CN110044531A - 一种高精度应力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料研发领域，一种高精度应力测量装置，包括外框架、弹性连接元件I、移动块I、弹性连接元件II、弹性连接元件III、移动块II、弹性连接元件IV、位移传感器、力学传感器、样品台I、样品、样品台II、致动器连接块、压电致动器I、压电致动器II、压电致动器III和计算机，具有特殊的基于压电致动器的结构，集成了力学传感器及位移传感器，用于高精度地测量材料样品所受应力，能够对样品施加单方向的应力并快速测量样品上的受力，能够结合力学和位移信息来快速测量施加到样品上的力，对样品施加高均匀性的单方向的应力，并能够快速并准确地测量样品的受力，测量过程简单。
Description
技术领域
本发明涉及新材料研发领域，尤其是一种集成了力学及位移传感器的用于高精度地测量材料样品所受应力的一种高精度应力测量装置。
背景技术
对材料样品施加压力或拉力能够直接导致材料原子之间的各向异性变化，从而使得材料的电子结构产生变化，是新材料研发的重要手段，其中一个技术难点是如何对样品施加具有较高的方向性的力，现有技术中对样品施加单方向力的技术包括对顶砧、衬底弯曲装置、压电驱动器等，在基于压电致动器的应力施加技术中，压电致动器相对于其收到的电压信号有一定的滞后性，特别在较大的温度及电压范围下，因此通常采用一个与样品平行的电容式传感器来探测位移，通过将样品的位移除以样品中受到张力的部分的长度，来确定样品受到的张力。现有技术的应力施加装置的弹性系数通常不是远大于样品的弹性系数，以至于在外界压力下装置本身的形变会使得位移传感器的读数产生系统误差，另外，通常用来固定样品的环氧树脂会在外界压力下变形，从而导致位移传感器的精度受到影响，且不同样品受到的所述影响的差异很大，最终样品需要通过非弹性形变来释放受到的应力，因此需要进行多次重复的测量来确保测试结果准确，所述一种高精度应力测量装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明装置集成了力学传感器及位移传感器，能够结合力学和位移信息来快速测量施加到样品上的力。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种高精度应力测量装置包括外框架、弹性连接元件I、移动块I、弹性连接元件II、弹性连接元件III、移动块II、弹性连接元件IV、位移传感器、力学传感器、样品台I、样品、样品台II、致动器连接块、压电致动器I、压电致动器II、压电致动器III、电缆和计算机，xy z为三维空间坐标系，外框架、弹性连接元件I、移动块I、弹性连接元件II、弹性连接元件III、移动块II和弹性连接元件IV由若干种金属材料加工成型为一体，弹性连接元件I、移动块I、弹性连接元件II、弹性连接元件III、移动块II和弹性连接元件IV沿x正方向依次排列，弹性连接元件I、弹性连接元件II、弹性连接元件III和弹性连接元件IV均为长条形片状，移动块I是通过弹性连接元件I和弹性连接元件II连接到外框架的，移动块II是通过弹性连接元件III和弹性连接元件IV连接到外框架的，使得移动块I和移动块II能够相对于外框架移动，弹性连接元件I和弹性连接元件II将移动块I的运动限制在x方向，移动块I与弹性连接元件I连接的一端的下侧具有一个凸起部；连接元件III和弹性连接元件IV将移动块II的运动限制在x方向；样品台I和样品台II分别固定于移动块I和移动块II上，样品为长条薄片状，样品的两端分别通过环氧树脂固定于样品台I和样品台II上；致动器连接块位于外框架内的一侧且与外框架无接触，压电致动器I、压电致动器II和压电致动器III均为伸缩方向沿x的长条形压电陶瓷致动器、且均具有起始端和末端，压电致动器I的起始端连接于外框架、末端连接于致动器连接块，压电致动器III的起始端连接于外框架、末端连接于致动器连接块，压电致动器II的起始端连接于移动块I下侧的凸起部、末端连接于致动器连接块；位移传感器位于移动块I与移动块II之间，用于测量移动块I与移动块II之间的相对位移，位移传感器位于样品下方且与样品无接触；力学传感器位于移动块II的x正方向一侧，用于测量移动块II受到的力，位移传感器和力学传感器均通过电缆连接计算机。弹性连接元件I和弹性连接元件II的尺寸均是长度为20毫米、宽度为0.8毫米、弹性系数为8牛/微米，弹性连接元件III和弹性连接元件IV的尺寸均是长度为20毫米、宽度为2毫米、弹性系数为20牛/微米；样品典型尺寸长为12毫米、宽为2毫米、厚为0.2毫米，位移传感器和力学传感器均为电容式传感器，位移传感器根据其电容来测得位移量，力学传感器根据其电容来测得位移量并结合弹性系数转化为力学量，能够在计算机中得到位移传感器测得的位移读数和力学传感器测得的力读数，并能够通过计算机分别对位移传感器和力学传感器进行设置；致动器连接块由高刚性的碳钢材料制成。
利用所述一种高精度应力测量装置进行测量的步骤为：
一，装置校准，采用激光干涉仪测量来确定位移传感器的位移与其电容的关系，采用激光干涉仪测量来确定力学传感器测得的力与移动块II的位移的关系；
二，样品固定，采用环氧树脂将样品的两端分别固定于样品台I和样品台II上，并进行准直，使得样品的长边严格沿着x方向；
三，对样品施加单方向的力，对样品施加拉力：对压电致动器II施加电压以使其伸长，使得移动块I及样品台I向x负方向移动，从而使得样品受到拉力；对样品施加压力：对压电致动器I及压电致动器III施加电压以使其缩短，使得移动块I及样品台I向x正方向移动，从而使得样品受到压力；
四，测量样品受到的力，通过计算机读取力学传感器测得的移动块II受到的力，并结合位移传感器测得的移动块I与移动块II之间的相对位移进行修正，最终确定样品所受的力。
本发明的有益效果是：
