專利名稱：一種高分辨力變量程微尺度材料試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微尺度材料力學(xué)性能測(cè)試的儀器。特別涉及一種可變量程，可以進(jìn)行拉、壓兩種方式測(cè)試的材料試驗(yàn)機(jī)，可在10_6N IO1N范圍內(nèi)進(jìn)行微尺度力學(xué)性能測(cè)試。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，微機(jī)械(MEMS)技術(shù)、生物納米技術(shù)等以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到愈來愈快的發(fā)展，這些技術(shù)所用材料的力學(xué)性能是決定技術(shù)能否安全、可靠使用的關(guān)鍵。這些材料屬于微尺度材料，力學(xué)性能測(cè)試涉及10_6N KT1N范圍，傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)受到結(jié)構(gòu)及原理的限制，不能滿足測(cè)量要求，因而迫切需要研制出新的高精度的微尺度材料試驗(yàn)機(jī)。目前用于微尺度材料力學(xué)測(cè)試的儀器主要兩種(I)小型化的材料試驗(yàn)機(jī)。這種 儀器多采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)變式力傳感器測(cè)量力。典型代表有INSTR0N5848Micro Tester和束纖維強(qiáng)力儀(斯特洛儀)。其中，INSTRON 5848Micro Tester載荷量程范圍在100N 103N，最小分辨率可達(dá)0.01N，位移范圍在IlOmm以內(nèi)；束纖維強(qiáng)力儀(斯特洛儀)通常量程在KT1N IO2N,最小分辨力可達(dá)0. 001N，位移測(cè)量范圍較大，只能進(jìn)行拉伸測(cè)試而不能進(jìn)行壓縮測(cè)試。以上兩種小型材料試驗(yàn)機(jī)的共同的不足是分辨力低，不能滿足微米量級(jí)力的測(cè)試要求。⑵電磁式微力學(xué)測(cè)試儀。此種測(cè)試儀采用電磁驅(qū)動(dòng)兼載荷計(jì)量，利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力的原理，通過測(cè)量和控制線圈中電流來測(cè)量和施加微小載荷。這類儀器量程范圍在10_3N 10°N，能夠?qū)崿F(xiàn)微力的測(cè)量，但受磁場(chǎng)均勻性的限制，位移測(cè)量的范圍收到限制，對(duì)于小力大變形的測(cè)試不能有效的實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)現(xiàn)變量程微尺度力學(xué)性能測(cè)試的材料試驗(yàn)機(jī)，具有高分辨力，能夠方便地測(cè)量小力/小變形和小力/大變形兩種極端的情況。本發(fā)明提供的一種高分辨力變量程微尺度材料試驗(yàn)機(jī)包括支架、升降機(jī)構(gòu)、位移傳感器、具有一定重量的重力塊和電子天平，升降機(jī)構(gòu)安裝在支架上，位移傳感器的一端設(shè)置在升降機(jī)構(gòu)上，所述升降機(jī)構(gòu)用于在高度方向上對(duì)位移傳感器進(jìn)行舉升；位移傳感器的另一端固定有第一夾具，重力塊置于電子天平上，重力塊上安裝有第二夾具，當(dāng)測(cè)量10_6N IN的載荷時(shí),試樣夾持在第一夾具和第二夾具之間。優(yōu)選地，還包括力傳感器，該力傳感器設(shè)置在支架上，該力傳感器上設(shè)置有第三夾具，當(dāng)測(cè)量IN ION量級(jí)的載荷時(shí)，所述試樣夾持在第一夾具和第三夾具之間。優(yōu)選地，還包括信號(hào)采集器、通訊單元和計(jì)算機(jī)，所述信號(hào)采集器采集所述位移傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過通訊單元傳遞給所述計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)再結(jié)合所述電子天平或力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、可以實(shí)現(xiàn)微尺度測(cè)量，測(cè)量范圍為10_6N IO1N量級(jí)；2、使用天平和力傳感器兩種方法來測(cè)量力，可以實(shí)現(xiàn)變量程測(cè)量。其中天平的分辨力可以很小，有些電子天平的可讀性可達(dá)0. Olmg,故試驗(yàn)機(jī)分辨力可到10_6N量級(jí)，量程約為IN。載荷傳感器則可測(cè)量IO1N范圍的力。3、位移大行程，位移范圍可在10° IO1mm,對(duì)于小載荷大變形和小載荷小變形兩種極端情況的測(cè)量提供了解決方案。
4、變量程分別使用電子天平和力傳感器，原理變化大，儀器本身變化卻很小，控制部分具有良好的兼容性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。5、可以進(jìn)行拉、壓兩種形式的測(cè)試。6、與強(qiáng)力機(jī)比較用于纖維材料的強(qiáng)力機(jī)(斯特洛儀)通常量程在KT1 IO2N,分辨力約為0. 001 IN，分辨力低，不能滿足高分辨力，微小力的測(cè)量。且強(qiáng)力機(jī)只能進(jìn)行拉伸測(cè)試，而不能進(jìn)行壓縮的測(cè)試。7、與之前電磁控制的儀器相比優(yōu)勢(shì)本發(fā)明不受磁場(chǎng)均勻性的控制，位移測(cè)量范圍大大增加。
圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖I對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的主機(jī)部分如圖I所示，包括支架I、電控平移臺(tái)2、位移傳感器3、第一夾具71、第二夾具72、第三夾具73、重力塊4、電子天平5和力傳感器6。支架I由機(jī)架底座
