CN110967253A - 一种微动加载试验装置 - Google Patents

一种微动加载试验装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110967253A
CN110967253A CN201911250611.0A CN201911250611A CN110967253A CN 110967253 A CN110967253 A CN 110967253A CN 201911250611 A CN201911250611 A CN 201911250611A CN 110967253 A CN110967253 A CN 110967253A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pull head
linear motor
sensor
load
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911250611.0A
Other languages
English (en)
Inventor
王罗斌
高洋
晏顺坪
韦利明
岳动华
贾东
万强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Original Assignee
General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics filed Critical General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority to CN201911250611.0A priority Critical patent/CN110967253A/zh
Publication of CN110967253A publication Critical patent/CN110967253A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0003—Steady
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0005—Repeated or cyclic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微动加载试验装置，包括载荷传感器、上拉头、遮光板、直线电机、下拉头、激光位移传感器、光栅位移传感器；上拉头安装在载荷传感器上；遮光板安装在上拉头上；试样安装在下拉头上，下拉头安装在直线电机的动子上，载荷传感器通过上拉头与试样测试连接；激光位移传感器安装在下拉头上；光栅位移传感器的可动栅与直线电机连接。本发明采用直线电机作为加载动力的来源，使整个微动加载试验装置机构极大简化，重量和体积大幅下降；将激光位移测量装置与加载系统结合起来，在保证试样具有较大行程的同时，还具有高精度的位移测量结果；同时具有拉伸、压缩、疲劳和间断加载等多种加载方式。

Description

一种微动加载试验装置
技术领域
本发明属于性能测试装置技术领域，具体涉及一种微动加载试验装置。
背景技术
材料作为社会与经济发展的基础物资，一直伴随着时代的进步而前行。现代材料科学通过改进已有的制备技术或发明新的技术，从而获得更高性能或具有新性能的材料。通过表征设备性能的提高，从更深入的层次来理解材料结构与性能的关系，这是材料科学发展总的态势。材料的力学性能是其关键性能之一，是影响材料应用范围的重要因素。
随着科技的发展和技术的进步，由微小器件和材料组成的装置越来越多，相关的微小执行器、微小驱动器、微小传感器及仿生工程研究中出现的微小型构件已经得到了广泛应用，这些构件的特点是：1)尺寸小：构件的尺寸一般在一两毫米以下；2)受力小：通常受到的载荷不超过数十牛；3)受到交变载荷：构件所受载荷多变，频率较高。
传统力学测量技术只能对宏观尺寸大试样进行力学性能测试，其试验对象的尺寸一般在数毫米以上，加载范围从数百牛至数百千牛。而对于一两毫米尺寸以下的微小材料试样或构件，传送的力学测量方法不能对其进行测试，而目前已有的一些微小型材料力学性能测试装置通常采用压电陶瓷驱动方式，它能够实现较大的载荷和较高的加载频率，但是其行程较小，通常只有数十微米，这对研究材料的整体力学性能是不够的。
现有的测试方法只能对几毫米至几十毫米或者更大尺寸试样进行相关力学性能的检测，存在载荷大(几千牛以上)、加载精度低等问题，不适用于对微小材料或器件的力学性能试验与检测。此外，对于材料或构件的破坏与损伤研究，传统方法也是先用试验机非原位测试之后，再将试件放在显微镜下进行观察，而不能做到加载与观测同时进行。