本发明装置对样品施加高均匀性的单方向的应力，并能够快速并准确地测量样品的受力，测量过程简单。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是图1的仰视图；
图3是本发明立体图。
图中，1.外框架，2.弹性连接元件I，3.移动块I，4.弹性连接元件II，5.弹性连接元件III，6.移动块II，7.弹性连接元件IV，8.位移传感器，9.力学传感器，10.样品台I，11.样品，12.样品台II，13.致动器连接块，14.压电致动器I，15.压电致动器II，16.压电致动器III。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，如图2是图1的仰视图，如图3是本发明立体图，包括外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)、弹性连接元件IV(7)、位移传感器(8)、力学传感器(9)、样品台I(10)、样品(11)、样品台II(12)、致动器连接块(13)、压电致动器I(14)、压电致动器II(15)、压电致动器III(16)、电缆和计算机，xy z为三维空间坐标系，外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)由若干种金属材料加工成型为一体，弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)沿x正方向依次排列，弹性连接元件I(2)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)均为长条形片状，移动块I(3)是通过弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)连接到外框架(1)的，移动块II(6)是通过弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)连接到外框架(1)的，使得移动块I(3)和移动块II(6)能够相对于外框架(1)移动，弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)将移动块I(3)的运动限制在x方向，弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为0.8毫米、弹性系数为8牛/微米，移动块I(3)与弹性连接元件I(2)连接的一端的下侧具有一个凸起部；连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)将移动块II(6)的运动限制在x方向，弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为2毫米、弹性系数为20牛/微米；样品台I(10)和样品台II(12)分别固定于移动块I(3)和移动块II(6)上，样品(11)为长条薄片状，样品(11)典型尺寸长为12毫米、宽为2毫米、厚为0.2毫米，样品(11)的两端分别通过环氧树脂固定于样品台I(10)和样品台II(12)上；致动器连接块(13)位于外框架(1)内的一侧且与外框架(1)无接触，压电致动器I(14)、压电致动器II(15)和压电致动器III(16)均为伸缩方向沿x的长条形压电陶瓷致动器、且均具有起始端和末端，压电致动器I(14)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器III(16)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器II(15)的起始端连接于移动块I(3)下侧的凸起部、末端连接于致动器连接块(13)，致动器连接块(13)由高刚性的碳钢材料制成；位移传感器(8)位于移动块I(3)与移动块II(6)之间，用于测量移动块I(3)与移动块II(6)之间的相对位移，位移传感器(8)位于样品(11)下方且与样品(11)无接触；力学传感器(9)位于移动块II(6)的x正方向一侧，用于测量移动块II(6)受到的力，位移传感器(8)和力学传感器(9)均通过电缆连接计算机，位移传感器(8)和力学传感器(9)均为电容式传感器，位移传感器(8)根据其电容来测得位移量，力学传感器(9)根据其电容来测得位移量并结合弹性系数转化为力学量，能够在计算机中得到位移传感器(8)测得的位移读数和力学传感器(9)测得的力读数，并能够通过计算机分别对位移传感器(8)和力学传感器(9)进行设置。
所述一种高精度应力测量装置包括外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)、弹性连接元件IV(7)、位移传感器(8)、力学传感器(9)、样品台I(10)、样品(11)、样品台II(12)、致动器连接块(13)、压电致动器I(14)、压电致动器II(15)、压电致动器III(16)、电缆和计算机，xy z为三维空间坐标系，外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)由若干种金属材料加工成型为一体，弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)沿x正方向依次排列，弹性连接元件I(2)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)均为长条形片状，移动块I(3)是通过弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)连接到外框架(1)的，移动块II(6)是通过弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)连接到外框架(1)的，使得移动块I(3)和移动块II(6)能够相对于外框架(1)移动，弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