CN106370521A - 一种原位拉压测试平台及观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位拉压测试平台及观测系统，涉及精密科学仪器领域。一种原位拉压测试平台，其包括拉压加载单元、检测单元、温度加载单元、底座。拉压加载单元包括动力组件、相互配合的第一支撑体和第一夹体、相互配合的第二支撑体和第二夹体。温度加载单元设置于第一夹体、第二夹体之间。动力组件包括直流伺服电机、传动机构。检测单元包括拉压力传感器、与直流伺服电机连接的光电编码器。其可以对热场作用下试样受拉压载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测，具有体积精巧、测试精度高、与显微设备兼容性好等优点。本发明还提供一种运用上述原位拉压测试平台的观测系统。

Description

一种原位拉压测试平台及观测系统

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域，具体而言，涉及一种原位拉压测试平台及观测系统。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜、工业CT等显微设备对各种载荷作用下材料发生的微观变形、损伤进行全程原位监测的一种力学测试方法。

在诸多微纳米力学参数测试的范畴中，涉及到拉压载荷的力学参数是材料重要的力学特性，但目前在力热耦合作用下的原位拉压测试领域还不完善，具体表现为：受到显微设备的尺寸限制，目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位微纳米拉压测试上，缺少对宏观尺寸(毫米级以上)尺度的原位拉压力学测试，由于尺寸效应的存在，这些研究具有较大的局限性。由于原位拉压测试技术发展不成熟，目前的原位拉压测试设备无法集成热场装置，只能进行常温下的拉压测试，无法进行热场作用下的原位拉压测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位拉压测试平台，其用于对力热耦合加载的材料微观力学性能原位拉压测试，具有体积精巧、测试精度高、与显微设备兼容性好等优点，可以对热场作用下试样受拉压载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测，同时测试平台结合软件算法，得到材料抗拉强度等重要参数。

本发明的另一目的在于提供一种观测系统，其能够对热场作用下试样受拉压载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测。

本发明提供一种技术方案：

一种原位拉压测试平台，用于对力热耦合加载的待测试样的微观力学性能进行原位拉压测试。其包括拉压加载单元、检测单元、温度加载单元、底座；拉压加载单元、检测单元、温度加载单元皆安装于底座。

拉压加载单元包括动力组件、相互配合的第一支撑体和第一夹体、相互配合的第二支撑体和第二夹体。第一支撑体、第二支撑体均安装于底座，第一夹体、第二夹体分别夹持待测试样的两端，用于加热待测试样的温度加载单元设置于第一夹体、第二夹体之间。

动力组件包括相互配合连接的直流伺服电机、传动机构，直流伺服电机与传动机构配合传动，以驱使第一夹体可选地远离和靠近第二夹体。

检测单元包括拉压力传感器、与直流伺服电机连接的光电编码器，拉压力传感器与第二夹体连接。

在本发明较佳的实施例中，上述传动机构包括齿轮减速箱，直流伺服电机与齿轮减速箱的输入轴连接，齿轮减速箱的输出轴与第一支撑体连接。

在本发明较佳的实施例中，上述传动机构还包括丝杠固定座、滚珠直线导轨以及配合传动的蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠，蜗轮蜗杆副由减速箱驱动。

丝杠固定座、滚珠直线导轨均安装于底座，滚珠丝杠安装于丝杠固定座，第一夹体与滚珠直线导轨配合连接，且沿滚珠直线导轨滑动。

滚珠丝杠带动固定于滚珠直线导轨的第一夹体运动，使第一夹体远离或靠近第二夹体。

在本发明较佳的实施例中，上述第一夹体包括第一夹板、与第一夹板连接的第一压板，第二夹体包括第二夹板、与第二夹板连接的第二压板。第一夹板、第一压板通过锯齿状结构咬合，第二夹板、第二压板通过锯齿状结构咬合。

在本发明较佳的实施例中，上述温度加载单元包括加热台、隔热板，隔热板安装于底座。加热台安装于隔热板，加热台设有凹槽，在第一夹体和第二夹体之间的待测试样的部分置于凹槽中。

