CN106680089A - 具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，其特征是包括：夹持机构，加载机构，对中机构，拉力传感器，光栅传感器，活动端支承机构和固定端支承机构。本发明能实现对微构件拉伸测试所需的夹持和微纳米级精度的加载，夹持和拉伸过程中有具有良好的对中性，能克服现有测试方法中夹持不对中引起的测量误差，并且操作方便，成本低。

Description

具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置
技术领域
本发明涉及一种薄膜材料技术领域的微纳材料的力学性能测试装置，具体的说是一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种材料的微构件被广泛应用于微器件中。MEMS微构件的尺寸一般在毫米级到微米级，受加工工艺，尺寸效应，表面缺陷等因素影响，微尺寸下材料的力学性能与宏观尺寸下的力学性能可能发生较大的变化。因此微构件力学性能是研究MEMS重要的理论基础，对MEMS器件的可靠性设计十分重要。单轴拉伸试验是测量材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等参数最直接的方法，但由于微构件的尺寸小，传统拉伸测试设备存在试样的夹持，对中和加载等不足，需要设计出适应微构件力学性能测量的拉伸试验系统。
目前，上海交通大学刘瑞等通过UV-LIGA技术制备了具有蛇形支撑弹簧的薄膜测试系统，清华大学温诗铸等采用动磁驱动方式，通过对激励电流的精确控制实现对驱动力的控制，哈尔滨工业大学周琴等采用步进电机驱动特制的左-右旋丝杠螺母副进行拉伸加载，车琳等在构件上施加拉压复合载荷，结合动静态测试实现对疲劳特性研究。这些测试技术还存在难以实现微力微位移加载，对中性差，试样制备复杂等缺点，不能适应各种薄膜材料的夹持和拉伸测试。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种操作方便、成本低的具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，以期能克服现有测试方法中夹持不对中引起的测量误差，实现微力微位移的微纳米级精确加载，保证夹持和拉伸过程中良好的对中性，从而适应各种材料的微构件力学性能测试。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置的特点是包括：活动端夹持机构、固定端夹持机构、加载机构、对中机构、拉力传感器、光栅传感器、活动端支承机构和固定端支承机构；
所述活动端支承机构包括：加载机构工作台、底座、活动端夹持机构工作台和精密直线导轨；
所述固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台和五维微动台；
所述对中机构包括：半导体激光器、半透半反镜、反射光线接收屏、第一透镜组、第一摄像机、折射光线接收屏、第二透镜组和第二摄像机；
在所述底座上分别设置有所述加载机构工作台和精密直线导轨，且所述加载机构工作台与所述精密直线导轨的对称轴在同一竖直面上；在所述精密直线导轨上设置有所述活动端夹持机构工作台；在所述活动端夹持机构工作台上设置有活动端夹持机构，在所述活动端夹持机构工作台的一侧设置有所述光栅传感器；在所述加载机构工作台上设置有所述加载机构，在朝向所述加载机构工作台一侧的活动端夹持机构工作台上设置有所述拉力传感器；且所述拉力传感器与所述加载机构螺纹连接；