)将移动块I(3)的运动限制在x方向，移动块I(3)与弹性连接元件I(2)连接的一端的下侧具有一个凸起部；连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)将移动块II(6)的运动限制在x方向；样品台I(10)和样品台II(12)分别固定于移动块I(3)和移动块II(6)上，样品(11)为长条薄片状，样品(11)的两端分别通过环氧树脂固定于样品台I(10)和样品台II(12)上；致动器连接块(13)位于外框架(1)内的一侧且与外框架(1)无接触，压电致动器I(14)、压电致动器II(15)和压电致动器III(16)均为伸缩方向沿x的长条形压电陶瓷致动器、且均具有起始端和末端，压电致动器I(14)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器III(16)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器II(15)的起始端连接于移动块I(3)下侧的凸起部、末端连接于致动器连接块(13)；位移传感器(8)位于移动块I(3)与移动块II(6)之间，用于测量移动块I(3)与移动块II(6)之间的相对位移，位移传感器(8)位于样品(11)下方且与样品(11)无接触；力学传感器(9)位于移动块II(6)的x正方向一侧，用于测量移动块II(6)受到的力，位移传感器(8)和力学传感器(9)均通过电缆连接计算机。弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为0.8毫米、弹性系数为8牛/微米，弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为2毫米、弹性系数为20牛/微米；位移传感器(8)和力学传感器(9)均为电容式传感器，位移传感器(8)根据其电容来测得位移量，力学传感器(9)根据其电容来测得位移量并结合弹性系数转化为力学量，能够在计算机中得到位移传感器(8)测得的位移读数和力学传感器(9)测得的力读数，并能够通过计算机分别对位移传感器(8)和力学传感器(9)进行设置；样品(11)典型尺寸长为12毫米、宽为2毫米、厚为0.2毫米；致动器连接块(13)由高刚性的碳钢材料制成。
装置施加及测量应力的原理：移动块I(3)通过弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)连接到外框架(1)，移动块II(6)通过弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)连接到外框架(1)，移动块I(3)两端分别连接弹性连接元件I(2)及弹性连接元件II(4)的中间部分，弹性连接元件I(2)及弹性连接元件II(4)将移动块I(3)的运动限制在x方向，移动块I(3)与弹性连接元件I(2)连接的一端的下侧具有一个凸起部；移动块II(6)两端分别连接弹性连接元件III(5)及弹性连接元件IV(7)的中间部分，连接元件III(5)及弹性连接元件IV(7)将移动块II(6)的运动限制在x方向；压电致动器II(15)的起始端连接于移动块I(3)下方的凸起部、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器II(15)的伸长使得移动块I(3)及样品台I(10)向x负方向移动，从而使得样品(11)受到拉力，在压电致动器II(15)伸长的过程中，压电致动器II(15)对移动块I(3)的下部施加力，而样品(11)的反作用力通过施加样品台I(10)到移动块I(3)的上部，导致移动块I(3)会受到较大的扭矩，弹性连接元件I(2)及弹性连接元件II(4)能够引导移动块I(3)抗拒所述扭矩，以保证样品(11)拉伸的过程平稳。压电致动器I(14)及压电致动器III(16)的起始端均连接于外框架(1)，压电致动器I(14)及压电致动器III(16)的末端均连接于致动器连接块(13)，压电致动器I(14)及压电致动器III(16)的缩短使得移动块I(3)及样品台I(10)向x正方向移动，从而使得样品(11)受到压力，由于弹性连接元件I(2)及弹性连接元件II(4)的宽度小于弹性连接元件III(5)及弹性连接元件IV(7)的宽度，因此移动移动块I(3)所需的力比移动移动块II(6)所需的力小；力学传感器(9)为电容式传感器，能够直接测量移动块II(6)与外框架(1)之间的力，位移传感器(8)为电容式传感器，位移传感器(8)测量移动块I(3)及移动块II(6)之间的位移，施加到样品上的力传到移动块II(6)上，导致其轻微移动，通过弹性连接元件III(5)及弹性连接元件IV(7)的弹簧系数，能够确定施加到移动块I(3)及移动块II(6)之间的力，以用于确定装置的非弹性形变的影响，以对力学传感器(9)测得的力进行修正。
装置的校准方法：采用激光干涉仪来确定位移传感器(8)的位移与其电容的关系，将不同的平面镜分别固定于移动块I(3)、移动块II(6)、外框架(1)，激光干涉仪的三个光纤头安装于外框架(1)上，用于测量上述各平面镜的位移。通过压电致动器II(15)使得移动块I(3)发生移动，并同时记录移动块I(3)在激光干涉仪中测得的位移及位移传感器(8)的电容，采用公式来拟合移动块I(3)的位移与位移传感器(8)的电容的关系并通过计算机对位移传感器(8)进行设置，其中ε为平行板电容中电介质的介电常数，d为平行板之间的距离，A为平行板的面积，C/代表装置中的杂散平行电容。采用同样的激光干涉方法来校准力学传感器(9)，将一块2mm厚的钛金属片的两端分别连接至移动块I(3)与移动块II(6)以使其之间没有相对位移，通过压电致动器II(15)、压电致动器I(14)及压电致动器III(16)使得移动块I(3)与移动块II(6)一起发生移动，并同时记录其在激光干涉仪中测得的位移及力学传感器(9)测得的力在计算机中的读数，并采用直线方程来拟合力学传感器(9)测得的力与移动块II(6)的位移的关系，通过计算机对力学传感器(9)进行设置，分别在大气中、真空环境的室温下和真空环境的1.5K温度下进行以上校准过程。
