高分子材料老化测试设备及方法

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，具体涉及一种高分子材料老化测试设备及方法。

背景技术

热延伸试验是电线电缆行业广泛应用的测量交联度的指标，在一些电力电缆及架空绝缘导线的试验项目中，将交联后的电缆绝缘和护套材料，在热和负重作用下，来测量绝缘和护套材料的伸长率和永久变形率的试验，以确定材料的性质或检验材料的交联程度。

现有的试验设备较为简单，仅有一个恒温箱和一个支架，支架放置在恒温箱内，整个试验过程需要人员放置样品和取样测量长度。试验过程中发现烘箱温度变化对交联度不足（尤其是交联度在标准值临界范围）的绝缘材料影响最为明显。烘箱温度回升过慢或无法稳定保持在200℃，都会造成温度场的波动，试验受热不均匀所产生的附加热应力的作用会使试样拉伸变长甚至超标。另一方面，对于某些交联度不足的绝缘材料，一开始温度下降过多，烘箱回温时间拉长，使样品预热时间延长，也可能会促进绝缘材料进一步交联，使交联度提高，从而促使试验结果良好。而造成以上温差变化较大的不良原因仍归结于试验流程中两次开关门对整个试验温度场的破坏程度较高。这就导致样品的环境温度不能保证恒温，且测量的样品长度误差较大。最终严重影响结果的准确度。

发明内容

针对现有技术存在的无法保证样品的恒温环境导致试验结果误差大的问题，本发明提供一种高分子材料老化测试设备及方法，以解决上述技术问题。

第一方面，本发明提供一种高分子材料老化测试设备，包括：

恒温箱、支架和位移传感器组，所述支架设置在恒温箱内；所述位移传感器组设置在所述支架上，所述位移传感器组检测支架上的样品的位移数据；

所述位移传感器组电连接控制终端，所述控制终端与恒温箱的控制器通信连接；所述控制终端电连接温度传感器组，所述温度传感器组检测恒温箱内部温度。

在一个可选的实施方式中，所述支架包括底座、支撑杆和横梁，支撑杆的一端连接底座，支撑杆的另一端连接横梁；所述位移传感器组包括两个位移传感器，位移传感器包括升降组件和卡紧件，所述卡紧件与升降组件固定连接；所述升降组件活动套接在所述支撑杆上；所述卡紧件卡在样品检测点上。

在一个可选的实施方式中，所述底座的下面设有轨道槽，所述恒温箱内部设有与轨道槽匹配的轨道；所述恒温箱的侧面设有多个轨道出口；在所述侧面的表面覆盖有可翻转的保温板，所述保温板通过销轴与所述恒温箱的棱连接。

在一个可选的实施方式中，所述轨道在所述轨道出口处与外部的延伸轨道衔接，所述延伸轨道铺设在外部试验台上。

第二方面，本发明提供一种高分子材料老化测试方法，包括：

获取温度传感器组检测的温度数据；

基于所述温度数据与标准温度的差值生成功率调节值，并将所述功率调节值发送至恒温箱；

获取位移传感器组检测的位移数据；

基于所述位移数据计算样品位移，将所述样本位移作为测试结果输出。

在一个可选的实施方式中，获取温度传感器组检测的温度数据，包括：

将温度传感器组的检测转换转换为数字信号格式的温度值；

计算温度传感器组的多个温度值的平均值，并将所述温度值输出为实际温度。

在一个可选的实施方式中，基于所述温度数据与标准温度的差值生成功率调节值，并将所述功率调节值发送至恒温箱，包括：

采集所述实际温度与标准温度的差值；

监控所述差值的波动值；

根据预设的波动值大小等级及各等级波动值对应的功率值，为当前的波动值匹配目标功率值；

根据实际温度和预设的转换系数设置权重，将目标功率值与权重的乘积作为功率调节值发送至恒温箱。

在一个可选的实施方式中，基于所述位移数据计算样品位移，将所述样本位移作为测试结果输出，包括：

按照位移数据的源位移传感器ID将所述位移数据划分为第一位移数组和第二位移数组；

将第二位移数组与第一位移数组作差，得到伸长值数组；

根据伸长值数组和预先存储的两个位移传感器之间的初始距离，计算各时段的样品伸长率。

本发明的有益效果在于，本发明提供的高分子材料老化测试设备及方法，通过改进设备结构，引入位移传感器和温度传感器，结合控制器实现的试验环境的控制和对试验数据的自读取，整个过程不会导致恒温环境暴露。此外通过改进恒温箱结构，在恒温箱侧面开设轨道出口，在恒温箱内部设置轨道，使支架能够通过轨道自由出入恒温箱，避免放置样品时的苛刻环境和对恒温环境造成的影响。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的高分子材料老化测试设备的示意性结构图。

