一种具有结构变形补偿的液体体积弹性模量检测装置及方法

本发明属于液体物性参数检测，特别是涉及一种具有结构变形补偿的液体体积弹性模量检测装置及方法。

背景技术：

1、体积弹性模量是表征液体抵抗体积压缩能力的物理量，定义为产生单位相对体积变化所需的正压力。在液压系统中，体积弹性模量会直接影响系统的静态刚度、压力波传播速度、固有频率、瞬态响应及定位精度。测得的体积弹性模量数值受压力、温度、含气量、所选压力区间以及测量装置机械柔度的共同影响。

2、直接压力-体积法通过对已知体积的液体施加压力变化并测量相应体积变化来确定体积弹性模量。该方法适用于准静态液压工况，但液体的体积变化量极小（通常在微米至亚微米量级）。因此，测得的位移信号中可能同时包含机架或丝杠的弹性伸长、试验腔膨胀、密封件变形、机械连接处间隙以及其他不属于液体压缩的变形分量。

3、现有一种基于定义的油液体积弹性模量检测装置采用加载缸、耐压试验腔、压力传感器以及与活塞和活塞杆关联的位移传感器。该装置通过增大试验腔壁厚，使腔体变形可按忽略处理，并可将运行中液压系统的被测油液引入试验腔，从而形成直接测量结构。但是，单一位移通道本身不能识别和分离外部加载路径其他位置产生的弹性变形，当机架、丝杠等载荷传递构件发生明显弹性伸长时，单一位移通道会将结构变形误认为液体压缩位移，导致测量结果偏高。

4、气体含量是另一项重要的测量误差来源。夹带气泡以及从溶液中析出的气体会在液体中形成高压缩性相，显著影响体积弹性模量的测量结果。对于黏度较高的液压油，抽真空时间和试验腔方位会影响析出气泡能否顺利到达真空出口。因此，为获得可重复的检测结果，需要通过设置在试验腔上部的接口实施原位脱气，并在各次升压前稳定试样温度。

5、综上所述，现有技术存在以下不足：（1）单一位移通道无法识别和补偿加载路径结构变形；（2）缺乏对试样气体含量的有效控制手段；（3）测量精度和可重复性不足。因此，亟需一种能够在采用压力-体积定义进行检测的同时，直接测量并补偿结构变形，并能够对脱气、标定、阶梯升压及同步数据采集进行一体化控制的检测装置和方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有技术在根据活塞位移获得随压力变化的液体体积弹性模量时，避免将载荷传递路径的弹性变形误认为液体压缩，同时减小残余气体、温度变化以及装置柔度所引起的测量误差的问题，本发明提出一种具有结构变形补偿的液体体积弹性模量检测装置及方法，是一种压力-体积-温度检测装置及准静态检测方法，用于测量液压油、润滑油、纳米流体及其他液体的等温割线体积弹性模量和等温切线体积弹性模量，同时对加载结构的弹性变形进行补偿，并控制试样中的气体含量。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有结构变形补偿的液体体积弹性模量检测装置及方法，包括机架、第二位移传感器、第一位移传感器、加载液压执行机构、靶板、活塞杆、注排液/真空接口、耐压试验体、压力变送器、比例流量阀以及压力源；

3、所述加载液压执行机构和耐压试验体安装于机架上，压力源经比例流量阀与加载液压执行机构连通；

4、所述耐压试验体内形成具有已知基准容积的试验腔，所述试验腔内设有能够沿轴向移动且具有已知有效面积的可动压缩构件，所述可动压缩构件与活塞杆连接，加载液压执行机构用于驱动活塞杆；

5、靶板设置于活塞杆上，第一位移传感器安装于机架的一侧并朝向靶板，用于测量可动压缩构件压缩方向的表观位移δx1，第二位移传感器与第一位移传感器相邻安装并朝向机架的相对侧立板，用于测量机架、丝杠或其他载荷传递构件中至少一部分的弹性变形；

6、注排液/真空接口设置于试验腔上部，压力变送器通过管路与注排液/真空接口连通，且注排液/真空接口能够经真空阀与真空源连通；

7、数据采集与处理单元同步采集压力变送器、第一位移传感器和第二位移传感器的信号，依据第二位移传感器对机架结构变形的测量结果对第一位移传感器测得的表观位移进行修正，并根据公式计算选定压力区间内的等温割线体积弹性模量。