11、機(jī)架立板12和橫梁13組成，位移傳感器3的一端安裝在電控平移臺(tái)2上，另一端安裝第一夾具71 ；電子平臺(tái)5放置在機(jī)架底座11上，重力塊4放置在電子天平5上，第二夾具72安裝在重力塊4上，當(dāng)需要測(cè)量10_6N IN的載荷時(shí)，試樣8夾持在第一夾具71和第二夾具72之間。另外，在機(jī)架底座11上還設(shè)置有力傳感器9，第三夾具73設(shè)置在力傳感器3上，當(dāng)測(cè)量IN ION量級(jí)的載荷時(shí)，試樣8夾持在第一夾具71和第三夾具73之間。在本發(fā)明實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器為卓立漢光公司的TSA30-C系列電控平移臺(tái)2，平移臺(tái)2的驅(qū)動(dòng)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。位移傳感器3為Schaevitz Sensors公司生產(chǎn)的DC-EC125MC電感式位移傳感器，量程為±3mm。測(cè)力包含兩種形式，一種是使用電子天平5，另一種是力傳感器9。本發(fā)明實(shí)施例使用一種Sartorius系列電子天平BSA124S-CW,可讀性為0. Img ;另一種是用高精度的力傳感器，本發(fā)明使用FUTEK公司生產(chǎn)的LSB200系列力傳感器，量程為251b (約為 111. 25N)。信號(hào)采集單元與通信模塊包括兩部分，電感式位移傳感器以及LSB200系列力傳感器所得的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡使用中泰研創(chuàng)公司的USB7325B多功能數(shù)據(jù)采集卡；BSA124S_CW電子天平數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)間使用VISA串口通信模式。驅(qū)動(dòng)控制部分使用SC300-2A平移臺(tái)控制箱，SC300-2A通過串口與計(jì)算機(jī)相連，用軟件界面實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制。計(jì)算機(jī)部分使用LabVIEW語言進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理，并將多路信號(hào)保存于同一文件，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供方便。
其中，為保證整個(gè)儀器的水平性，支架I放在光學(xué)平臺(tái)上。機(jī)架立板12通過螺栓或銷釘連接在機(jī)架底座11上，機(jī)架立板12與機(jī)架底座11相互垂直。橫梁13通過銷接并用螺栓連接至機(jī)架立板12上，橫梁13與機(jī)架立板12相互垂直。電控平移臺(tái)2的外殼固定在橫梁13上，保證電控平移臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)架立板12平行，即在豎直方向運(yùn)動(dòng)。電感式位移傳感器拉伸頭的一端與電控平移臺(tái)2固定在一起，另一端通過第一夾具71與樣品8相連，這樣位移傳感器3則可測(cè)得樣品8的位移。本發(fā)明實(shí)施例利用天平測(cè)力的基本原理，將樣品8與重力塊4相連，重力塊4放在電子天平5上，當(dāng)有拉力或壓力作用在樣品上時(shí)，重力塊4的重力會(huì)發(fā)生變化，天平5的示數(shù)即發(fā)生變化，將天平5示數(shù)的變化量乘以當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣燃礊槭┘虞d荷大小，F(xiàn) =Am. go由于天平5的可讀性可以達(dá)到0. Olmg甚至更小，因而力的分辨力可以達(dá)到10_7N，這樣即可實(shí)現(xiàn)10_7N量級(jí)微小力的測(cè)量。因此，通過電子天平5和力傳感器9，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)微尺度測(cè)量，測(cè)量范圍為 10_6N IO1N量級(jí)。此外，本發(fā)明位移范圍可在10° IO1mm,對(duì)于小載荷大變形和小載荷小變形兩種極端情況的測(cè)量提供了解決方案。
權(quán)利要求
1.一種高分辨力變量程微尺度材料試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，包括支架、升降機(jī)構(gòu)、位移傳感器、具有一定重量的重力塊和電子天平，升降機(jī)構(gòu)安裝在支架上，位移傳感器的一端設(shè)置在升降機(jī)構(gòu)上，所述升降機(jī)構(gòu)用于在高度方向上對(duì)位移傳感器進(jìn)行舉升；位移傳感器的另一端固定有第一夾具，重力塊置于電子天平上，重力塊上安裝有第二夾具，當(dāng)測(cè)量10_6N IN的載荷時(shí),試樣夾持在第一夾具和第二夾具之間。
2.如權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，還包括力傳感器，該力傳感器設(shè)置在支架上，該力傳感器上設(shè)置有第三夾具，當(dāng)測(cè)量IN ION量級(jí)的載荷時(shí)，所述試樣夾持在第一夾具和第二夾具之間。
3.如權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，還包括信號(hào)采集器、通訊單元和計(jì)算機(jī)，所述信號(hào)采集器采集所述位移傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過通訊單元傳遞給所述計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)再結(jié)合所述電子天平或力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高分辨力變量程微尺度材料試驗(yàn)機(jī)，包括支架、升降機(jī)構(gòu)、位移傳感器、具有一定重量的重力塊和電子天平，升降機(jī)構(gòu)安裝在支架上，位移傳感器的一端設(shè)置在升降機(jī)構(gòu)上，所述升降機(jī)構(gòu)用于在高度方向上對(duì)位移傳感器進(jìn)行舉升；位移傳感器的另一端固定有第一夾具，重力塊置于電子天平上，重力塊上安裝有第二夾具，當(dāng)測(cè)量10-6N～1N的載荷時(shí)，試樣夾持在第一夾具和第二夾具之間。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)微尺度測(cè)量，測(cè)量范圍為10-6N～101N量級(jí)。
文檔編號(hào)G01L1/00GK102636390SQ20121012233
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者代玉靜, 邵亞琪, 郇勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所