CN105259039A - 一种基于悬臂梁的微力测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁的微力测试系统及其测试方法。本发明采用悬臂梁，被测纤维的一端固定，另一端与悬臂梁的自由端相对固定，通过机械平移台移动悬臂梁，使得被测纤维拉长，同时给悬臂梁反作用力产生变形，通过测量悬臂梁的受力和自由端的位移，得到被测纤维的力-位移曲线，从而得到被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面的剪切强度；悬臂梁的受力和自由端的位移都可以准确测得，从而也可以准确地得到被测纤维所受到的微小力和微小变形；并且，本发明的测试部件为悬臂梁，其测试方式简便，受空间几何约束小，测试性能在各种温度、气压等环境下都可以保持良好的稳定性，所以能够满足不同环境的原位测试要求。

Description

一种基于悬臂梁的微力测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及微力实验测试，具体涉及一种基于悬臂梁的微力测试系统及其测试方法。

背景技术

随着现代社会的高速发展，微牛级微小力值在医学、微纳制造以及微机电系统中的力学性能分析中得到了越来越广泛的应用。但是目前我国对于10N以下微小力值尚未建立量传系统。国内对于微力测量装置没有具体的结构设计和加工方法，因此研究一套微力测量系统是很有意义的。

另一方面，由于其力学性能好、质量轻等优点，各种纤维增强复合材料在各个领域都得到了广泛的应用，所以研究单根纤维力学性能和纤维与基体的结合界面的力学性能也是很有必要的一项工作。然而，两项测试的所需的实验力后很小，同时目前也未曾发现符合单根纤维相关测试的微力实验系统，所以建立一套与此相关的微力测试系统是及其有意义的。

发明内容

为了实现与单根纤维相关的力学性能测试，本发明提出了一种基于悬臂梁的微力测试系统及其测试方法，利用高精度的应变片、微型感应放大器和激光位移计，可以精确测量微力和微位移。

本发明的一个目的在于提出一种基于悬臂梁的微力测试系统。

本发明的基于悬臂梁的微力测试系统包括：悬臂梁、应变片、机械平移台、激光位移计、样品固定器、微型感应放大器、数据采集卡、运动控制卡和计算机；其中，悬臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端；悬臂梁的表面设置应变片，应变片与微型感应放大器相连，微型感应放大器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连；机械平移台与运动控制卡相连，运动控制卡与计算机相连；被测纤维的一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定；激光位移计对准被测纤维与悬臂梁的自由端连接的端点，激光位移计连接至计算机；计算机通过运动控制卡控制机械平移台沿着被测纤维的轴向方向运动，被测纤维被拉紧同时悬臂梁受力变形，激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移，并且应变片采集悬臂梁的力信号，传输至计算机，获得被测纤维的力-位移曲线，从而计算被测纤维的弹性模量或剪切强度。

悬臂梁的材料采用钢片，估计被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度，选择悬臂梁的厚度，厚度在0.2～1mm之间，以满足不同的测试精度与量程。

本发明利用利用悬臂梁的力敏感性，悬臂梁在微小力作用下的较大变形，再通多惠斯通电桥测量这个变形，将微小的力信号转换为较大的电信号，从而精确测量微小的作用力，以满足微力测试要求。

本发明的另一个目的在于提供一种基于悬臂梁的微力测试方法。

本发明的基于悬臂梁的微力测试方法，包括以下步骤：

1)按照估计的被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度估算拉力F，再根据拉力和悬臂梁的变形的关系选择适合厚度的悬臂梁，以保证悬臂梁的变形y不大于10mm；悬臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端，准备进行测试，；

2)制备单根的被测纤维，一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定；

3)进行调零：计算机控制机械平移台移动，逐渐拉紧被测纤维，应变片测量悬臂梁受力F，当F刚好大于零时，机械平移台停止移动，并将此时悬臂梁的受力设置为零；

4)计算机设置好机械平移台的运行速度和距离，然后开始测试；

5)机械平移台沿被测纤维的轴向方向运动，被测纤维受到拉力被拉长，同时被测纤维给悬臂梁反作用力，使得悬臂梁变形；

6)在机械平移台移动的过程中，激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移，应变片采集悬臂梁的力信号，并同时将测量到的位移和采集的力信号传输至计算机，得到被测纤维的力-位移曲线；

7)根据获得的力-位移曲线计算被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面的剪切强度。

其中，在步骤1)中，弹性模量、拉力F和悬臂梁的变形与悬臂梁的厚度的关系满足：其中，y为悬臂梁的变形，F为拉力，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片的中心的距离。

在步骤6)中，悬臂梁的自由端的位移即是被测纤维的变形，悬臂梁的受到的拉力即是被测纤维所受的拉力，因此，得到悬臂梁的受力和悬臂梁的自由端的位移，就得到了被测纤维的受力和变形，通过被测纤维的拉力和变形绘制被测纤维的力-位移曲线。

