CN104297065B - 一种压电驱动微拉伸测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电驱动微拉伸测试装置，属于微纳机电系统中微纳尺度下材料的力学性能测试领域。包括压电驱动单元、微型拉力传感器、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元及底座，相对于现有技术，本发明能够同时直接测量试样的轴向变形量与轴向拉力，能够测量微尺度下试样的弹性模量、屈服强度、断裂强度力学性能参数。该装置采用模块化思想设计压电驱动单元。微拉力测试单元、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元，其中采用商业化高精度微型拉力传感器与高精度电容式位移传感器保证试样上轴向拉力与轴向变形的测量精度，装置结构简单，费用少，精度高，平滑升级性好。

Description

一种压电驱动微拉伸测试装置

技术领域

本发明涉及一种压电驱动微拉伸测试装置，属于微纳机电系统中微纳尺度下材料的力学性能测试领域。

背景技术

微机械电子系统中，研究微尺度下材料的力学性能有助于微机械电子系统的结构设计、功能实现与可靠性分析。然而微纳尺度下材料的力学性能研究远远落后于其电学性能、光学性能等其它物理性能的研究，主要原因是在微纳米尺度下影响微纳尺度下材料力学性能的因素趋于多样化，材料的力学性能受尺度效应、微加工工艺的影响，已不能用相应的宏观理论来表征。微纳米力学测试中被测试样的特征尺寸在微纳米量级，力学测试装置趋于复杂化、微型化。这些因素要求微纳尺度下材料的力学性能测试精度更高。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。

经过对现有技术文献的检索发现，美国专利号US 7258022 B2，名称为“Micro-tensile Testing System”的专利，公开了一种微拉伸测试系统，其特征是采用2个或以上激光测微仪检测试样的拉伸变形。但该测试系统结构较复杂，所需设备较昂贵，可平滑升级性较难。中国专利授权号 CN 101241057 B，名称为“薄膜材料微拉伸测试系统”的专利，公开了一种微拉伸测试系统，其特征是采用电磁驱动，激光测微仪与并联蛇形弹簧力学传感器测量试样的轴向变形与轴向拉力。其不足之处是该系统要求的被测试样结构复杂，制作难度大，并且力学传感器不能直接测量被测试样上的拉伸力。中国专利公开号101216390，名称为“微构件力学性能片外拉伸测试实验台”的专利，其特征是采用微力检测单元直接检测试样上的拉力，位移传感器测量压电驱动单元的驱动位移。其不足之处是驱动位移包含试样的轴向伸长量与拉力传感器的变形量，不仅降低施加在试样上的有效拉伸位移，而且增加了试样伸长量的测量难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1.被测拉伸试样上的轴向变形量与轴向拉力同时直接测量困难；2.现有测试系统复杂所需设备昂贵，可平滑升级性较难，为解决上述问题，提供一种压电驱动微拉伸测试装置。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种压电驱动微拉伸测试装置，包括压电驱动单元、微型拉力传感器、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元及底座，所述的位置调整单元包括一个四自由度微动台和一个三自由度微动台，四自由度微动台安装在底座的左侧，三自由度微动台安装在底座的右侧；压电驱动单元通过转接板固定在四自由度微动台上，压电驱动单元的位移输出端连接微型拉力传感器的固定端，微型拉力传感器的检测段通过螺栓连接动载物台，静载物台安装在三自由度微动台的工作面上；动载物台与静载物台在同一平面上，被拉伸试件的两端分别于动载物台和静载物台相连；微位移检测单元由电容式位移传感器探测头、L型检测板与位移传感器支架组成；位移传感器支架底部固定在底座上，L型检测板短臂粘固在动载物台的下面；电容式位移传感器探测头中部穿过位移传感器支架上部的光孔，通过顶丝从外侧将电容式位移传感器探测头紧固；L型检测板的长臂表面与电容式位移传感器探测头的端面均呈竖直放置且保持平行，通过调节四自由度微动台使L型检测板的长臂表面与位移传感器探测头的端面之间的距离在安装范围之内。

所述的四自由度微动台的四自由度为X轴、Y轴的移动及X轴、Z轴的旋转。

所述的三自由度微动台的三自由度为X轴、Y轴、Z轴的移动。

所述的压电驱动单元包括压电叠堆致动器，压电叠堆致动器设置在具有位移放大功能且结构对称的封装体的对称轴上，压电叠堆致动器关于封装体的对称轴对称，压电驱动单元的输出位移与压电驱动单元的位移驱动方向相反或垂直。

