CN101949797A - 一种金属纤维微拉伸力学性能测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属纤维微拉伸力学性能测试方法及装置，不同于现有的强伸度仪，本发明测力传感器由非接触式光电位移传感器和弹性元件组成，该测力传感器既可以测量纤维的拉伸力，还可以测量纤维夹持端的位移量，帮助实现自动、实时、精确地获取试件的拉伸力-变形曲线，进而获得试件的应力-应变曲线，对应力-应变曲线进行分析得到表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。本发明采用了光学非接触测量的方法，避免了采用传统接触式测量所产生的干扰，使测量系统更加稳定，整个装置结构精巧、操作简便、性能稳定，适用于各种单纤维(特别是金属纤维)的微拉伸力学性能测试。
Description
技术领域
本发明属于材料细观力学性能精密测量领域，特别涉及一种对金属纤维微拉伸力学性能进行精确测量的方法与装置。
背景技术
细观力学作为固体力学与材料科学的交叉学科，其发展对材料科学规律中的材料力学行为的研究具有重要意义。近十年来新材料微米量级超细金属纤维由于具有质量轻、导电、导热、耐腐蚀、寿命长和高强度等特殊性质，已在特种纺织、环保过滤、汽车、造纸和冶金等领域得到了广泛应用，如以金属纤维为基本单元制造的多点阵金属纤维毡不仅质量轻，还具有防震吸能、电磁屏蔽的特点，在航空航天领域有着重大的应用前景。因此，发展具有高分辨率的力学测试方法及装置以及对材料内部细观形变、损伤、断裂过程的非破坏式测量技术，成为科学研究与工程实践的迫切需求。对金属纤维微拉伸力学性能测试仪器的研制，将为纤维材料的细观力学性能测量及相关理论的研究提供必要手段，也将为以金属纤维为基本单元制造的多点阵金属纤维毡提供必要的力学性能测试手段。
目前关于材料拉伸力学性能测量的专利主要有CN1601252、CN101196450、CN101368894、CN101363786、CN1811373、CN101403670等，这些专利对试件的拉伸力学性能的测量均采用传统的机械接触式测力原理，稳定性差，且未考虑力传感器弹性元件自身的变形量，因此这些专利所述方法和装置不适用于金属纤维微拉伸力学性能的精确测量。
在纺织领域，纤维强伸度是决定织物使用性能的重要因素，纤维的强度、延伸率以及反映纤维性能的载荷-伸长曲线都是纤维性能测试的重要内容，因此采用正确的试验方法和精密的仪器测试这一商用指标十分必要。为了实现这一目标，我国自80年代初期研制了多种类型的单纤维强力仪和强伸度仪。例如，早期使用较多的Y161型水压式单纤维强力仪，属于等速牵引型(C.R.T)强力测试仪器，但是由于采用机械测力方式，误差较大，且只能测纤维强度；八十年代中国纺织大学研制出了等加伸长型(C.R.E)的YG001型、YG003型电子式单纤维强力仪；九十年代初期，高精度自动式XQ-1型纤维强伸度仪研制成功，其拉伸方式为等加伸长型(C.R.E)，结构包括载荷测量系统、气动夹持控制电路、伸长检测和传动变速机构以及微机控制系统等部分；近年来，东华利浦仪器研究中心又推出了XL-1型纱线电子强力仪。这些强伸度仪(强度仪)虽然可以检测非金属纤维的强度与延伸率，满足纺织、化工等工程应用需求，但在微米、亚微米金属纤的细观力学性能测试方面有其局限性。因为要研究微米、亚微米量级下金属(非金属)纤维材料的尺度效应及相关理论等问题，需要精确绘制材料的应力-应变曲线，而传统的强伸度仪一般采用机械接触式测力传感器，这种测力方式不仅受接触干扰，而且测量的位移量(单侧夹头的位移量)未减去弹性元件的变形量，因此传统的强伸度仪无法精确绘制纤维材料的拉伸力-变形曲线和应力-应变曲线。另外，国内同类产品由于采用机械接触式测力原理，显得结构复杂并易受振动干扰。
国外同类型的产品，如美国英斯特朗(Instron)公司生产的Instron5848型微力材料试验机、日本加多(KATO)公司生产的KES-G1-SH型毛发拉伸性能测试仪以及英国亨斯菲尔德(Hounsfield)公司生产的H5K-S型纤维力学性能测试仪也存在类似的问题且价格昂贵。
综上所述，我国自主研发的传统的纺织纤维强伸度仪用于金属纤维材料细观力学性能测试是不合适的。因此，研制具有自主知识产权并能满足科研需求的金属纤维微拉伸力学性能测试装置，具有重要的科学意义和实用价值，也将为推动我国细观实验力学研究的高水平发展做出较大的贡献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属纤维微拉伸力学性能测试的方法及装置，自动、实时、精确地测量金属纤维在微拉伸时的拉伸力-变形曲线，从而获得表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。