在所述底座的前方设置有所述五维微动台；在所述五维微动台上设置有所述固定端夹持机构工作台；在所述固定端夹持机构工作台上设置有所述固定端夹持机构；且所述固定端夹持机构与所述活动端夹持机构相对设置，分别用于夹持拉伸试件的两端；由所述加载机构产生对所述活动端夹持机构的拉力，使得所述活动端夹持机构在所述精密直线导轨上移动，并拉伸所述拉伸试件；
在所述固定端夹持机构上设置有所述半导体激光器；在所述活动端夹持机构上设置有所述半透半反镜；由所述半导体激光器发射的激光经过所述半透半反镜的处理分为折射光和反射光；
在所述加载机构工作台后方的底座上，且处于所述折射光的光路上设置有所述折射光线接收屏；在所述第二摄像机上安装有所述第二透镜组，并用于采集所述折射光线接收屏上的折射光的光斑；
在所述底座的一侧，且处于所述反射光的光路上设置有所述反射光线接收屏；在所述第一摄像机上安装有所述第一透镜组，并用于采集所述反射光线接收屏上的反射光的光斑。
本发明所述的结合柔性铰链的微构件拉伸测试装置的特点也在于，
加载机构包括：垫片、第一压电陶瓷驱动器和加载机构柔性铰链；
所述加载机构柔性铰链是结构对称的多级放大柔性铰链机构，包括输入级放大结构、中间级放大结构和输出级放大结构；
在所述输入级放大结构中设置有所述第一压电陶瓷驱动器和用于预紧的垫片；
由所述第一压电陶瓷驱动器产生的位移量经过所述加载机构柔性铰链进行放大后输出。
所述活动端夹持机构和所述固定端夹持机构的结构相同，均包括：第二压电陶瓷驱动器、夹持机构柔性铰链、楔形垫片组、右夹持头和左夹持头；
所述夹持机构柔性铰链是结构对称的多级放大柔性铰链机构，其包括输入端放大结构和输出端放大结构；
在所述输入端放大结构中设置有所述第二压电陶瓷驱动器和用于预紧的楔形垫片组；
在所述输出端放大结构上设置有所述右夹持头和左夹持头；
由所述第二压电陶瓷驱动器产生的位移量经过所述夹持机构柔性铰链进行放大后输出，使得所述右夹持头和左夹持头闭合夹紧。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的加载机构和夹持机构都应用了柔性铰链机构，可通过改变每一级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，采用压电陶瓷驱动器驱动，经柔性铰链将位移放大输出，可通过调节加载在压电陶瓷驱动器上的电压来实现微力微位移的精确加载，柔性铰链的结构对称设计，可以保证微构件的夹持对中，拉力加载方向沿着微构件伸长的轴线。
2、本发明设计了对中机构，以激光准直特性为基础并结合折反射定律，采用正交二维相机获得包含平移和角偏移的激光光点图像信息，建立了二维位移和二维角偏移与激光器成像点变化的数学模型，依据该模型，对获取图像进行处理获得需要调整的二维平移和角偏移参数变量，可为微构件拉伸测试的对中过程提供调整参数并提高了拉伸测试数据的准确性，克服了测量中由于夹持不对中引起的实验误差。
3、本发明选用的拉力传感器，根据被测材料的参考力学性能进行选型，可根据不同的被测材料进行替换，以适应多种不同材料的微构件力学性能测量。
4、本发明所用器件和拉伸试件的制备工艺简单，实验操作方便，成本低，能满足多种材料的微构件力学性能的精确检测要求。
附图说明
图1是本发明测试装置的整体结构图；
图2a是本发明活动端支承机构和光栅传感器的结构图；
图2b是本发明固定端支承机构的结构图；
图2c是本发明加载机构的结构图；
图2d是本发明夹持机构的结构图；
图3是本发明对中机构的成像光路原理图；
图4是本发明拉伸试件的形状示意图；