所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式柔性杠杆放大机构，对称轴的两侧各分布位移放大杠杆与柔性铰链，杠杆的位移输出通过两个平行连杆与柔性铰链传动到封装体的位移输出端，位移输出端采用单个螺纹孔连接；压电叠堆致动器由U型框架包围，通过位于U型框架的底部框架中的预紧螺钉对压电叠堆致动器施加预紧力；U型框架的两侧框架各有用于固定压电驱动单元的两个螺纹孔。

所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式三角放大机构，以两个等腰钝角三角形的底边为对称轴，在封装体的对称轴一端装配预紧螺钉对压电叠堆致动器施加预紧力，两个等腰三角形的顶角端部各有一个螺纹孔，分别用于压电驱动单元的固定与位移输出。

相对于现有技术，本发明能够同时直接测量试样的轴向变形量与轴向拉力，能够测量微尺度下试样的弹性模量、屈服强度、断裂强度力学性能参数。该装置采用模块化思想设计压电驱动单元。微拉力测试单元、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元，其中采用商业化高精度微型拉力传感器与高精度电容式位移传感器保证试样上轴向拉力与轴向变形的测量精度，装置结构简单，费用少，精度高，平滑升级性好。

附图说明

图1是本发明一种压电驱动微拉伸测试装置的结构示意图。

图2是对称式柔性杠杆机构的压电驱动单元结构示意图。

图3是对称式三角形放大机构的压电驱动单元结构示意图。

其中，1是底座；2是四自由度微动台；3是转接板；4是连接螺栓；5是压电驱动单元；6是连接螺栓；7是微型拉力传感器；8是螺栓；9是CCD摄像机；10是显微镜；11是动载物台；12是静载物台；13是三自由度微动台；14是电容式位移传感器探测头；15是位移传感器支架；16是顶丝；17是L型检测板；18是压电叠堆致动器；19是螺纹孔Ⅰ；20是杠杆；21是连杆；22是螺纹孔Ⅱ；23是柔性铰链Ⅰ；24是柔性铰链Ⅱ；25是预紧螺钉Ⅰ；26是三角放大机构封装体；27是预紧螺钉Ⅱ。

具体实施方式

如图1-图3所示，一种压电驱动微拉伸测试装置，包括压电驱动单元5、微型拉力传感器7、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元及底座1，所述的位置调整单元包括一个四自由度微动台2和一个三自由度微动台13，四自由度微动台2安装在底座1的左侧，三自由度13微动台安装在底座1的右侧；压电驱动单元5通过转接板3固定在四自由度微动台2上，压电驱动单元5的位移输出端连接微型拉力传感器7的固定端，微型拉力传感器7的检测端通过螺栓8连接动载物台11，静载物台12安装在三自由度微动台13的工作面上；动载物台11与静载物台12在同一平面上，被拉伸试件的两端分别于动载物台11和静载物台12相连；微位移检测单元由电容式位移传感器探测头14、L型检测板17与位移传感器支架15组成；位移传感器支架15底部固定在底座1上，L型检测17板短臂粘固在动载物台11的下面；电容式位移传感器探测头14中部穿过位移传感器支架15上部的光孔，通过顶丝16从外侧将电容式位移传感器探测头14紧固；L型检测板17的长臂表面与电容式位移传感器探测头14的端面均呈竖直放置且保持平行，通过调节四自由度微动台2使L型检测板17的长臂表面与位移传感器探测头14的端面之间的距离在安装范围之内。

所述的四自由度微动台2的四自由度为X轴、Y轴的移动及X轴、Z轴的旋转。

所述的三自由度微动台13的三自由度为X轴、Y轴、Z轴的移动。

所述的压电驱动单元包括压电叠堆致动器18，压电叠堆致动器18设置在具有位移放大功能且结构对称的封装体的对称轴上，压电叠堆致动器18关于封装体的对称轴对称，压电驱动单元的输出位移与压电驱动单元的位移驱动方向相反或垂直。

所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式柔性杠杆放大机构，对称轴的两侧各分布位移放大杠杆20与柔性铰链Ⅱ24，杠杆的位移输出通过两个平行连杆21与柔性铰链Ⅰ23传动到封装体的位移输出端，位移输出端采用单个螺纹孔Ⅱ22连接；压电叠堆致动器18由U型框架包围，通过位于U型框架的底部框架中的预紧螺钉Ⅰ25对压电叠堆致动器施加预紧力；U型框架的两侧框架各有用于固定压电驱动单元5的两个螺纹孔。

