CN101216390A - 微构件力学性能片外拉伸测试实验台 - Google Patents
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Abstract
一种微构件力学性能片外拉伸测试实验台，属于微机电系统中的微构件力学性能测试领域。它由压电驱动单元、微力检测单元、位移检测单元、试样安装调整单元、图像监控采集单元及底座组成。压电驱动单元由内装压电陶瓷致动器的封装结构及支架组成，微力检测单元由力传感器与力传感器支撑板组成，位移检测单元由位移传感器与位移传感器支架组成，试样安装调整单元由五维微定位台、动载物台与静载物台组成，图像监控采集单元由CCD摄像机、显微镜与显微镜支架组成。该微构件力学性能片外拉伸测试实验台克服了现有拉伸测试实验装置的存在缺点，具有所需费用少，结构简单，精度较高，可平滑升级，能满足微构件材料力学性能片外拉伸测试要求。
Description
技术领域
本发明微构件力学性能片外拉伸测试实验台，属于微机电系统领域中的微构件力学性能测试领域。
背景技术
微机械电子系统中的微构件力学性能测试技术的发展远远落后于微机械电子系统领域中的其它技术，主要原因是实验测试装置趋于复杂化、微型化，再者是影响微机械特性的因素趋于多样化、复杂化。这些因素要求微尺度下力学量的检测精度更高。常规的力学测试方法有单轴拉伸法，微梁弯曲法、纳米压痕法和微梁振动法等。由于单轴拉伸法可直接测试材料应力-应变关系，具有实验数据易于分析说明，实验数据通用性强，可测量弹性模量，泊松比，屈服强度和断裂强度等优点；所以它已成为微尺度下力学特性测试最常用的测试方法之一。但搭建一个高精度的能够准确执行片外拉伸测试的实验台，既要考虑装置的性价比和可平滑升级性，同时也要满足课题研究的要求。
目前国内外微构件力学性能片外拉伸测试实验台一般存在如下的特点：大部分的结构都比较复杂，所需设备比较昂贵，而且实验设备可平滑升级性较难；有的方法只能够测量尺寸比较大的试样，试样的装夹方式也不理想；有的方法位移和力的测量采用转换机构，导致测量数据分散性比较大；有的测试实验台机械结构过多，引入了不必要的摩擦力，从而影响测量结果等。
发明内容
本发明要解决的问题是发明一种微构件力学性能片外拉伸测试实验台，克服现有拉伸测试实验装置存在的缺点，设计出微构件力学性能片外拉伸测试实验台。具有所需费用少，结构简单，试样的夹持方便可靠，精度较高，可平滑升级，能够满足微构件材料力学性能片外拉伸测试要求等特点。采用压电陶瓷致动器作为拉伸试样的驱动源，可以精密控制拉伸过程中的驱动步长，有效改善一些装置采用线性马达所带来的振动等影响；采用力传感器和位移传感器与试样载物台直接相连，没有引入过多的中间机械结构，不仅能提高位移和力的测量精度，而且能有效减小引入误差；采用模块化思想设计各个组成单元，一方面可以使实验台结构简单实用，另一方面可以方便地对各个组成单元进行平滑升级。
本发明采用的技术方案是一种微构件力学性能片外拉伸测试实验台，由压电驱动单元，微力检测单元，位移检测单元，试样安装调整单元，图像监控采集单元及底座11组成，压电驱动单元安装在底座11的中部，试样安装调整单元安装在底座11的左侧，位移检测单元安装在底座11的右侧；
其中，压电驱动单元由内装压电陶瓷致动器的封装结构2及支架13组成，封装结构2的左侧通过四个直径4mm的螺栓14固定在支架13的右侧，封装结构2的右侧与位移传感器6的测量头顶端相接触，封装结构2的上表面与动载物台7右下端面通过四个直径1.6mm的螺钉15连接，支架13的底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓16固定在底座11上；
微力检测单元由力传感器3与L形力传感器支撑板10组成，力传感器3的左端通过直径为3mm的螺母17固定在L形力传感器支撑板10的右端面，L形力传感器支撑板10的上表面通过四个直径为6mm的螺母18固定在五维微定位台4的上部，五维微定位台4的底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓19固定在底座11上；
位移检测单元由位移传感器6与位移传感器支架12组成，位移传感器6的测量头中部穿过位移传感器支架12上直径为13mm的小孔，通过直径为2mm的螺母20把位移传感器6的测量头压紧在位移传感器支架12的小孔中，位移传感器支架12底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓21固定在底座11上；
试样安装调整单元由五维微定位台4、动载物台7与静载物台8组成，静载物台8左侧与力传感器3右侧通过直径为3.505mm的美制螺纹22相连；
图像监控采集单元由CCD摄像机1、显微镜5、显微镜支架9与水平底板24组成，CCD摄像机1的下端面与显微镜5的上端目镜位置通过标准螺纹孔相连，显微镜5的中部镜筒位置与显微镜支架9通过导轨滑块机构23相连；底座11下端面放在水平底板24上。