图中标号：1加载机构；2拉力传感器；3活动端夹持机构；4光栅传感器；5固定端夹持机构；6五维微动台；7半导体激光器；8半透半反镜；9第一透镜组；10第一摄像机；11反射光线接收屏；12第二透镜组；13第二摄像机；14折射光线接收屏；15拉伸试件；16工作台；17固定端夹持机构工作台；18底座；19精密直线导轨；20活动端夹持机构工作台；21光栅读数头；22光栅尺；23加载机构工作台；24精密角位移台；25精密旋转台；26第一精密平移台；27第二精密平移台；28精密升降台；29垫片；30第一压电陶瓷驱动器；31加载机构柔性铰链；32第二压电陶瓷驱动器；33夹持机构柔性铰链；34楔形垫片组；35右夹持头；36左夹持头。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中，具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置包括：活动端夹持机构3、固定端夹持机构5、加载机构1、对中机构、拉力传感器2、光栅传感器4、活动端支承机构16和固定端支承机构；
如图2a所示，活动端支承机构包括：加载机构工作台23、底座18、活动端夹持机构工作台20和精密直线导轨19；
在底座18上分别设置有加载机构工作台23和精密直线导轨19，且加载机构工作台23与精密直线导轨19的对称轴在同一竖直面上；在精密直线导轨19上设置有活动端夹持机构工作台20；在活动端夹持机构工作台20上设置有活动端夹持机构3，从而活动端夹持机构20可沿精密直线导轨19做直线运动；在活动端夹持机构工作台20的一侧设置有光栅传感器4；光栅传感器4包括光栅尺22和光栅读数头21，光栅尺22粘贴在活动端夹持机构工作台20的侧壁，光栅读数头21安装在距光栅尺22表面0.8mm的固定位置；在加载机构工作台23上设置有加载机构1，在朝向加载机构工作台23一侧的活动端夹持机构工作台20上设置有拉力传感器2；且拉力传感器2与加载机构1螺纹连接；拉力传感器2是根据被测材料的参考力学性能进行选型，可根据不同的被测材料进行替换，以适应多种不同材料的微构件力学性能测量；
如图2c所示，加载机构1包括：垫片29、第一压电陶瓷驱动器30和加载机构柔性铰链31；加载机构柔性铰链31是结构对称的多级放大柔性铰链机构，包括输入级放大结构、中间级放大结构和输出级放大结构；
在输入级放大结构中设置有第一压电陶瓷驱动器30和用于预紧的垫片29；调节加载在第一压电陶瓷驱动器30上的电压，使第一压电陶瓷驱动器30伸长，输出微纳米级的微小位移量，由第一压电陶瓷驱动器30产生的位移量经过加载机构柔性铰链31进行放大后输出，提供拉伸测试所需拉力。可通过调节加载的电压使第一压电陶瓷驱动器30产生不同的伸长量，经放大后得到不同的输出位移量；也可通过改变加载机构柔性铰链31的各级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，得到不同的输出拉力，以适应不同材料或不同尺寸的拉伸试件15的拉伸测试。加载机构柔性铰链31的结构对称设计，可消除侧向的附加位移，保证测量时加载的拉力沿着拉伸试件15伸长的轴线。
如图2b所示，固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台17和五维微动台6；
在底座18的前方设置有五维微动台6；五维微动台6包括精密角位移台24，可实现绕x轴的旋转；精密旋转台25，可实现绕z轴的旋转；第一精密平移台26，可实现沿y轴的平移；第二精密平移台27，可实现沿x轴的平移；精密升降台28，可实现沿z轴的平移；在五维微动台6上设置有固定端夹持机构工作台17；在固定端夹持机构工作台17上设置有固定端夹持机构5；且固定端夹持机构5与活动端夹持机构3相对设置，分别用于夹持拉伸试件15的两端；由加载机构1产生对活动端夹持机构3的拉力，使得活动端夹持机构3在精密直线导轨19上移动，并拉伸拉伸试件15；
如图2d所示，活动端夹持机构3和固定端夹持机构5的结构相同，均包括：第二压电陶瓷驱动器32、夹持机构柔性铰链33、楔形垫片组34、右夹持头35和左夹持头36；
夹持机构柔性铰链33是结构对称的多级放大柔性铰链机构，包括输入端放大结构和输出端放大结构；