在本发明较佳的实施例中，上述温度加载单元还包括用于对第二夹体进行冷却的冷却装置。冷却装置一端与拉压力传感器连接，另一端与第二夹体连接。

在本发明较佳的实施例中，上述冷却装置为水冷体系。

在本发明较佳的实施例中，上述第一夹体、第二夹体材质为耐热材料。

在本发明较佳的实施例中，上述第一夹体、第二夹体材质为陶瓷。

一种观测系统，包括上述的原位拉压测试平台。

本发明提供的原位拉压测试平台及观测系统的有益效果是：通过温度加载单元对待测试样进行加热，使待测试样在热场作用下进行宏观尺寸(毫米级以上)尺度的原位拉压力学测试。从而揭示待测试样在热场作用和拉压载荷下的力学特性和损伤机理。检测单元对待测试样热场作用下的载荷进行检测，实现宏观尺寸的测试，该原位拉压测试平台体积精巧、测试精度高、与显微设备兼容性好；并可集成在光学显微系统、扫描电子显微镜、工业CT等显微设备中对试样进行原位监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的原位拉压测试平台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的原位拉压测试平台的侧视图；

图3为本发明实施例提供的原位拉压测试平台的侧视图；

图4为本发明实施例提供的原位拉压测试平台的府视图；

图5为本发明实施例提供的夹体的结构示意图。

图标：101-原位拉压测试平台；102-待测试样；100-拉压加载单元；110-动力组件；111-直流伺服电机；120-第一支撑体；130-第二支撑体；140-第一夹体；141-第一夹板；142-第一压板；150-第二夹体；151-第二夹板；152-第二压板；200-检测单元；210-拉压力传感器；220-光电编码器；300-温度加载单元；310-加热台；311-凹槽；320-隔热板；330-冷却装置；400-底座；500-传动机构；510-齿轮减速箱；520-第一级蜗轮蜗杆副；521-一级蜗杆；522-一级蜗轮；530-第二级蜗轮蜗杆副；531-二级蜗杆；532-二级蜗轮；540-滚珠丝杠；550-丝杠固定座；560-滚珠直线导轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的原位拉压测试平台101的结构示意图。请一并参阅图1-图4，本实施例提供了一种原位拉压测试平台101。用于对待测试样102进行微观力学性能原位拉压测试，原位拉压测试平台101包括拉压加载单元100、检测单元200、温度加载单元300、底座400。拉压加载单元100、检测单元200、温度加载单元300皆安装于底座400。

待测试样102套设于温度加载单元300内，温度加载单元300为待测试样102提供热场，拉压加载单元100对待测试样102进行拉伸或压缩，检测单元200与拉压加载单元100配合连接，对待测试样102的拉压力的变化进行检测。

拉压加载单元100包括动力组件110、第一支撑体120、第二支撑体130、第一夹体140、第二夹体150。第一夹体140连接于第一支撑体120，第二夹体150连接于第二支撑体130。第一支撑体120、第二支撑体130均安装于底座400。动力组件110驱动第一支撑体120及第一夹体140，使第一支撑体120及与其连接的组件与第二支撑体130相对运动。第一夹体140、第二夹体150分别夹持待测试样102的两端。图1所示为处于第二夹体150夹紧待测试样102的一端，第一夹体140还未夹持待测试样102的另一端的状态的原位拉压测试平台101。

在本发明中，第一夹体140与第一支撑体120的连接方式为螺栓紧固连接，第二夹体150与第二支撑体130的连接方式为螺栓紧固连接。在本发明的其他实施例中，其连接方式也可以为其他固定连接，例如焊接。

在本实施例中，第一夹体140、第二夹体150的材质为陶瓷。在本发明的其他实施例中，第一夹体140、第二夹体150的材质也可为碳化硅、耐热玻璃等其他耐热材料，以减少温度场对机械结构的影响。

图5为本发明实施例提供的夹体的结构示意图。请参阅图5，第一夹体140包括相互连接的第一夹板141、第一压板142，第二夹体150包括相互连接的第二夹板151、第二压板152。在本实施例中，第一夹板141、第一压板142的连接的方式为螺栓紧固连接，第二夹板151、第二压板152的连接的方式为螺栓紧固连接。在本发明的其他实施例中，其连接方式也可以为其它紧固连接，例如通过其它夹紧件对其夹紧。

第一夹板141、第一压板142相向端面设有锯齿状结构，以咬合紧固待测试样102的一端；第二夹板151、第二压板152相向端面设有锯齿状结构，以咬合紧固待测试样102的另一端。

需要说明的是，在本发明其他实施例中，第一夹板141、第一压板142用于夹持待测试样102的相向端面也可以为平面、具有凸起的端面等。同理，第二夹板151、第二压板152用于夹持待测试样102的相向端面也可以为平面、具有凸起的端面等。