8、优选地，所述第一位移传感器和第二位移传感器优选为非接触式激光位移传感器，也可采用电感式、电容式、光栅编码式、应变式或干涉式传感器。

9、优选地，所述修正后的位移，其中为根据第二位移传感器测得的信号确定的结构变形分量。

10、优选地，所述注排液/真空接口设置于试验腔的最高位置，脱气时使耐压试验体以注排液/真空接口位于最高位置的方式安装或定向，使被测液体中析出的气体在浮力作用下经注排液/真空接口排出。

11、优选地，还包括温度控制装置，用于将耐压试验体及其内部试样稳定在目标温度，所述温度控制装置为恒温箱、液浴、加热套或环境试验箱。

12、优选地，所述比例流量阀用于调节供液流量，以实现分级准静态加载；在各压力级保持至压力和位移达到稳定状态。

13、优选地，所述数据采集与处理单元能够计算有限压力区间内的割线体积弹性模量，以及根据拟合的压力-体积曲线计算切线体积弹性模量。

14、优选地，还包括标定模式，采用具有已知压力-体积-温度关系的参考液体，对压力变送器、第一位移传感器、第二位移传感器、耐压试验体的试验腔柔度、死容积及数据处理方法进行验证或修正。

15、优选地，所述耐压试验体安装在可转动夹具上，抽真空时转至竖直脱气位置，抽真空完成后再返回检测位置。

16、优选地，所述可动压缩构件的有效压缩面积根据可动压缩构件的几何尺寸确定，并在标定过程中进行验证。

17、一种利用上述装置进行液体体积弹性模量检测的方法，包括以下步骤：

18、步骤s1：经注排液/真空接口向耐压试验体的试验腔装入被测液体，使注排液/真空接口位于试验腔的最高位置；

19、步骤s2：启动真空源并在预定真空度下保持预定时间，使被测液体中析出的气体在浮力作用下经注排液/真空接口排出；

20、步骤s3：关闭真空阀、密封试验腔并使被测液体稳定在目标温度；

21、步骤s4：以初始压力和初始位移为基准，由压力源经比例流量阀向加载液压执行机构供压，加载液压执行机构推动活塞杆及与其连接的可动压缩构件，以分级准静态方式压缩被测液体，并在各压力级保持至压力和位移达到稳定状态；

22、步骤s5：数据采集与处理单元同步采集压力变送器、第一位移传感器和第二位移传感器的信号，依据第二位移传感器对机架结构变形的测量结果对表观位移进行修正；

23、步骤s6：根据基准容积、压力增量和修正后的体积减小量，按公式计算等温割线体积弹性模量。

24、优选地，步骤s5中修正后的位移，其中为第一位移传感器测得的表观位移，为第二位移传感器测得的结构变形分量。

25、优选地，还包括步骤s7：通过拟合平滑的p-v关系，并在选定压力处对拟合关系求导获得切线体积弹性模量。

26、优选地，还包括步骤s8：反向执行压力阶梯以评价滞回，或在不打开试验腔的情况下重复升压以评价重复性，优选至少进行三次试验以获得标准差或变异系数。

27、与现有技术相比，本发明所述的一种具有结构变形补偿的液体体积弹性模量检测装置及方法的有益效果是：

28、（1）第二位移传感器将机架等载荷传递构件的结构变形作为独立信号进行测量，并从第一位移传感器测得的表观压缩位移中扣除，不再将其计入液体体积变化，消除了单一位移通道无法识别结构变形的缺陷。

29、（2）通过设置于耐压试验体试验腔上部的注排液/真空接口进行原位抽真空，可在试样装入后完成脱气，并减少析出气泡沿腔壁滞留，有效降低气体含量对测量结果的干扰。

30、（3）采用参考液体进行标定，可对压力变送器、第一位移传感器、第二位移传感器、温度测量及数据处理的完整测量链进行可追溯检查，提高测量的准确性和可重复性。

31、（4）同一耐压试验体可在选定压力和温度范围内测量基础液压油及含颗粒纳米流体，无需依赖声学换算模型，适用范围广。

32、（5）通过压力源、比例流量阀和加载液压执行机构实施阶梯式加载，并进行同步记录及重复升压，可获得随压力变化的体积弹性模量及重复性统计量。