为了解决以上问题我方研发出了一种微动加载试验装置。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微动加载试验装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种微动加载试验装置，包括：
用于对试样受到的载荷进行检测的载荷传感器；
上拉头；上拉头安装在载荷传感器上；
遮光板；遮光板安装在上拉头上；
传感器底座；载荷传感器安装在传感器底座上，传感器底座固定位置安装；
直线电机；
下拉头；试样安装在下拉头上，下拉头安装在直线电机的动子上，载荷传感器通过上拉头与试样测试连接；
激光位移传感器；激光位移传感器安装在下拉头上；激光位移计与遮光板配合测量上拉头和下拉头之间的位移量，得出试样的位移量；
用于直线电机的位移量测量的光栅位移传感器；光栅位移传感器的可动栅与直线电机的动子连接。
具体地，微动加载试验装置还包括：
下支撑板；
上支撑板；传感器底座安装在上支撑板上；
底板；上支撑板和下支撑板分别固定安装在底板的两端上部；直线电机安装在底板上，且位于上支撑板和下支撑板之间。
具体地，微动加载试验装置还包括安装板，在直立放置时，底板固定在下支撑板的下方。
具体地，直线电机包括导轨和动子，动子用于沿导轨滑动，导轨固定在底板上的上支撑板和下支撑板之间；下拉头安装在动子上。
优选地，下支撑板朝向内部的一侧上设置有用于防止直线电机撞损的弹性件。
优选地，弹性件为橡胶垫。
优选地，下拉头上设置有用于放置试样的凹槽。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种微动加载试验装置；
1、采用直线电机作为加载动力的来源，使整个微动加载试验装置机构极大简化，重量和体积大幅下降；
2、将直线电机的动子悬浮在轨道上，消除了普通电机动子与定子之间的摩擦阻力，极大提高了灵敏性、快速性和随动性；
3、将激光位移测量装置与加载系统结合起来，在保证试样具有较大行程的同时，还具有高精度的位移测量结果；
4、通过编程方式控制电机系统，同时更换相应的试样夹具，使该加载装置同时具有拉伸、压缩、疲劳和间断加载等多种加载方式。
附图说明
图1是本申请的分解结构示意图；
图2是本申请的直立放置时结构示意图；
图3是本申请的水平放置时结构示意图；
图中，1—安装板；2—激光位移传感器；3—下拉头；4—试样；5—遮光板； 6—上拉头；7—载荷传感器；8—传感器底座；9—上支撑板；10—导轨；11—直线电机；12—底板；13—下支撑板；131—橡胶垫；14—光栅位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示；
一种微动加载试验装置，包括：
用于对试样4受到的载荷进行检测的载荷传感器7；
上拉头6；上拉头6安装在载荷传感器7上；
遮光板5；遮光板5安装在上拉头6上；
传感器底座8；载荷传感器7安装在传感器底座8上，传感器底座8固定位置安装；
直线电机11；
下拉头3；试样4安装在下拉头3上，下拉头3安装在直线电机11的动子上，载荷传感器7通过上拉头6与试样4测试连接；
激光位移传感器2；激光位移传感器2安装在下拉头3上；激光位移计与遮光板5配合测量上拉头6和下拉头3之间的位移量，得出试样4的位移量；
用于直线电机11的位移量测量的光栅位移传感器14；光栅位移传感器14 的可动栅与直线电机11的动子连接。
如图1、2所示；
微动加载试验装置还包括：
下支撑板13；
上支撑板9；传感器底座8安装在上支撑板9上；
底板12；上支撑板9和下支撑板13分别固定安装在底板12的两端上部；直线电机11安装在底板12上，且位于上支撑板9和下支撑板13之间。
在一些实施例中，上支撑板9和下支撑板13均与底板12垂直；
如图1、2所示；微动加载试验装置还包括安装板1，在直立放置时，底板 12固定在下支撑板13的下方。
在此实施例中，当加载试验装置平放时，直立放置时使用的安装板1被取下，使加载试验装置可以平放在实验平台上；当加载试验装置竖直放置时，安装板1被装上，使加载试验装置可以竖直放在实验平台上。
如图1-3所示；直线电机11包括导轨10和动子，动子用于沿导轨10滑动，导轨10固定在底板12上的上支撑板9和下支撑板13之间；下拉头3安装在动子上。
在此实施例中，导轨10为两根独立平行安装的导轨10，直线电机11用来为实验装置提供加载所需动力。
如图1-3所示；下支撑板13朝向内部的一侧上设置有用于防止直线电机11 撞损的弹性件。
在一些实施例中，弹性件优选为橡胶垫131。橡胶垫131用来保护直线电机 11不会因失控撞在下支撑板13上损坏。
如图1-3所示；在一些实施例中，下拉头3上优选设置用于放置试样4的凹槽。
本申请可对微小的试样4进行拉伸、压缩、疲劳或间断循环加载，填补了传统力学测试方法的空白。此外，当它与光学显微镜等观察手段结合时，还能够实现材料动态破坏过程细观结构的原位观察，从而为建立材料的细观力学模型，评估和改善材料力学性能提供依据。