动力组件110包括直流伺服电机111、传动机构500；传动机构500与第一支撑体120连接，直流伺服电机111输出动力通过传动机构500传动至与第一支撑体120连接的第一夹体140，驱使第一夹体140运动，使第一夹体140远离和靠近第二夹体150。

传动机构500包括齿轮减速箱510、相互配合的第一级蜗轮蜗杆副520与第二级蜗轮蜗杆副530，直流伺服电机111与齿轮减速箱510的输入轴连接，齿轮减速箱510的输出轴与第一级蜗轮蜗杆副520连接。齿轮减速箱510的输出轴传动于第一级蜗轮蜗杆副520与第二级蜗轮蜗杆副530，第二级蜗轮蜗杆副530传动于第一支撑体120。

第一级蜗轮蜗杆副520包括相互配合的一级蜗杆521、一级蜗轮522，第二级蜗轮蜗杆副530包括相互配合的二级蜗杆531、二级蜗轮532。

齿轮减速箱510用于对直流伺服电机111输出的动力进行初次减速增扭，齿轮减速箱510输出的动力经过一级蜗杆521带动一级蜗轮522转动实现二次减速增扭。一级蜗轮522传动于二级蜗杆531，二级蜗杆531带动二级蜗轮532转动实现三次减速增扭。

需要说明的是在本发明的其他实施例中，也可以根据直流伺服电机111的输出功率以及原位测试的具体需求而选择传动机构500是否需要蜗轮蜗杆副，以及蜗轮蜗杆副的数量。

传动机构500还包括滚珠丝杠540、丝杠固定座550、滚珠直线导轨560，丝杠固定座550固定安装于底座400，滚珠丝杠540安装于丝杠固定座550，滚珠直线导轨560与第一支撑体120远离第一夹体140的一端固定连接，滚珠直线导轨560与待测试样102的轴线平行，以实现对待测试样102进行轴线拉伸。

二级蜗轮532输出动力使滚珠丝杠540转动，滚珠丝杠540将回转运动转化为直线运动，滚珠丝杠540带动固定于滚珠直线导轨560的第一夹体140沿滚珠直线导轨560的轴线方向来回运动，实现对待测试样102的拉伸或压缩。

检测单元200包括拉压力传感器210、光电编码器220，光电编码器220安装于直流伺服电机111尾端，与直流伺服电机111配合使用。拉压力传感器210一端与第二支撑体130连接，另一端与第二夹体150连接。待测试样102受到的拉压载荷通过第二夹体150将载荷传递到拉压力传感器210。

温度加载单元300相对独立的设置于第一夹体140、第二夹体150之间，温度加载单元300包括加热台310、隔热板320、冷却装置330。隔热板320安装于底座400，用于隔绝加热台310的热量保护底座400。加热台310安装于隔热板320，加热台310设有凹槽311。在原位拉压测试平台101测试过程中，夹持于第一夹体140和第二夹体150之间的待测试样102的部分置于凹槽311中。加热台310通过凹槽311对待测试样102进行加热。

在本实施例中，凹槽311为半圆柱形，凹槽311与待测试样102的轴线平行，使待测试样102受热均匀。在本发明的其他实施例中，凹槽311也可以为长方体形，U型等其他形状。

冷却装置330一端与第二夹体150连接，另一端与拉压力传感器210连接。冷却装置330对加热台310传递至第一支撑体120的热冷却，冷却装置330第二夹体150以保证拉压力传感器210在温度加载时始终保持其正常工作温度。

在本实施例中，冷却装置330为采用水冷体系，冷却装置330设置有水道，冷却装置330设有进水口以及出水口。在本发明的其他实施例中，冷却装置330也可以为其他冷却体系，例如液氮等却体系等。

原位拉压测试平台101的工作原理为：待测试样102的两端通过第一夹体140、第二夹体150紧固夹持，运行温度加载单元300的加热台310、冷却装置330处于运行状态。

直流伺服电机111启动，光电编码器220检测直流伺服电机111的转速大小和方向。齿轮减速箱510对直流伺服电机111输出的动力进行初次减速增扭，齿轮减速箱510输出的动力经过一级蜗杆521带动一级蜗轮522转动实现二次减速增扭，二级蜗杆531带动二级蜗轮532转动实现三次减速增扭。

二级蜗轮532输出动力使滚珠丝杠540转动，滚珠丝杠540将回转运动转化为直线运动，滚珠丝杠540带动固定于滚珠直线导轨560的第一夹体140运动。使第一夹体140远离第二夹体150，对待测试样102进行拉伸。