本发明的效果是可以使用闭环控制对压电陶瓷致动器进行控制，可以改善压电陶瓷的各种不利特性，实现拉伸过程中的精密加载；采用显微镜和五维微定位台可以对试样安装过程进行观察调整，可以实现载物台高精度对中，同时在试样拉伸过程中可以通过CCD摄像头采集试样表面形貌变化图像；采用高精度的位移传感器、力传感器，在密闭的保护框和温度恒定的环境下，传感器测量数据最准确。整套实验台可以方便的进行试样安装调整，较准确的采集力、位移信号，整体结构简单实用。
附图说明
附图1是微构件力学性能片外拉伸测试实验台的三维模型图。
其中：1-CCD摄像机，2-内装压电陶瓷致动器的封装结构，3-力传感器，4-五维微定位台，5-显微镜，6-位移传感器，7-动载物台，8-静载物台，9-显微镜支架，10-力传感器支撑板，11-底座，12-位移传感器支架，13-支架，14-螺栓，15-螺钉，16-螺栓，17-螺母，18-螺母，19-内六角螺栓，20-螺母，21-内六角螺栓，22-美制螺纹，23-导轨滑块机构，24-水平底板。
具体实施方式
下面结合附图1详细说明本发明的具体实施。首先，进行拉伸试样的准备工作，把微构件力学性能片外拉伸测试实验台放置在一个减震平台上，用有机玻璃加工的密闭保护框罩住实验台所有装置和器件，然后把实验台所处环境的温度控制在恒温状态下。利用MEMS加工工艺技术加工出拉伸试样，标定好位移传感器、力传感器的静态特性，调试拉伸实验中用到的各种仪器设备使其正常工作，调试拉伸实验的控制软件使其能够快速准确记录采集数据。
安装试样时，首先调整五维微定位台4使动载物台7与静载物台8依据刻好的粗对中标记粗对中，然后使用松香乙醇混合溶液把动静载物片粘贴在动载物台7与静载物台8上，再调整五维微定位台4使动静载物片依据MEMS工艺刻蚀的精对中标记精对中，最后再采用松香乙醇混合溶液在动静载物片上粘贴试样。试样安装过程中，可以采用CCD摄像机1、显微镜5与显微镜支架9构成的图像监控采集单元进行观察调整。
拉伸试样时，内装压电陶瓷致动器的封装结构2与支架13构成的压电驱动单元在驱动电源作用下沿试样拉伸方向移动，力传感器3与力传感器支撑板10构成的微力检测单元检测试样加载过程中的受力量，位移传感器6与位移传感器支架12构成的位移检测单元检测试样加载过程中的位移量，CCD摄像机1、显微镜5与显微镜支架9构成的图像监控采集单元检测试样加载过程中表面形貌变化，一直到试样被拉断为止。拉伸过程中采用计算机控制压电驱动单元实现精密进给及实时采集位移信号、力信号和图像信号。压电陶瓷致动器2的外形尺寸为10×10×20mm，最大驱动位移为20um；力传感器测量范围是0-500mN，分辨率0.25mN；位移传感器在3um量程档时最高分辨率为0.1um。
清洗拉断的试样时，采用棉球浸泡乙醇溶液涂抹试样和载物片，反复几次，直到被拉断的试样和载物片松动为止，然后清洁动载物台7与静载物台8，可以采用CCD摄像机1、显微镜5与显微镜支架9构成的图像监控采集单元进行实时观察。
Claims (1)
1.一种微构件力学性能片外拉伸测试实验台，由压电驱动单元，微力检测单元，位移检测单元，试样安装调整单元，图像监控采集单元及底座(11)组成，压电驱动单元安装在底座(11)的中部，试样安装调整单元安装在底座(11)的左侧，位移检测单元安装在底座(11)的右侧；
其中，压电驱动单元由内部装有压电陶瓷致动器的封装结构(2)及支架(13)组成，封装结构(2)的左侧通过四个直径4mm的螺栓(14)固定在支架(13)的右侧，封装结构(2)的右侧与位移传感器(6)的测量头顶端相接触，封装结构(2)的上表面与动载物台(7)右下端面通过四个直径1.6mm的螺钉(15)连接，支架(13)的底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓(16)固定在底座(11)上；
微力检测单元由力传感器(3)与L形力传感器支撑板(10)组成，力传感器(3)的左端通过直径为3mm的螺母(17)固定在L形力传感器支撑板(10)的右端面，L形力传感器支撑板(10)的上表面通过四个直径为6mm的螺母(18)固定在五维微定位台(4)的上部，五维微定位台(4)的底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓(19)固定在底座(11)上；
位移检测单元由位移传感器(6)与位移传感器支架(12)组成，位移传感器(6)的测量头中部穿过位移传感器支架(12)上直径为13mm的小孔，通过直径为2mm的螺母(20)把位移传感器(6)的测量头压紧在位移传感器支架(12)的小孔中，位移传感器支架(12)底部通过四个直径为7mm的内六角螺栓(21)固定在底座(11)上；
试样安装调整单元由五维微定位台(4)、动载物台(7)与静载物台(8)组成，静载物台(8)左侧与力传感器(3)右侧通过直径为3.505mm的美制螺纹(22)相连；
图像监控采集单元由CCD摄像机(1)、显微镜(5)、显微镜支架(9)与水平底板(24)组成，CCD摄像机(1)的下端面与显微镜(5)的上端目镜位置通过标准螺纹孔相连，显微镜(5)的中部镜筒位置与显微镜支架(9)通过导轨滑块机构(23)相连；底座(11)下端面放在水平底板(24)上。
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