的黑体辐射强度同探测器电压输出响应之间的关系,用标定系数K表示.将得到的标定系数保存,在测试时即可由探测器电压输出响应计算出待测物体红外辐射强度.标定系数计算公式为
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式中,K为标定系数 V/(W/sr);Vc为标定电压,即标定时探测器的输出电压(V).待测物红外辐射强度计算公式为
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式中,Iob为待测物红外辐射强度(W/sr);Vm为测试电压(V),即探测器的输出电压;Lob为测试距离(cm),即待测物与探测器窗口之间的距离;Lc为标定距离(cm),即黑体腔口与探测器窗口之间的距离;τeq为平均大气透过率.
2 红外辐射强度测试中标定系统的设计
标定系统能够对黑体的红外辐射数据进行采集和分析,并能准确直观地给出辐射强度与探测器电压输出响应之间的关系,为测试物体的红外辐射强度和其他性能提供了依据.
2.1 系统的硬件设计
系统的硬件部分由黑体控制器、黑体、探头、辐射仪、接口模块和主机组成,系统硬件框图如图1所示.
黑体控制器用于显示和设置黑体温度,控制器与黑体之间由2根控制电缆连接.黑体辐射光通过探头内的窄带滤光片,选出所需波段的光,再通过光学调制器对光进行调制,然后到达光电探测器,在这里光信号转变成电信号,通过前置放大器对探测器输出的微弱信号进行一次放大.电信号进入辐射仪,辐射仪中的锁相放大器对电信号进行进一步放大并滤除绝大多数噪声.系统中选用的光学调制器、光电探测器、辐射仪均为美国Newport公司的产品.光学调制器最高频率500 Hz,辐射仪能够通过自带的电缆与之连接从而对其频率进行控制.辐射仪输出的模拟信号经过接口模块转换成数字信号后进入主机.系统中采用NI公司的6220多功能数据采集卡对模拟信号进行采样,NI6220卡是NI公司生产的内插式高级数据采集卡,是M系列的一种产品,具有16位16通道的模拟输入,24通道的数字I/O,2个32位定时/计数器,最高采样速率可达250 KS/s.采样信号进入主机后,由主机进行相关处理最后得到标定系数值.主机与辐射仪之间通过RS232串口连接,主机可对辐射仪的部分参数和功能进行设置.
2.2 系统的软件设计
系统的软件框图如图2所示. 启动标定程序之前,需要首先启动黑体,待黑体温度稳定后方可标定.程序的初始化主要用来读取用户设置的黑体温度、标定距离等控制参数.接着计算机通过RS232接口发送命令,设置辐射仪各参数,然后对数据采集通道的各个参数进行配置.为了消除测量的随机误差,系统以1 KS/s的频率,重复采样N次.为消除环境因素造成的测量误差,先后采集背景电压和辐射电压.背景电压指背景环境引起的辐射仪电压输出,辐射电压指背景环境和黑体共同引起的辐射仪电压输出.测量背景电压时,遮挡住黑体腔口,采样结束后计算背景电压平均值.弹出对话框,提示除去遮挡物,然后采集辐射电压并计算平均值.辐射电压平均值与背景电压平均值之差即为标定系数计算公式中的标定电压.根据用户输入的黑体温度计算黑体在固定波段内的辐射强度值,利用公式计算标定系数K.保存标定结果,退出程序.
标定系统的控制面板如图3所示.
3 测试结果分析
测试中将探测器窗口置于黑体腔口正前方53 cm处.经过多次测量黑体在1 000 ℃时探测器输出的电压响应最为稳定,同时背景电压对测试结果的干扰最小,因此在标定系统中设定黑体温度为1 000 ℃.分别测量背景电压和辐射电压并将电压值随时间变化曲线绘制在同一个图中.由图3可以看出,背景电压与辐射电压可以看作是一条直线,测试结果与标定理论相符.对电压曲线进行放大,可以发现采样值围绕平均值有小幅波动.经分析,造成电压波动的原因有:(1)探测器窗口周围环境中物体产生的红外辐射干扰.如果在标定过程中突然出现高温辐射源,辐射电压会有大幅振荡.因此,在标定时应尽量减少黑体与探测器周围环境中红外辐射源的存在,尤其更应避免不稳定的红外辐射源的存在,减少测试人员不必要的活动.(2)计算机通过数据采集卡对辐射电压进行AD转换,采集卡本身会有一定的转换误差.
4 结 束 语
利用虚拟仪器技术,设计了红外辐射强度测试中的标定系统.该系统充分利用了实验室现有的设备资源,成本低廉、使用方便、精确度高.为辐射物的红外辐射特性研究提供了便捷方法,具有很高的应用价值和良好的发展前景.
参考文献
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