一种金属纤维微拉伸力学性能测试方法，采用上、下夹头夹持金属纤维试件，其中上夹头与弹性元件固连，通过下夹头持续拉伸试件，弹性元件和试件发生变形，利用光电位移传感器实时采集弹性元件的变形量，依据变形量计算试件所受拉伸力；并实时检测试件的变形量δ＝δ2-δ1，其中δ1为上夹头的位移，δ2为下夹头的位移，依据试件所受拉伸力和试件的变形量获取试件的拉伸力-变形曲线，进而获得试件的应力-应变曲线，对应力-应变曲线进行分析得到表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。
实现所述测试方法的装置，包括机座和安放在机座上的光电位移传感器、弹性元件、直线电机、位移调整机构以及数据采集和测试系统，弹性元件的中心处设有上夹头，直线电机的主轴上设有下夹头，两夹头间放置试件，光电位移传感器发出的激光束入射到上夹头与弹性元件的连接处，位移调整机构用于调整直线电机在水平面和竖直面的位置，光电位移传感器和直线电机分别连接数据采集和测试系统；数据采集和测试系统用于驱动直线电机，设置光电位移传感器参数，接收光电位移传感器采集的弹性元件变形量，依据变形量计算试件所受拉伸力；从直线电机获取电机位移量，并计算试件的变形量δ＝δ2-δ1，其中上夹头位移δ1为弹性元件变形量，下夹头位移δ2为电机位移量，从而获取试件的拉伸力-变形曲线，进而获得试件的应力-应变曲线，对应力-应变曲线进行分析得到表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。
本发明的技术效果体现在：本发明在测量原理上克服了传统强伸度仪的缺陷(机械接触式测量，未计量弹性元件变形量)，采用非接触式光电位移传感器和簧片式弹性元件组成测力传感器，该力传感器在定标后既可以测量纤维的拉伸力还可以测量纤维夹持端的位移量，为精确测量纤维的拉伸力与变形实验曲线奠定了基础。纤维微拉伸测试系统在自行开发的虚拟仪器分析软件控制下，可实时、精确地测量并显示纤维材料在微拉伸时的拉伸力-变形曲线，从而获得试件的应力-应变曲线、弹性模量、比例极限、屈服强度、抗拉强度、延伸率。通过更换不同规格的力传感器可以调整装置的测量范围和灵敏度，实现不同直径纤维的测量要求。另外，由于采用了光学非接触测量的方法，避免了采用传统接触式测量所产生的干扰，使测量系统更加稳定。整个测量具有自动化、实时化、智能化、低成本、高精度和宽量程的特点，且装置结构精巧、操作简便、性能稳定，适用于各种单纤维(特别是金属纤维)的微拉伸力学性能测试。
附图说明
图1为金属纤维微拉伸力学性能测试装置主视图。
图2为金属纤维微拉伸力学性能测试装置左视图。
图3为力传感器单元结构原理图。
图4为本发明的数据采集及测试系统结构框图。
图5为铜纤维(38μm)的拉伸力-变形曲线。
具体实施方式
下面结合附图1～5详细说明本发明：本发明测量装置从功能上概括包括力传感器单元、驱动单元、位移调整机构、试件夹具组件、机座单元以及数据采集与测试系统六部分。其结构和作用原理如下：
a.力传感器单元由高精度光电位移传感器和弹性元件11组成，光电位移传感器包括感测头13(精度为0.1μm，量程为±5mm)和光电位移控制器8。光电位移传感器采用三角法测量原理(如附图3所示)，能够非接触式地测量弹性元件激光照射点的变形量，该变形量通过定标转化为力值信号，从而实现拉伸力的测量。弹性元件11中心点与上夹头10固连，弹性元件11采用两端固定的安装方式，其中固定端靠压板12压紧。力传感器单元的测量范围为0～5N，分辨率高于0.1mN。
b.位移调整机构包括Z向(竖直方向)移动组件和X/Y向(水平方向)平移组件。
Z向(竖直方向)移动组件由滚珠丝杠组件14、15、16、直线导轨组件18、20、限位销17组成。滚珠丝杠组件和直线导轨组件分别装于机座支板2的正反两侧，二者之间用连接板19连接。该单元可以完成Z向位移的粗调和细调，并用来施加预加张力。
X/Y平移组件包括X/Y精密平移台6和L型支架5，X/Y精密平移台组件6通过L型支架5固定在Z向移动单元上，X/Y精密平移台上安放有驱动单元
c、驱动单元采用精密直线电机7实现，精密直线电机7固定在X/Y精密平移台6上，精密直线电机7的主轴上固定有下夹头9。精密直线电机7可以实现等速加载，拉伸速度在0.01～50mm/min范围内可调。上下夹头间固定试件，试件装夹完毕后，处于松弛状态，通过调节X/Y精密平移台6使试件的上、下夹持点沿Z向对齐，满足同轴拉伸条件。
d.试件夹具组件包括上夹头10和下夹头9，其中上夹头10和弹性元件11固连，下夹头9与精密直线电机7固连。所述上、下夹头10、9均采用机械夹紧方式，其内表层覆盖一层高聚物，既可夹紧纤维状物，又不损伤试样。
e.机座单元由底盘1、支板2、调平螺钉3及水平珠4组成。其中调平螺钉3和水平珠4结合组成水平调整机构使装置处于水平状态。