图2是本发明一个实施例的高分子材料老化测试设备的控制架构图。

图3是本发明一个实施例的高分子材料老化测试设备的另一示意性结构图。

图4是本发明一个实施例的高分子材料老化测试方法的示意性流程图。

其中，1、恒温箱；101、轨道出口；102、延伸轨道；103、保温板；2、支架；201、底座；202、支撑杆；203、横梁；3、位移传感器；4、温度传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本实施方式中高分子材料老化测试设备包括以下结构：

如图1所示，恒温箱1、支架2和两个位移传感器3，支架2设置在恒温箱1内；位移传感器3设置在支架2上，位移传感器3检测支架2上的样品的位移数据。其中，位移传感器3可以检测样品的位移数据，无需人工策略样品的长度变化。温度传感器4可以实时监测恒温箱1内部的实际温度。

支架2包括底座201、支撑杆202和横梁203，支撑杆202的一端连接底座201，支撑杆202的另一端连接横梁203；位移传感器3包括两个位移传感器3，位移传感器3包括升降件和卡紧件，卡紧件与升降件固定连接；升降件活动套接在支撑杆202上；卡紧件卡在样品检测点上。具体的，位于配套支架2左右两侧的支撑柱上，包含上传感器和下传感器成对使用，试验过程中被试哑铃片由于负重加受热的状态会产生延申现象，从而带动上下传感器均向下移动，试验尾声时，剪断试样消除配重后，由于热胀冷缩热固性材料回弹现象，会带动上下传感器均向上移动。通过计算这两次上下传感器各自相对位移的差值，进而得到伸长率和永久变形率。这里考虑到位移传感器3在动作过程中产生的静摩擦力和动摩擦力对试验结果的影响，通过计算各自的质量及摩擦系数将其计入试验条件下整体配重的范围内，尽可能减少误差。

其中，位移传感器3的卡紧件为卡紧刀口，当试验需要消除配重时，由电脑端控制其进行压紧动作，刀口较为锋利，加之经过高温处理过的被测试样更容易切断。由于切割点与试验初始时划线的点始终重合，大大降低了人为因素对试验结果的干预。

控制架构如图2所示，位移传感器3电连接控制终端，控制终端与恒温箱1的控制器通信连接；控制终端电连接温度传感器4，温度传感器4检测恒温箱1内部温度。

控制终端可以获取位移传感器3和温度传感器4的检测信号，同时控制器基于温度传感器4的检测信号控制恒温箱1的功率，控制器基于位移传感器3的检测信号计算试验结果。

为了避免放置样品打开恒温箱1门导致恒温箱1温度剧烈波动，本发明对恒温箱1进行结构改进，如图3所示：

支架2底座201的下面设有轨道槽，恒温箱1内部设有与轨道槽匹配的轨道；恒温箱1的侧面设有多个轨道出口101；在侧面的表面覆盖有可翻转的保温板103，保温板103通过销轴与恒温箱1的棱连接。轨道在轨道出口101处与外部的延伸轨道102衔接，延伸轨道102铺设在外部试验台上。

具体的，位于热延伸试验箱右侧，紧邻箱体右立面。在箱体右面加装轨道的平面，将热延伸试验配套支架2置于平面轨道上，热延伸试验箱右侧竖向开启三条长宽高均能容下热延伸试验配套支架2进入的长方形空槽，空槽设计有可封堵的保温板。试验人员在右侧平台上将待检样品置于热延伸试验配套支架2上并卡好位移传感器3后，等到箱内温度升至200℃，热延伸试验配套支架2沿着预定轨道向左（箱体方向）匀速传动，途经长方形空槽进入箱体内，待热延伸试验配套支架2完全进入并静置后，关闭保温板。

本发明实施例提供的高分子材料老化测试方法由计算机设备执行，相应地，高分子材料老化测试系统运行于计算机设备中。

图4是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。其中，图4执行主体可以为一种高分子材料老化测试系统。根据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些可以省略。