本发明装置具有特殊的基于压电致动器的结构，并集成了力学传感器及位移传感器，能够对样品施加单方向的应力并快速测量样品上的受力。
Claims (5)
1.一种高精度应力测量装置，包括外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)、弹性连接元件IV(7)、位移传感器(8)、力学传感器(9)、样品台I(10)、样品(11)、样品台II(12)、致动器连接块(13)、压电致动器I(14)、压电致动器II(15)、压电致动器III(16)、电缆和计算机，xyz为三维空间坐标系，
其特征是：外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)由若干种金属材料加工成型为一体，弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)沿x正方向依次排列，弹性连接元件I(2)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)均为长条形片状，移动块I(3)是通过弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)连接到外框架(1)的，移动块II(6)是通过弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)连接到外框架(1)的，使得移动块I(3)和移动块II(6)能够相对于外框架(1)移动，弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)将移动块I(3)的运动限制在x方向，移动块I(3)与弹性连接元件I(2)连接的一端的下侧具有一个凸起部；连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)将移动块II(6)的运动限制在x方向；样品台I(10)和样品台II(12)分别固定于移动块I(3)和移动块II(6)上，样品(11)为长条薄片状，样品(11)的两端分别通过环氧树脂固定于样品台I(10)和样品台II(12)上；致动器连接块(13)位于外框架(1)内的一侧且与外框架(1)无接触，压电致动器I(14)、压电致动器II(15)和压电致动器III(16)均为伸缩方向沿x的长条形压电陶瓷致动器、且均具有起始端和末端，压电致动器I(14)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器III(16)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器II(15)的起始端连接于移动块I(3)下侧的凸起部、末端连接于致动器连接块(13)；位移传感器(8)位于移动块I(3)与移动块II(6)之间，用于测量移动块I(3)与移动块II(6)之间的相对位移，位移传感器(8)位于样品(11)下方且与样品(11)无接触；力学传感器(9)位于移动块II(6)的x正方向一侧，用于测量移动块II(6)受到的力，位移传感器(8)和力学传感器(9)均通过电缆连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种高精度应力测量装置，其特征是：弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为0.8毫米、弹性系数为8牛/微米，弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为2毫米、弹性系数为20牛/微米。
3.根据权利要求1所述的一种高精度应力测量装置，其特征是：位移传感器(8)和力学传感器(9)均为电容式传感器。
4.根据权利要求1所述的一种高精度应力测量装置，其特征是：样品(11)典型尺寸长为12毫米、宽为2毫米、厚为0.2毫米。
5.根据权利要求1所述的一种高精度应力测量装置，其特征是：致动器连接块(13)由高刚性的碳钢材料制成。
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|---|---|---|---|
| CN201910317431.3A CN110044531A (zh) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | 一种高精度应力测量装置 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH10136665A (ja) * | 1996-10-31 | 1998-05-22 | Tdk Corp | 圧電アクチュエータ |
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| CN108172682A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | Tdk株式会社 | 压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、以及压电薄膜元件 |
-
2019
- 2019-04-12 CN CN201910317431.3A patent/CN110044531A/zh active Pending
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