所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式三角放大机构，以两个等腰钝角三角形的底边为对称轴，在三角形放大机构封装体26的对称轴一端装配预紧螺钉Ⅱ27对压电叠堆致动器18施加预紧力，两个等腰三角形的顶角端部各有一个螺纹孔，分别用于压电驱动单元5的固定与位移输出。

本发明的工作过程：将L型检测板17的短臂粘结在动载物台11的下表面，并保证L型检测板17的长臂与动载物台表面垂直。

压电驱动单元由压电叠堆致动器18、对称式柔性杠杆封装体与预紧螺母Ⅰ25组成，对称式柔性杠杆封装体采用两个对称分布的柔性杠杆放大机构对压电叠堆致动器18的输出位移进行放大，柔性封装体上与压电叠堆致动器18底部相接处的地方有预紧用螺纹孔，柔性封装体上还有固定压电驱动单元用的4个螺纹孔19与驱动位移输出用的1个螺纹孔Ⅱ22；对称式柔性杠杆封装体采用整体式电火花线切割加工，压电叠堆致动器18置于封装体内，通过预紧螺钉施加预紧力，压电驱动单元5的输出位移方向与压电叠堆致动器18的位移驱动方向相反。

压电驱动单元由压电叠堆致动器18，对称式三角形放大机构26与预紧螺母Ⅱ27组成；压电叠堆致动器18置于对称式对称式三角形放大机构26内部，压电叠堆致动器18的轴向与对称轴重合，安装预紧螺母Ⅱ27对压电叠堆致动器施加预紧力，压电驱动单元5的输出位移方向与压电叠堆致动器18的位移驱动方向垂直。

压电驱动微拉伸测试装置的底座1放置在一个减震平台上，在底座1的左侧表面上通过螺钉固定X-Y-θx-θz四自由度微动台2，四自由度微动台2上固定转接板3，通过连接螺栓4在转接板3上安装压电驱动单元5，压电驱动单元5的位移输出端连接螺栓6连接微型拉力传感器7，微型拉力传感器7的拉力检测端通过连接螺栓8 连接动载物台11。

将位移传感器支架15底部固定在底座1中部，电容式位移传感器探测头14中部穿过位移传感器支架15上部的光孔，通过塑料顶丝16从外侧将电容式位移传感器探测头14压紧在位移传感器支架15的小孔中；调整四自由度微动台2的X轴与Y轴位置，使电容式位移传感器探测头14端面与L型检测板17的长臂表面平行，两端面之间的距离在200µm以内，并且两者在Y向对中。

X-Y-Z三自由度微动台13安装在底座1的右侧，三自由度微动台13的工作面上安装静载物台12。

进行微拉伸测试试验时，把装置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被拉伸试样，调试拉伸实验中用到的微型拉力传感器、电容式位移传感器、压电驱动电压等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，试样的对中调整通过调节与动载物台相连接的X-Y-θx-θz四自由度微动台2的饶X轴与绕Z轴的的旋转角度，以及与静载物台相连接的X-Y-Z三自由度微动台13的X轴、Y轴与Z轴位置来实现。被拉伸试样的两端分别置于动载物台与静载物台上，试样安装过程中，可以采用光学显微成像单元进行观察调整，对中调整后使用松香乙醇混合溶液将被拉伸试样粘固在动静载物台上。

拉伸试样时，压电驱动单元在驱动电源作用下轴向拉伸试样，微型拉力传感器测量试样加载过程中的轴向拉力，电容式位移传感器测量直接测量试样加载过程中的轴向伸长位移量，光学显微成像单元观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、拉力信号和图像信号。压电驱动单元的最大驱动位移达100µm；力传感器测量范围是0-500mN，分辨率0. 25mN；电容式位移传感器量程为200µm，静态分辨率为1 nm。

本发明的效果：具有位移放大功能且对称封装的压电驱动单元5能够放大压电叠堆致动器18的驱动位移，使该片外驱动微拉伸装置的总拉伸位移达到100 µm或以上；压电驱动单元5中封装体采用对称结构，使得在微拉伸测试中驱动位移仅沿其对称轴方向，最大化的保证被测试样的轴向拉伸测试；压电驱动单元5的输出位移方向与压电叠堆致动器18的位移驱动方向垂直或相反，能够简化微拉伸装置的结构，减小装配误差，提高微拉伸装置的测试精度；该微拉伸装置中采用电容式位移传感器探测头14测量动载物台11的位移，此位移为试样被拉伸端的轴向位移，即电容式位移传感器探测头14直接测量且仅仅测量微拉伸试样的轴向变形位移。另外，电容式位移传感器探测头14、压电驱动单元5与动载物台11（被控对象）可以组成闭环控制系统，实现拉伸过程中对拉伸速率或拉伸频率的控制。