如图4所示，该方法包括：

步骤410，获取温度传感器组检测的温度数据；

步骤420，基于所述温度数据与标准温度的差值生成功率调节值，并将所述功率调节值发送至恒温箱；

步骤430，获取位移传感器组检测的位移数据；

步骤440，基于所述位移数据计算样品位移，将所述样本位移作为测试结果输出。

为了便于对本发明的理解，下面以本发明高分子材料老化测试方法的原理，结合实施例中对高分子材料老化测试进行控制的过程，对本发明提供的高分子材料老化测试方法做进一步的描述。

具体的，控制器基于Programmable Logic Controller，PLC编程逻辑控制器将热延试验箱体内部操作与箱体外部操作程控，减少人为因素对试验的干预，标准化试验流程，缩短中断环节的时间。高分子材料老化测试方法包括：

S1、获取温度传感器组检测的温度数据。

将温度传感器组的检测转换转换为数字信号格式的温度值；计算温度传感器组的多个温度值的平均值，并将温度值输出为实际温度。

S2、基于所述温度数据与标准温度的差值生成功率调节值，并将所述功率调节值发送至恒温箱。

采集所述实际温度与标准温度的差值；监控所述差值的波动值；根据预设的波动值大小等级及各等级波动值对应的功率值，为当前的波动值匹配目标功率值；根据实际温度和预设的转换系数设置权重，将目标功率值与权重的乘积作为功率调节值发送至恒温箱。

具体的，标准温度可以设置为200摄氏度。差值的波动值为后一次差值与前一次差值的差，记为差值的波动值。转换系数为

S3、获取位移传感器组检测的位移数据。

利用模数转换器对位移传感器组的检测信号进行转换，得到位移数据。

S4、基于所述位移数据计算样品位移，将所述样本位移作为测试结果输出。

按照位移数据的源位移传感器ID将所述位移数据划分为第一位移数组和第二位移数组；将第二位移数组与第一位移数组作差，得到伸长值数组；根据伸长值数组和预先存储的两个位移传感器之间的初始距离，计算各时段的样品伸长率。

例如，第一位移数组为

被试样品进入箱体内部后，温度升高，位移传感器随之向下动作，待15min后通过位移传感器传回来的上下位移的差值除以初始值（20mm）既是被试样品的伸长率结果，计算过程可由PC自动生成，反馈至显示装置。伸长率测得后，由程控装置控制紧压切割组件对被测试样下标记线（下位移传感器的卡紧刀口处）进行紧压切割动作，去除配重。等待规定时间后，轨道传动平台动作，保温板打开，带动热延伸试验配套支架由箱体内移动至箱体外冷却。冷却降温过程中，热固性材料会出现收缩现象，继而带动上下位移传感器回弹，待到冷却至室温后，通过位移传感器传回来的上下位移的差值（与伸长率同理）除以初始值（20mm）既是被试样品的永久变形结果，计算过程可由PC自动生成，反馈至显示装置。

S5、对恒温箱的机械控制。

控制热延伸试验配套支架延预定轨道匀速穿过长方形空槽，当开始动作时，三条保温板处于开启状态，待热延伸试验配套支架完全进入并静置后，关闭保温板。

针对钢铁材质的配套支架导热性过强这一缺陷，这里在钢铁材质表面可以包覆一定模量的硅酸铝纤维材料，该材料具有耐高温（700℃以上）、热稳定性好、热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点，有效的减少配套支架由箱体外进入箱体内改变整个温度场的影响量。

该方法的有益效果如下：

安全度高。试验全过程不需要试验人员接触被试样品，阻断了高温给试验人员带来的伤害隐患。

误差因素少。

①从箱体右侧进入箱体内部的设计，优于从箱体上部下沉于内部的设计，源于热量散发的轨迹是自上而下的，如果从上部开口，相对于从测量开口散发的热量更多，更不利于稳定温度场的意愿。同时此方式更优于传统的启闭整个温箱门的设计。

②箱体右侧开启三条仅容配套支架纵向穿越的长方形空槽，从一定程度尽可能的减少了热量的散失。

③轨道传动组件匀速运动，使被测样品无论是配重进箱亦或是无配重出箱都能做到平稳，防止动荷载不平稳的因素对试验结果造成负面影响。

④包覆一定模量的硅酸铝纤维材料，利用其耐高温（700℃以上）、热稳定性好、热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点，有效的减少配套支架由箱体外进入箱体内改变整个温度场的影响量。

自动化程度高。全程基于PLC程序控制，解放了人工，标准化了试验流程。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。