在输入端放大结构中设置有第二压电陶瓷驱动器32和用于预紧的楔形垫片组34；
在输出端放大结构上设置有右夹持头35和左夹持头36；
调节加载在第二压电陶瓷驱动器32上的电压，使第二压电陶瓷驱动器32伸长输出微纳米级的微小位移量，由第二压电陶瓷驱动器32产生的位移量经过夹持机构柔性铰链33进行放大后输出，使得右夹持头35和左夹持头36闭合夹紧。夹持机构柔性铰链33的结构对称设计，可保证拉伸试件15的夹持对中；可通过改变夹持机构柔性铰链33的各级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，从而输出不同的夹紧力，以适应不同尺寸拉伸试件的夹紧要求。右夹持头35的夹持面上设计有凸台，左夹持头36的夹持面上设计有凹槽，保证测量时拉伸试件15被牢固夹持住，以避免滑动并夹持对中。
如图3所示，对中机构包括：半导体激光器7、半透半反镜8、反射光线接收屏11、第一透镜组9、第一摄像机10、折射光线接收屏14、第二透镜组12和第二摄像机13；
在固定端夹持机构5上设置有半导体激光器7；在活动端夹持机构3上设置有半透半反镜8；由半导体激光器7发射的激光经过半透半反镜8的处理分为折射光和反射光；
在加载机构工作台23后方的底座18上，且处于折射光的光路上设置有折射光线接收屏14；在第二摄像机13上安装有第二透镜组12，并用于采集折射光线接收屏14上的折射光的光斑；
在底座18的一侧，且处于反射光的光路上设置有反射光线接收屏11；在第一摄像机10上安装有第一透镜组9，并用于采集反射光线接收屏11上的反射光的光斑。
如图4所示，拉伸试件15的形状为狗骨状，以便于夹持，其厚度可在0.02mm-0.05mm之间选取，本实施例中选做了镍和铜两种材料的拉伸试件，可通过精密激光切割或化学电镀的工艺加工获得。
使用本发明时，首先利用对中机构对固定端夹持机构5进行水平对中调整，对中机构的成像光路原理如图3所示，半导体激光器7发射出激光，经过与出射光线呈45°放置的半透半反镜8时发生折射与反射，折射光线成像于折射光线接收屏14，第二摄像机13通过第二透镜组12获取屏上图像；反射光线成像于反射光线接收屏11，第一摄像机10通过第一透镜组9获取屏上图像；两台摄像机可实时采集激光光点变化的图像信息，并对采集到的图像信息进行处理，获得光点的坐标(x1,y1)和(x2,y2)，计算出半导体激光器7的实际偏移量，然后通过数学模型求出固定端夹持机构5水平对中需要调整的相关参数变化量；调节五维微动台6即可使固定端夹持机构5和活动端夹持机构3实现夹持对中，调整好后，锁紧五维微动台6。
测量时，将拉伸试件15的两端分别放在活动端夹持机构3和固定端夹持机构5的左夹持头36的凹槽中，然后驱动第二压电陶瓷驱动器32使夹持机构柔性铰链33变形，使左夹持头36和右夹持头35闭合，夹紧拉伸试件15。
驱动第一压电陶瓷驱动器30使加载机构柔性铰链31变形产生向后的拉力，带动拉力传感器2和活动端夹持机构3向后运动，可调节加载在第一压电陶瓷驱动器30上的电压来实现微力微位移的精确加载，拉力作用下拉伸试件15伸长。拉力传感器2测量的即是加载在拉伸试件15上的拉力，光栅传感器4测得的活动端夹持机构工作台20的位移即是拉伸试件15的伸长量。已知拉伸试件15的初始长度和横截面积，进而可以绘制出测量过程中拉伸试件15的应力-应变曲线，进一步可求出杨氏模量，泊松比等力学性能参数。

Claims (3)

1.一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，其特征是包括：活动端夹持机构(3)、固定端夹持机构(5)、加载机构(1)、对中机构、拉力传感器(2)、光栅传感器(4)、活动端支承机构(16)和固定端支承机构；