当本申请单独使用时，能对微小的试样4进行拉伸、压缩和疲劳等力学试验，最大加载力100N，最大行程为10mm，位移分辨率0.1μm，将其与光学显微镜结合使用，可实现材料动态破坏过程细观结构的原位观察，为建立材料细观力学模型，评估和改善材料力学性能提供依据。
本申请中激光位移传感器2为数字式高精度位移传感器；载荷传感器7选用应变式载荷传感器7；
本申请的技术指标为：载荷测量范围±100N,精度≤0.15N；位移行程≥10mm, 精度±1μm。可以完成高精度拉伸、压缩、蠕变、松弛以及疲劳测试，疲劳测试频率≥10Hz。
本申请中，加载试验装置控制直线电机11运动时，直线电机11的动子带动激光位移传感器2随下拉头3一起移动，遮光板5固定安装在上拉头6上，在整个实验过程中是固定不动的，激光位移传感器2发射的激光投射在遮光板5 上，当直线电机11开始运动时，激光位移传感器2通过接收遮光板5反射回来的激光，计算出上拉头6和下拉头3之间的位移量，从而得出试样4的精确位移量。激光位移传感器2有效位移量程2mm，测量精度0.01μm。同时，光栅位移传感器14的光栅副随直线电机11的动子的运动而移动，计算出直线电机11 在整个试验过程中的位移量，光栅位移传感器14的有效量程50mm，测量精度为满量程的0.1％。载荷传感器7通过上拉头6与试样4、下拉头3连接，直线电机11开始运动，施加给试样4的力通过载荷传感器7记录。载荷传感器7的量程为0-20N，测量精度为满量程的0.5％。
本微动加载试验装置整体控制方式为：上位机控制程序设定好载荷、位移、速度、初始位置、极限保护等各项参数，通过伺服系统驱动载物片进行拉伸、压缩操作，载物片动作带动载荷传感器及位移传感器动作，传感器分别将实时数据信号传送给控制程序控制直线电机实现位置计算调整。
本申请工作时候主要有以下几种控制类型：
1、位移加载模式控制
在设定好加载速度和极限载荷保护的情况下，进行位移控制。即直线电机平台带动夹持装置进行匀速运动，同时上位机与载荷及位移传感器实时通讯，自动进行数据采集，同时绘制时间-位移曲线、时间-载荷曲线或位移-载荷曲线。 (加载速度：夹持装置的运行速度。极限载荷保护是夹持装置开始运动后，试验样品破坏前所能承受的最大载荷，当加载装置所承受的载荷超过设定的保护值，加载装置自动停机，以保护试样样品免遭损坏)。
2、载荷加载模式控制
载荷控制需要设定好加载力的目标数值及加载力的步进速度。设计思路为直线电机平台带动夹持装置进行恒力加载，上位机自动采集处理载荷、位移传感器的数值，绘制时间-位移曲线、时间-载荷曲线或位移-载荷曲线。并对数据进行解算，调整PID控制值，控制好不断变化的加载量。在载荷控制模式下，越加载到接近设定控制值，运动同样的位移其载荷的变化量就越大，通过PID 整定保持力的加载更加平顺。
3、疲劳加载模式测试
疲劳测试模式中，预先设定振幅、加载速度、起始位置、终止位置运行时间、振动频率，采样频率等项目。设计思路为先设定直线电机位移平台的疲劳振幅及疲劳加载频率，上位机自动采集处理载荷、位移传感器的数值，绘制时间-位移曲线、时间-载荷曲线或位移-载荷曲线。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (7)

1.一种微动加载试验装置，其特征在于：包括：
用于对试样受到的载荷进行检测的载荷传感器；
上拉头；上拉头安装在载荷传感器上；
遮光板；遮光板安装在上拉头上；
传感器底座；载荷传感器安装在传感器底座上，传感器底座固定位置安装；
直线电机；
下拉头；试样安装在下拉头上，下拉头安装在直线电机的动子上，载荷传感器通过上拉头与试样测试连接；
激光位移传感器；激光位移传感器安装在下拉头上；激光位移计与遮光板配合测量上拉头和下拉头之间的位移量，得出试样的位移量；
用于直线电机的位移量测量的光栅位移传感器；光栅位移传感器的可动栅与直线电机的动子连接。
2.根据权利要求1所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，微动加载试验装置还包括：
下支撑板；
上支撑板；传感器底座安装在上支撑板上；
底板；上支撑板和下支撑板分别固定安装在底板的两端上部；直线电机安装在底板上，且位于上支撑板和下支撑板之间。
3.根据权利要求2所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，微动加载试验装置还包括安装板，在直立放置时，底板固定在下支撑板的下方。
4.根据权利要求2所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，直线电机包括导轨和动子，动子用于沿导轨滑动，导轨固定在底板上的上支撑板和下支撑板之间；下拉头安装在动子上。
5.根据权利要求2所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，下支撑板朝向内部的一侧上设置有用于防止直线电机撞损的弹性件。
6.根据权利要求5所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，弹性件为橡胶垫。