该压电驱动微拉伸测试装置中被拉伸试样的轴向拉力检测采用商业化高精度、高可靠性微型拉力传感器7，其测量范围为0-500 mN，精度 0.25 mN；微型拉力传感器7直接与动载物台11连接，能够直接测量被拉伸试样的轴向拉力。

该压电驱动微拉伸测试装置中被拉伸试样的轴向变形位移的测量采用商业化高精度电容式位移传感器，其测量范围为200µm，静态分辨率 1nm，动态分辨率 10nm；位移传感器测量动载物台11的位移量，即直接测量微拉伸试样的轴向变形位移；位移传感器探测头与动载物台11上连接的L型检测板17之间的距离小于位移传感器的测量范围200µm，安装位置的调整通过调节X-Y-θx-θz四自由度微动台2的X轴与Y轴位置来实现。

被拉伸试样的两端分别固定在动载物台11与静载物台12上，试样的对中调整通过调节与动载物台11相连接的X-Y-θx-θz四自由度微动台2的饶X轴与绕Z轴的的旋转角度，以及与静载物台12相连接的X-Y-Z三自由度微动台13的X轴、Y轴与Z轴位置来实现。光学显微成像单元能够对试样安装与对中调整过程进行观测，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。整套压电驱动微拉伸测试装置可以方便的进行被拉伸试样与位移传感器探测头的安装调整，直接测量被拉伸试样上的轴向拉力与轴向变形位移，装置整体结构简单实用。

Claims (5)

1.一种压电驱动微拉伸测试装置，包括压电驱动单元、微型拉力传感器、微位移检测单元、位置调整单元、光学显微成像单元及底座，其特征在于：所述的位置调整单元包括一个四自由度微动台和一个三自由度微动台，四自由度微动台安装在底座的左侧，三自由度微动台安装在底座的右侧；压电驱动单元通过转接板固定在四自由度微动台上，压电驱动单元的位移输出端连接微型拉力传感器的固定端，微型拉力传感器的检测端通过螺栓连接动载物台，静载物台安装在三自由度微动台的工作面上；动载物台与静载物台在同一平面上，被拉伸试件的两端分别于动载物台和静载物台相连；微位移检测单元由电容式位移传感器探测头、L型检测板与位移传感器支架组成；位移传感器支架底部固定在底座上，L型检测板短臂粘固在动载物台的下面；电容式位移传感器探测头中部穿过位移传感器支架上部的光孔，通过顶丝从外侧将电容式位移传感器探测头紧固；L型检测板的长臂表面与电容式位移传感器探测头的端面均呈竖直放置且保持平行，通过调节四自由度微动台使L型检测板的长臂表面与位移传感器探测头的端面之间的距离在安装范围之内；所述的压电驱动单元包括压电叠堆致动器，压电叠堆致动器设置在具有位移放大功能且结构对称的封装体的对称轴上，压电叠堆致动器关于封装体的对称轴对称，压电驱动单元的输出位移与压电驱动单元的位移驱动方向相反或垂直。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动微拉伸测试装置，其特征在于：所述的四自由度微动台的四自由度为X轴、Y轴的移动及X轴、Z轴的旋转。

3.根据权利要求1所述的一种压电驱动微拉伸测试装置，其特征在于：所述的三自由度微动台的三自由度为X轴、Y轴、Z轴的移动。

4.根据权利要求1所述的一种压电驱动微拉伸测试装置，其特征在于：所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式柔性杠杆放大机构，对称轴的两侧各分布位移放大杠杆与柔性铰链，杠杆的位移输出通过两个平行连杆与柔性铰链传动到封装体的位移输出端，位移输出端采用单个螺纹孔连接；压电叠堆致动器由U型框架包围，通过位于U型框架的底部框架中的预紧螺钉对压电叠堆致动器施加预紧力；U型框架的两侧框架各有用于固定压电驱动单元的两个螺纹孔。

5.根据权利要求1所述的一种压电驱动微拉伸测试装置，其特征在于：所述的具有位移放大功能且结构对称的封装体是指封装体采用对称式三角放大机构，以两个等腰钝角三角形的底边为对称轴，在封装体的对称轴一端装配预紧螺钉对压电叠堆致动器施加预紧力，两个等腰三角形的顶角端部各有一个螺纹孔，分别用于压电驱动单元的固定与位移输出。