所述活动端支承机构包括：加载机构工作台(23)、底座(18)、活动端夹持机构工作台(20)和精密直线导轨(19)；
所述固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台(17)和五维微动台(6)；
所述对中机构包括：半导体激光器(7)、半透半反镜(8)、反射光线接收屏(11)、第一透镜组(9)、第一摄像机(10)、折射光线接收屏(14)、第二透镜组(12)和第二摄像机(13)；
在所述底座(18)上分别设置有所述加载机构工作台(23)和精密直线导轨(19)，且所述加载机构工作台(23)与所述精密直线导轨(19)的对称轴在同一竖直面上；在所述精密直线导轨(19)上设置有所述活动端夹持机构工作台(20)；在所述活动端夹持机构工作台(20)上设置有活动端夹持机构(3)，在所述活动端夹持机构工作台(20)的一侧设置有所述光栅传感器(4)；在所述加载机构工作台(23)上设置有所述加载机构(1)，在朝向所述加载机构工作台(23)一侧的活动端夹持机构工作台(20)上设置有所述拉力传感器(2)；且所述拉力传感器(2)与所述加载机构(1)螺纹连接；
在所述底座(18)的前方设置有所述五维微动台(6)；在所述五维微动台(6)上设置有所述固定端夹持机构工作台(17)；在所述固定端夹持机构工作台(17)上设置有所述固定端夹持机构(5)；且所述固定端夹持机构(5)与所述活动端夹持机构(3)相对设置，分别用于夹持拉伸试件(15)的两端；由所述加载机构(1)产生对所述活动端夹持机构(3)的拉力，使得所述活动端夹持机构(3)在所述精密直线导轨(19)上移动，并拉伸所述拉伸试件(15)；
在所述固定端夹持机构(5)上设置有所述半导体激光器(7)；在所述活动端夹持机构(3)上设置有所述半透半反镜(8)；由所述半导体激光器(7)发射的激光经过所述半透半反镜(8)的处理分为折射光和反射光；
在所述加载机构工作台(23)后方的底座(18)上，且处于所述折射光的光路上设置有所述折射光线接收屏(14)；在所述第二摄像机(13)上安装有所述第二透镜组(12)，并用于采集所述折射光线接收屏(14)上的折射光的光斑；
在所述底座(18)的一侧，且处于所述反射光的光路上设置有所述反射光线接收屏(11)；在所述第一摄像机(10)上安装有所述第一透镜组(9)，并用于采集所述反射光线接收屏(11)上的反射光的光斑。
2.根据权利要求1所述的结合柔性铰链的微构件拉伸测试装置，其特征是加载机构(1)包括：垫片(29)、第一压电陶瓷驱动器(30)和加载机构柔性铰链(31)；
所述加载机构柔性铰链(31)是结构对称的多级放大柔性铰链机构，包括输入级放大结构、中间级放大结构和输出级放大结构；
在所述输入级放大结构中设置有所述第一压电陶瓷驱动器(30)和用于预紧的垫片(29)；
由所述第一压电陶瓷驱动器(30)产生的位移量经过所述加载机构柔性铰链(31)进行放大后输出。
3.根据权利要求1所述的结合柔性铰链的微构件拉伸测试装置，其特征是所述活动端夹持机构(3)和所述固定端夹持机构(5)的结构相同，均包括：第二压电陶瓷驱动器(32)、夹持机构柔性铰链(33)、楔形垫片组(34)、右夹持头(35)和左夹持头(36)；
所述夹持机构柔性铰链(33)是结构对称的多级放大柔性铰链机构，其包括输入端放大结构和输出端放大结构；
在所述输入端放大结构中设置有所述第二压电陶瓷驱动器(32)和用于预紧的楔形垫片组(34)；
在所述输出端放大结构上设置有所述右夹持头(35)和左夹持头(36)；
由所述第二压电陶瓷驱动器(32)产生的位移量经过所述夹持机构柔性铰链(33)进行放大后输出，使得所述右夹持头(35)和左夹持头(36)闭合夹紧。
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