本发明的优点：

本发明采用悬臂梁，被测纤维的一端固定，另一端与悬臂梁的自由端相对固定，通过机械平移台移动悬臂梁，使得被测纤维拉长，同时给悬臂梁反作用力产生变形，通过测量悬臂梁的受力和自由端的位移，得到被测纤维的力-位移曲线，从而得到被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面的剪切强度；悬臂梁的受力和自由端的位移都可以准确测得，从而也可以准确地得到被测纤维所受到的微小力和微小变形；并且，本发明的测试部件为悬臂梁，其测试方式简便，受空间几何约束小，测试性能在各种温度、气压等环境下都可以保持良好的稳定性，所以能够满足不同环境的原位测试要求。

附图说明

图1为本发明的基于悬臂梁的微力测试系统的示意图；

图2为本发明的基于悬臂梁的微力测试系统的悬臂梁的示意图；

图3为本发明的基于悬臂梁的微力测试系统的悬臂梁变形的示意图；

图4(a)为根据本发明的基于悬臂梁的微力测试方法得到的被测纤维的力-位移曲线图，(b)为根据本发明的基于悬臂梁的微力测试方法得到的被测纤维的应力和应变绘制的应力-应变曲线图；

图5为本发明的基于悬臂梁的微力测试系统测试芳纶纤维和环氧树脂界面强度的示意图；

图6为根据本发明的基于悬臂梁的微力测试方法得到的力-位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于悬臂梁的微力测试系统包括：悬臂梁1、应变片3、机械平移台6、激光位移计4、样品固定器2、微型感应放大器5、数据采集卡8、运动控制卡7和计算机9；其中，悬臂梁1的一端固定在机械平移台6上，另一端为自由端；悬臂梁1的表面距离固定端10mm处设置应变片3，如图2所示，应变片3与微型感应放大器5相连，微型感应放大器5与数据采集卡8相连，数据采集卡8与计算机9相连；机械平移台6与运动控制卡7相连，运动控制卡7与计算机9相连；被测纤维0的一端固定在样品固定器2上，另一端设置在悬臂梁1的自由端，与自由端相对位置固定；激光位移计4对准被测纤维与悬臂梁的自由端连接的端点，激光位移计4连接至计算机9。在悬臂梁1的自由端设置有夹缝，被测纤维0的一端夹在狭缝中与悬臂梁的自由端相对固定。

本实施例的基于悬臂梁的微力测试方法，包括以下步骤：

1)查阅相关文献或尝试性实验，以获得被测纤维的弹性模量及其与基体界面的剪切强度的范围，来估算实验过程所需拉力F，再根据拉力和悬臂梁的变形的关系：选择适合厚度的悬臂梁，以保证悬臂梁的变形y不大于10mm，其中，y为悬臂梁的变形，F为拉力，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片中心的距离。悬臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端，准备进行测试。

2)制备单根的被测纤维，一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定。

3)进行调零：计算机控制机械平移台移动，逐渐拉紧被测纤维，应变片测量悬臂梁受力F，当F刚好大于零时，机械平移台停止移动，并将此时悬臂梁的受力设置为零。

4)计算机设置好机械平移台的运行速度和距离，然后开始测试。

5)机械平移台沿被测纤维的轴向方向运动，被测纤维受到拉力F被拉长，同时被测纤维给悬臂梁反作用力F，使得悬臂梁受力变形：

被测纤维所受的拉力与悬臂梁的受力大小相等，均为F，通过应变片的应变ε_c得到悬臂梁的受力F为：

$F=\frac{E_c{\mathrm{Wh}}^2{\mathrm{\ϵ}}_c}{12l}---\left(1\right)$

其中，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片中心的距离；

6)激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移w，并且应变片采集悬臂梁的力信号，传输至计算机，得到被测纤维的力-位移曲线：同时，如图3所示计算机同时记录激光位移计测得的悬臂梁的自由端的位移w，也即被测纤维的轴向变形，再根据式(1)得到的被测纤维的受力F，绘制被测纤维的力-位移曲线，如图4(a)所示。图3中，机械平移台的位移为d，满足d＝w+y。

7)根据获得的力-位移曲线的计算被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面的剪切强度：

(a)被测纤维的弹性模量：

根据被测纤维的直径D和长度L以及力-位移曲线即可计算得到被测纤维的应力σ应变ε_f：

$\mathrm{\σ}=\frac{4F}{{\mathrm{\πD}}^2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{w}{L}---\left(3\right)$

由以上得到的被测纤维的应力σ应变ε_f绘制应力-应变曲线，如图4(b)所示，再根据应力-应变曲线得到被测纤维的弹性模量E_f，

(b)根据获得的力-位移曲线的最大拉力F_max，计算被测纤维与基体界面的剪切强度τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_{max}}{S}---\left(4\right)$

其中，S为被测纤维与基体界面的面积，S＝πDH，其中，H为包埋长度，F_max为最大拉力。在连续的测力过程中，被测纤维与基体界面刚好被破坏的时候的拉力为最大拉力F_max。

如图5所示，以芳纶纤维和环氧树脂制成的微滴为例，芳纶纤维作为被测纤维，环氧树脂芳包裹芳纶纤维制成的微滴形成基体界面，芳纶纤维01的长度50mm，芳纶纤维的直径15μm，微滴04的直径200μm，夹缝02的宽度40μm，机械平移台6的移动速度1mm/min。03为树脂夹块，H为包埋长度，即微滴04的直径。

通过实验，得到典型的力-位移曲线，如图6所示。剪切强度的结果如下表1所示。

表1芳纶纤维、环氧树脂结合界面的剪切强度表

单位：Mpa

纤维与基体界面的剪切强度，决定了纤维增强复合材料整体强度，研究纤维与基体界面的剪切强度是一项必不可少的工作。本发明不仅仅只用于测试单根纤维的弹性模量，也可以用于单根纤维的其他测试。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于悬臂梁的微力测试系统，其特征在于，所述微力测试系统包括：悬臂梁、应变片、机械平移台、激光位移计、样品固定器、微型感应放大器、数据采集卡、运动控制卡和计算机；其中，所述悬臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端；悬臂梁的表面设置应变片，所述应变片与微型感应放大器相连，微型感应放大器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连；所述机械平移台与运动控制卡相连，运动控制卡与计算机相连；被测纤维的一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定；所述激光位移计对准被测纤维与悬臂梁的自由端连接的端点，激光位移计连接至计算机；计算机通过运动控制卡控制机械平移台沿着被测纤维的轴向方向运动，被测纤维被拉紧同时悬臂梁受力变形，激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移，并且应变片采集悬臂梁的力信号，传输至计算机，获得被测纤维的力-位移曲线，从而计算被测纤维的弹性模量或被测纤维与基体界面的剪切强度。

2.如权利要求1所述的微力测试系统，其特征在于，所述悬臂梁的材料采用钢片。

3.如权利要求1所述的微力测试系统，其特征在于，估计被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度，选择悬臂梁的厚度；厚度在0.2～1mm之间。

4.如权利要求3所述的微力测试系统，其特征在于，按照弹性模量、拉力F和悬臂梁的变形与悬臂梁的厚度之间的关系：选择悬臂梁的厚度，以保证悬臂梁的变形y不大于10mm，其中，y为悬臂梁的变形，F为拉力，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片的中心的距离。

5.一种基于悬臂梁的微力测试方法，其特征在于，所述微力测试方法包括以下步骤：

1)按照估计的被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度估算拉力F，再根据拉力和悬臂梁的变形的关系选择适合厚度的悬臂梁；悬臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端，准备进行测试；

2)制备单根的被测纤维，一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定；

3)进行调零；

4)计算机设置好机械平移台的运行速度和距离，然后开始测试；

5)机械平移台沿被测纤维的轴向方向运动，被测纤维受到拉力被拉长，同时被测纤维给悬臂梁反作用力，使得悬臂梁变形；

6)在机械平移台移动的过程中，激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移，应变片采集悬臂梁的力信号，并同时将测量到的位移和采集的力信号传输至计算机，得到被测纤维的力-位移曲线；

7)根据获得的力-位移曲线计算被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面的剪切强度。

6.如权利要求5所述的微力测试方法，其特征在于，在步骤1)中，弹性模量、拉力F和悬臂梁的变形与悬臂梁的厚度的关系满足：以保证悬臂梁的变形y不大于10mm，其中，y为悬臂梁的变形，F为拉力，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片中心的距离。

7.如权利要求5所述的微力测试方法，其特征在于，在步骤3)中，进行调零包括：计算机控制机械平移台移动，逐渐拉紧被测纤维，应变片测量悬臂梁受力F，当F刚好大于零时，机械平移台停止移动，并将此时悬臂梁的受力设置为零。

8.如权利要求5所述的微力测试方法，其特征在于，在步骤7)中，计算被测纤维的弹性模量包括：根据被测纤维的直径D和长度L以及力-位移曲线计算得到被测纤维的应力σ和应变ε_f：

$\mathrm{\σ}=\frac{4F}{{\mathrm{\πD}}^2}$

${\mathrm{\ϵ}}_f=\frac{w}{L}$

其中，w为被测纤维的变形，F为拉力，由被测纤维的应力σ和应变ε_f绘制应力-应变曲线，再根据应力-应变曲线得到被测纤维的弹性模量E_f，

9.如权利要求5所述的微力测试方法，其特征在于，在步骤7)中，根据获得的力-位移曲线的最大拉力F_max，计算被测纤维与基体界面的剪切强度τ包括：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_{\max }}{S}$

其中，S为被测纤维与基体界面的面积，S＝πDH，其中，H为包埋长度，D为被测纤维的直径，F_max为最大拉力。