待测试样102受到的拉压载荷通过第二夹体150将载荷传递到拉压力传感器210。完成对待测试样102的原位拉伸测试。

需要说明的是，在进行测试前，需要对测试系统的机械结构进行刚度标定，以消除制造装配误差对载荷信号的干扰，并将刚度影响系数添加到测试曲线中去。另外，测试前的温度加载单元300的标定工作也不可忽视，以保证温度加载的准确性，将温度波动控制在一定范围内。在进行温度场下的原位扭转测试时，可以先控制温度加载，一段时间后将试样中心温度升到指定值。

本发明还提供一种观测系统，该观测系统包括上述原位拉压测试平台101。原位拉压测试平台101置于该观测系统的观测腔内，对热场作用下试样受拉压载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测。

本发明提供的原位拉压测试平台101能在热场作用下对试样进行宏观尺寸(毫米级以上)尺度的原位拉压力学测试。具有体积精巧、测试精度高、与显微设备兼容性好等优点，并可集成在光学显微系统、扫描电子显微镜、工业CT等显微设备中对试样进行原位监测。

本发明还提供的观测系统可以对热场作用下试样受拉压载荷过程中的材料微观力学特性和损伤机制进行原位观测，同时测试平台结合软件算法，得到材料抗拉强度等重要参数。

需要说明的是，本发明中的所提及的待测试样102可以是各种材质，例如，金属、合金、非金属(如塑料、陶瓷等)。待测试样102具有各种结构，具体可以根据测试需要进行调整，或者相应地根据温度加载单元300的结构进行调整，并不以如图1至图5中所示的为限。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位拉压测试平台，用于对力热耦合加载的待测试样的微观力学性能进行原位拉压测试，其特征在于，所述原位拉压测试平台包括拉压加载单元、检测单元、温度加载单元、底座；所述拉压加载单元、所述检测单元、所述温度加载单元皆安装于所述底座；所述拉压加载单元包括动力组件、相互配合的第一支撑体和第一夹体、相互配合的第二支撑体和第二夹体；所述第一支撑体、所述第二支撑体均安装于所述底座，所述第一夹体、所述第二夹体分别夹持所述待测试样的两端，用于加热所述待测试样的所述温度加载单元设置于所述第一夹体、所述第二夹体之间；所述动力组件包括相互配合连接的直流伺服电机、传动机构，所述直流伺服电机与所述传动机构配合传动，以驱使所述第一夹体可选地远离或靠近所述第二夹体；所述检测单元包括拉压力传感器、与所述直流伺服电机连接的光电编码器，所述拉压力传感器与所述第二夹体连接。

2.根据权利要求1所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述传动机构包括齿轮减速箱，所述直流伺服电机与所述齿轮减速箱的输入轴连接，所述齿轮减速箱的输出轴与所述第一支撑体连接。

3.根据权利要求2所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述传动机构还包括丝杠固定座、滚珠直线导轨以及配合传动的蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠，所述蜗轮蜗杆副由所述减速箱驱动；

所述丝杠固定座、所述滚珠直线导轨均安装于所述底座，所述滚珠丝杠安装于所述丝杠固定座，所述第一夹体与所述滚珠直线导轨配合连接，且沿所述滚珠直线导轨滑动；

所述滚珠丝杠带动固定于所述滚珠直线导轨的所述第一夹体运动，使所述第一夹体远离或靠近所述第二夹体。

4.根据权利要求1所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述第一夹体包括第一夹板、与所述第一夹板连接的第一压板，所述第二夹体包括第二夹板、与所述第二夹板连接的第二压板，所述第一夹板、所述第一压板通过锯齿状结构咬合，所述第二夹板、所述第二压板通过锯齿状结构咬合。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述温度加载单元包括加热台、隔热板，所述隔热板安装于所述底座，所述加热台安装于所述隔热板，所述加热台设有凹槽，在所述第一夹体和所述第二夹体之间的所述待测试样的部分置于所述凹槽中。

6.根据权利要求5所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述温度加载单元还包括用于对所述第二夹体进行冷却的冷却装置，所述冷却装置一端与所述拉压力传感器连接，另一端与所述第二夹体连接。

7.根据权利要求6所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述冷却装置为水冷体系。

8.根据权利要求1所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述第一夹体、所述第二夹体材质为耐热材料。

9.根据权利要求8所述的原位拉压测试平台，其特征在于，所述第一夹体、所述第二夹体材质为陶瓷。

10.一种观测系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述原位拉压测试平台。