f.数据采集与测试系统包括A/D多通道数据采集卡、伺服控制器以及测试软件与计算机系统，其系统结构框图如图4所示。A/D采集卡用于力传感器信号及上夹头位移信号的采集，并完成数据的数字化处理；伺服控制器用于控制精密直线电机7的行程和速度。测试软件包括数据采集与处理模块、驱动控制模块、数据存储与分析模块，还包括力传感器定标、系统参数设置、材料参数设置、拉伸力-变形曲线与载荷-时间曲线实时显示窗口、实验参数(如试验力、试件变形量等)实时显示窗口等功能模块，可以进行材料力学特征参数分析，如弹性模量、弹性极限、屈服强度、抗拉强度、延伸率、应变率的提取和计算。测试时，用户通过计算机给出试验运行参数，通过RS232通讯接口传递给伺服控制器，伺服控制器解释后由直线电机7执行拉伸操作，同时直线电机7通过伺服控制器反馈给计算机系统相应的位移量。与此同时，光电位移传感器13、8检测到力传感器弹性元件12的变形后，经过放大、滤波后输出对应的电压信号，该信号经过A/D转换，传输到计算机系统后，结合位移反馈信号进行数据分析和处理。
本发明的工作过程如下：
a.力传感器的标定：
综合对比多种方案后，本发明采用两端固定的变截面薄梁作为力传感器的弹性元件11。通过改变变截面薄梁的厚度及光电位移传感器8、13的位移量程来获得不同分辨率、不同量程的力传感器。每种量程的力传感器的标定是这样进行的：首先进入测试软件的标定界面，确定光电位移传感器8、13的量程(如0.4mm/V、0.2mm/V等)，并输入对应量程的相关参数；将砝码托盘悬挂于上夹头10，待系统稳定后按【清零】键，然后在托盘里放入标准砝码，并输入标准砝码的数值，再待系统稳定后按【确定】键，完成力传感器的标定。
b.试件的装夹与调整：
按照测量要求，截取一定长度无损伤的金属纤维，用软基材料(如纸胶带等)作衬垫粘贴纤维的两端，完成试件的制作。用镊子夹持试件的一端，将之放入上夹头10的钳口，夹紧试件的一端，然后用下夹头9夹紧试件的另一端，并使试件处于松弛状态。然后调节X/Y精密平移台组件6，使上下夹持点对齐，完成试件的装夹与调整。
c.测量：
进入程序软件的纤维拉伸测试系统界面，首先点击【清零】按钮，其次设定加载速度(例如5mm/min)及曲线类型(如力与变形曲线)，并输入试件参数(如试件尺寸等)。然后调节滚珠丝杠螺杆14(先粗调，后细调)，使丝杠螺母16带动下夹头9沿着直线导轨轨道20向下移动，给试件施加一预加张力。点击【开始】按钮，精密直线电机7匀速加载进行拉伸实验。如图3所示，高精度光电位移传感器感测头13采用三角测量法，同时检测弹性元件11的变形量及上夹头10的位移，并通过数据采集卡接口输入计算机，系统将变形信号转化为力信号，并实时显示拉伸力-变形曲线，如图5所示。测试完毕后，保存相关数据。
d.数据处理与分析：
进入测试系统的【数据分析与处理】模块，根据拉伸力-变形曲线得到应力-应变曲线，进而通过特征提取与计算获得试件的弹性极限、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、延伸率、应变率、预加张力。
Claims (2)
1.一种金属纤维微拉伸力学性能测试方法，采用上、下夹头夹持金属纤维试件，其中上夹头与弹性元件固连，通过下夹头持续拉伸试件，弹性元件和试件发生变形，利用光电位移传感器实时采集弹性元件的变形量，依据变形量计算试件所受拉伸力；并实时检测试件的变形量δ＝δ2-δ1，其中δ1为上夹头的位移，δ2为下夹头的位移，依据试件所受拉伸力和试件的变形量获取试件的拉伸力-变形曲线，进而获得试件的应力-应变曲线，对应力-应变曲线进行分析得到表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。
2.实现权利要求1所述测试方法的装置，包括机座和安放在机座上的光电位移传感器、弹性元件、直线电机、位移调整机构以及数据采集和测试系统，弹性元件的中心处设有上夹头，直线电机的主轴上设有下夹头，两夹头间放置试件，光电位移传感器发出的激光束入射到上夹头与弹性元件的连接处，位移调整机构用于调整直线电机在水平面和竖直面的位置，光电位移传感器和直线电机分别连接数据采集和测试系统；数据采集和测试系统用于驱动直线电机，设置光电位移传感器参数，接收光电位移传感器采集的弹性元件变形量，依据变形量计算试件所受拉伸力；从直线电机获取电机位移量，并计算试件的变形量δ＝δ2-δ1，其中上夹头位移δ1为弹性元件变形量，下夹头位移δ2为电机位移量，从而获取试件的拉伸力-变形曲线，进而获得试件的应力-应变曲线，对应力-应变曲线进行分析得到表征金属纤维微拉伸力学性能的参数值。
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