7.根据权利要求1所述的一种微动加载试验装置，其特征在于，下拉头上设置有用于放置试样的凹槽。
CN201911250611.0A 2019-12-09 2019-12-09 一种微动加载试验装置 Pending CN110967253A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911250611.0A CN110967253A (zh) 2019-12-09 2019-12-09 一种微动加载试验装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911250611.0A CN110967253A (zh) 2019-12-09 2019-12-09 一种微动加载试验装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110967253A true CN110967253A (zh) 2020-04-07

Family

ID=70033453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911250611.0A Pending CN110967253A (zh) 2019-12-09 2019-12-09 一种微动加载试验装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110967253A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114323967A (zh) * 2020-10-12 2022-04-12 中国石油天然气股份有限公司 水泥石力学参数测量系统和测量方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114323967A (zh) * 2020-10-12 2022-04-12 中国石油天然气股份有限公司 水泥石力学参数测量系统和测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107271306B (zh) 一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法
CN1236298C (zh) 动力抗拉测试装置
CN101556238B (zh) 一种直线往复式滑动摩擦磨损测试装置及方法
CN109297815B (zh) 一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台
CN102109445B (zh) 多向重载摩擦磨损试验方法
CN103487315A (zh) 一种材料力学性能测试装置
CN106017915A (zh) 一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置
CN109342246B (zh) 一种涂层样品阵列耐磨性快速评价方法及其装置
CN106885746B (zh) 一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置
CN103278386A (zh) 薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统
CN103245727B (zh) 一种微米尺度材料内耗与模量测量装置
CN211122319U (zh) 一种微动加载试验装置
CN103353429A (zh) 一种简易试件疲劳试验机
CN103207120A (zh) 沥青旋转剪切蠕变及重复蠕变回复试验装置及方法
CN109556961A (zh) 一种双通道吊弦疲劳试验机
CN110967253A (zh) 一种微动加载试验装置
CN103528880A (zh) 剪切—扭转复合加载模式的材料微观力学性能原位测试平台
CN113310799A (zh) 一种超低应变速率下原位力学动态观察设备
CN103226054A (zh) 一种变质量结构模态参数辨识的实验验证方法
CN106644716B (zh) 与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置及其使用方法
CN106018264A (zh) 基于表面织构的机械结合面动态接触参数测量装置及方法
JP2017026540A (ja) 治具、荷重負荷装置、荷重負荷方法および解析方法
KR101287418B1 (ko) 다목적 계측용 실험장치
CN106872129B (zh) 一种支撑类支架总成耐久试验方法及装置
CN106124323A (zh) 一种拉伸试验机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination