CN111337346A - 微观力学检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微观力学检测装置及其方法，该装置通过精密电动拉压机构产生微小可控位移；通过三坐标微米级微位移调节器调节校正装置工作部件位置；通过可拆卸的两个样品夹持支架对微小样品进行压缩、拉伸实验；通过力传感器获得样品受力信息，通过位移传感器获取样品形变信息，从而获取样品微小尺度的力学特性；装置整体置于体视显微镜下，以同步获得样品微观结构变化情况，利用配套相机可对检测过程进行可视化反馈；装置主体体积较小、控制精确、便于操作，为微观力学的探究提供了性能优良的检测装置。

Description

微观力学检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及微观力学检测领域，尤其是涉及了一种能够对微小样品进行拉伸、压缩操作以获取力学特性并对微观形态变化进行实时动态观察的力学检测装置。

背景技术

微观结构会在一定程度上影响物质的宏观响应。随着研究仪器和研究手段的不断进步，人们对物质特性的研究也逐渐向更加微小的尺度不断深入。微观力学是在微米、纳米尺度对物料力学特性进行研究，以对宏观响应或损伤机理进行分析。而目前微观力学特性与宏观受外力响应之间的联系还尚不明确，宏观尺度的机械应力如何在微小尺度进行传递、响应的机理仍在探索之中。但随着各个领域的不断发展，例如农业、林业中对植物力学特性进行分析以对相应操作机械参数进行优化，材料力学中对新材料微观力学特性进行表征，土壤力学中对土壤颗粒相互作用及力学表现进行分析等过程中，利用物料微观尺度的力学特性进行生产操作或作宏观力学响应分析的需求越来越大。由于此类研究样品尺寸微小且受环境因素影响较大，宏观常用的力学测量方法并不适用于该尺度的研究，现阶段对微小样品进行测试的装置大多为间接测量而非直接进行拉伸、压缩性能测试，且现有装置难以实时同步获得样品微观形态变化情况。获取可靠力学性能参数并结合形态变化情况进行综合分析的难度较大。因此，对微观组织进行力学分析、建模，以对生产、运输等操作进行力学响应分析，特别需要开发一种能够直接获取微观结构的力学特性，并同步获得微观结构形态动态变化情况，操作简单、控制精准的微观力学测试装置。

发明内容

本发明的目的解决现有对微观样品进行力学测量中测量装置操作繁琐、测量精度不高、无法同步获取微观结构变化情况的问题，本发明提出一种结构简单可靠的微观力学检测装置及其检测方法，通过精密电动拉压机构产生微小可控位移，通过三坐标微米级微位移调节器调节校正装置工作部件位置，通过可拆卸的两个样品夹持支架对微小样品进行压缩、拉伸实验；通过力传感器获得样品受力信息，通过位移传感器获取样品形变信息，从而获取样品微小尺度的力学特性；主体置于体视显微镜下，以同步获得样品微观结构变化情况；装置主体体积较小、控制精确、便于操作，为微观力学的探究提供了性能优良的装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种微观力学检测装置，其包括拉压动力总成、样品夹持总成、三坐标微米级微位移调节总成、控制总成、数据图像处理总成；

拉压动力总成包括底板、刚性垫块、拉压基架和电动拉压机构；刚性垫块安装于底板上，拉压基架安装于刚性垫块顶部；电动拉压机构包括滑板、滚珠螺母、丝杆、滑块、滑轨和伺服电机；滑板顶部为平面并开有安装孔，滑板中部下方设有滚珠螺母，滚珠螺母套装在丝杆上，丝杆与滚珠螺母构成螺旋配合；丝杆两侧均装有滑块和滑轨，滑轨固定在拉压基架上，两块滑块分别与一条滑轨上构成移动副；滑板底部与滑块和滚珠螺母固定且保持同步移动；滑轨与丝杆中心轴线平行；伺服电机固定在拉压基架上，伺服电机的动力输出轴与丝杆同轴固定连接，用于驱动滑板沿丝杆轴向运动；

样品夹持总成包括移动支架、连接架、移动夹持架、后固定块、前固定块、连接板和固定夹持架；移动支架固定在滑板上，移动支架前部与力传感器后部固定；后固定块和前固定块安装在移动支架的同侧；连接架后部固定在力传感器前部，移动支持架安装在连接架前部；连接板固定于三坐标微米级微位移调节总成上，固定夹持架固定于连接板上部；

控制总成包括力传感器、位移传感器、伺服控制及数据采集器和计算机；伺服控制及数据采集器固定在底板上，通过控制线分别与伺服电机、力传感器和位移传感器连接；伺服电机同时通过数据线与计算机连接；位移传感器依次穿过后固定块和前固定块后固定于移动支架上，用于实时检测移动夹持架的位移；

数据图像处理总成包括体视显微镜、相机和计算机，相机固定在体视显微镜的相机固定架上，相机通过数据线与计算机连接；体视显微镜置于样品夹持总成上方，且体视显微镜物镜对准样品移动夹持架与样品固定夹持架间的待测样品；

在伺服控制及数据采集器的控制下，所述移动夹持架能够由伺服电机驱动朝向固定夹持架往复移动，所述固定夹持架能够在三坐标微米级微位移调节总成的驱动下整体水平和垂直移动，使固定夹持架的前端面能够与移动支持架的前端面平行并构成待检测样品的夹持挤压面；力传感器和位移传感器的检测数据以及相机拍摄的体视显微镜成像图像同步发送并存储于计算机中。

基于上述技术方案，还可以提供如下若干优选实现方式：

作为优选，所述移动夹持架的前端面为一个突出的竖直平面，竖直平面两侧对称开有阶梯孔，移动夹持架的后部上下端分别为平行的突出平板，连接架前部卡入两块突出平板之间的凹槽中；移动夹持架和连接架通过阶梯孔中的连接件固定。

作为优选，所述固定夹持架前部为竖置平板，后部为横置连接平板，竖置平板与横置连接平板垂直固定；竖置平板靠近移动夹持架的一侧设有突出的前端面，用于与移动支持架的前端面配合形成夹持挤压面。

作为优选，所述三坐标微米级微位移调节总成为三坐标微米级微位移调节器，其包括竖直位移机构、水平横向位移机构和水平纵向位移机构，竖直位移机构、水平横向位移机构、水平纵向位移机构均设有微位移调节旋钮；竖直位移机构固定在底板上，包括竖直移动滑块和竖直滑轨，竖直移动滑块与竖直滑轨构成移动副；竖直移动滑块内设螺旋副，竖直微位移调节旋钮通过锥齿轮传动与竖直移动滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转竖直微位移调节旋钮，带动竖直移动滑块沿竖直滑轨移动；水平横向位移机构下部整体固定在竖直位移机构的竖直移动滑块上；水平横向位移机构包括下部的横向滑轨和上部的横向滑块，横向滑块与横向滑轨构成移动副，横向滑块内设螺旋副，横向微位移调节旋钮与横向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转横向微位移调节旋钮，带动横向滑块沿横向滑轨移动；水平纵向位移机构下部整体固定在水平横向位移机构的横向滑块上；水平纵向位移机构与水平横向位移机构结构相同，但两者的移动方向相互垂直。

作为优选，所述丝杆的轴线方向与所述夹持挤压面垂直。

作为优选，所述待检测样品利用胶水固定在固定夹持架前端面上。

作为优选，所述位移传感器为反射式位移传感器，其反射面固定在连接板上。

本发明的另一目的在于提供一种根据前述任一方案所述微观力学检测装置的样品压缩和拉伸力学特性测定方法，其具体过程为：

压缩力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，并将检测样品利用胶水固定在固定夹持架的竖直前端面上；在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步调节样品位置：调节三坐标微米级微位移调节器的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架在垂直、水平方向移动，使样品正对于移动夹持架的前端面，调节体视显微镜物镜，使物镜正对样品；

第三步调节压缩初始位置：利用伺服控制及数据采集器点动控制伺服电机使丝杆转动，丝杆与滚珠螺母螺旋配合工作带动滑板沿滑轨移动，从而带动移动支架、力传感器、连接架、移动夹持架和位移传感器整体移动，使移动夹持架逐渐接近待测样品后，停止移动夹持架运动；然后利用三坐标微米级微位移调节器纵向微调节固定夹持架使其靠近移动夹持架，当样品与移动夹持架接触瞬间，即力传感器检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器传输至计算机显示读数后，清零位移传感器示数，作为检测起始点；

第四步压缩试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器，伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构按设定参数运行，移动支持架的前端面不断对样品进行压缩，力传感器、位移传感器分别获取压缩过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器传输至计算机；同时体视显微镜获得样品压缩过程的微观图像信息，并通过相机传输至计算机，计算机同步记录样品压缩过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当压缩位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构停止移动，即完成一次压缩试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构复位，拆卸移动夹持架与固定夹持架，进行清洗备用，等待下一次检测；

拉伸力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步固定样品：利用伺服控制及数据采集器点动控制伺服电机使丝杆转动，丝杆与滚珠螺母螺旋配合工作带动滑板沿滑轨移动，从而带动移动支架、力传感器、连接架、移动夹持架和和位移传感器整体移动，使移动夹持架逐渐接近固定支持架后，停止移动夹持架运动；调节三坐标微米级微位移调节器的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架在垂直、水平方向移动，使移动夹持架及固定夹持架的前端面平齐，利用胶水将检测样品一端固定在移动夹持架的前端面上，另一端固定在固定夹持架的前端面上；

第三步调节样品位置：调节体视显微镜物镜，使物镜正对样品；然后利用三坐标微米级微位移调节器纵向微调节固定夹持架，使移动夹持架逐渐远离固定夹持架，当力传感器检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器传输至计算机显示读数后，清零位移传感器示数，作为检测起始点；

第四步拉伸试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器，伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构按设定参数运行，力传感器、位移传感器分别获取拉伸过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器传输至计算机；同时体视显微镜获得样品拉伸过程的微观图像信息，并通过相机传输至计算机，计算机同步记录样品拉伸过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当拉伸位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构停止移动，即完成一次拉伸试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器控制电动拉压机构复位，拆卸移动夹持架与固定夹持架，进行清洗备用，等待下一次检测。

本发明具有的有益效果是：本发明通过精密电动拉压机构产生微小可控位移，为微小样品提供形变；通过三坐标微米级微位移调节器调节校正装置工作部件位置；通过可拆卸的两个样品夹持支架对微小样品进行压缩、拉伸实验，便于安装及清洗；通过力传感器获得样品受力信息，通过位移传感器获取样品形变信息，从而获取样品微小尺度的力学特性；主体置于体视显微镜下，以同步获得样品微观结构变化情况。本发明的装置主体体积较小、控制精确、便于操作，满足微观力学测试要求。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图；

图2是本发明装置主体结构的示意图；

图3是本发明装置主体结构的俯视图；

图4是本发明装置主体结构的主视图；

图5是本发明电动拉压机构结构的示意图；

图6是本发明电动拉压机构内部结构的示意图；

图7是本发明移动夹持架结构的主视图；

图8是本发明移动夹持架结构的左视图；

图9是本发明移动夹持架结构的俯视图；

图10是本发明固定夹持架结构的示意图；

图11是本发明三坐标微米级微位移调节器结构的示意图；

图中：底板1、刚性垫块2、拉压基架3、电动拉压机构4、移动支架5、力传感器6、连接架7、移动夹持架8、后固定块9、前固定块10、位移传感器11、三坐标微米级微位移调节器12、连接板13、固定夹持架14、伺服控制及数据采集器15、体视显微镜16、相机17。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

如图1～11所示，为本发明的一个较佳实施例中提供的一种微观力学检测装置，其主体结构包括拉压动力总成、样品夹持总成、三坐标微米级微位移调节总成、控制总成、数据图像处理总成几个部分。下面分别对各部分的具体结构和工作方式进行详细描述。

如图5和6所示，拉压动力总成的作用是对待检测的样品进行精确地拉伸或压缩，其组成部件包括底板1、刚性垫块2、拉压基架3和电动拉压机构4。刚性垫块2安装于底板1上，其具有一定的高度。拉压基架3安装于刚性垫块2顶部，用于安装其他各种部件。电动拉压机构4包括滑板4-1、滚珠螺母4-2、丝杆4-3、滑块4-4、滑轨4-5和伺服电机4-6。其中滑板4-1顶部为平面并开有安装孔，滑板4-1中部下方设有滚珠螺母4-2，滚珠螺母4-2套装在丝杆4-3上，丝杆4-3与滚珠螺母4-2构成螺旋配合。丝杆4-3两侧均装有一组滑块4-4和滑轨4-5，滑轨4-5固定在拉压基架3上，每一组滑块4-4与滑轨4-5均构成移动副。滑板4-1底部与滑块4-4和滚珠螺母4-2固定且保持同步移动。滑轨4-5与丝杆4-3中心轴线平行。伺服电机4-6固定在拉压基架3上，伺服电机4-6的动力输出轴与丝杆4-3同轴固定连接，因此可以通过伺服电机4-6带动丝杆4-3转动，进而带动滚珠螺母4-2旋转并同步驱动滑板4-1沿丝杆4-3轴向运动。在滑板4-1移动过程中，两侧的滑块4-4和滑轨4-5可以保证其沿丝杆4-3轴向运动，不会产生偏离。

如图11所示，三坐标微米级微位移调节总成采用一个三坐标微米级微位移调节器12，其能够沿XYZ三个方向实现水平和垂直的位移调节。三坐标微米级微位移调节器12固定于底板1上，其实现形式多样，只要能够实现三个方向的精确调节即可。如图5所示，在本实施例中，三坐标微米级微位移调节器12包括竖直位移机构12-1、水平横向位移机构12-2、水平纵向位移机构12-3，竖直位移机构12-1、水平横向位移机构12-2、水平纵向位移机构12-3均设有微位移调节旋钮；竖直位移机构12-1固定在底板1上，包括竖直移动滑块和竖直滑轨，竖直移动滑块与竖直滑轨构成移动副；竖直移动滑块内设螺旋副，竖直微位移调节旋钮通过锥齿轮传动与竖直移动滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转竖直微位移调节旋钮，带动竖直移动滑块沿竖直滑轨移动。水平横向位移机构12-2下部整体固定在竖直位移机构12-1的竖直移动滑块上，可以随着竖直移动滑块整体同步移动。水平横向位移机构12-2包括下部的横向滑轨和上部的横向滑块，横向滑块与横向滑轨构成移动副，横向滑块内设螺旋副，横向微位移调节旋钮与横向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转横向微位移调节旋钮，带动横向滑块沿横向滑轨移动。水平纵向位移机构12-3下部整体固定在水平横向位移机构12-2的横向滑块上，可以随水平横向位移机构12-2的横向滑块整体同步移动。水平纵向位移机构12-3与水平横向位移机构12-2结构相同，也包括下部的纵向滑轨和上部的纵向滑块，纵向滑块与纵向滑轨构成移动副，纵向滑块内设螺旋副，纵向微位移调节旋钮与纵向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转纵向微位移调节旋钮，带动纵向滑块沿纵向滑轨移动。但需要注意的是，水平纵向位移机构12-3与水平横向位移机构12-2的移动方向是相互垂直的，其中水平纵向位移机构12-3用于控制固定夹持架11靠近或远离移动夹持架8。通过该三坐标微米级微位移调节器12，就可以实现对上部搭载部件的空间精确移动。

样品夹持总成包括移动支架5、连接架7、移动夹持架8、后固定块9、前固定块10、连接板13和固定夹持架14。其中，移动支架5固定在滑板4-1上，两者之间通过螺栓和开设于滑板4-1表面的安装孔相连。移动支架5前部与力传感器6后部固定，后固定块9和前固定块10安装在移动支架5的同侧，两个固定块中间均开设安装通孔。连接架7后部固定在力传感器6前部，而移动支持架8又安装在连接架7前部。连接板13固定于三坐标微米级微位移调节总成上，固定夹持架14固定于连接板13上部。

样品夹持总成的作用是对待检测样品进行固定，然后根据检测需要对其进行拉伸和压缩，在拉伸或压缩过程中，固定夹持架14是不动的，而移动夹持架8则在拉压动力总成的驱动下相对于固定夹持架14移动。在本实施例中，移动夹持架8的具体形式如图7～9所示，移动夹持架8的前端面为一个突出的竖直平面8-1，移动夹持架8上位于竖直平面8-1两侧的平面上则对称开有阶梯孔8-2，阶梯孔8-2用于安装连接件。移动夹持架8的后部上下端分别为平行的突出平板8-3，两者之间为凹槽8-4，连接架7前部卡入两块突出平板8-3之间的凹槽8-4中。而移动夹持架8和连接架7通过阶梯孔8-2中的连接件固定，连接件可以是螺栓、螺钉等螺纹件。另外，固定夹持架14的具体形式如图10所示，固定夹持架14前部为竖置平板14-1，后部为横置连接平板14-2，竖置平板14-1与横置连接平板14-2垂直固定，且两者之间设置若干肋板进行加固。竖置平板14-1靠近移动夹持架8的一侧也设有突出的前端面，用于与移动支持架8的前端面配合形成夹持挤压面。

控制总成包括力传感器6、位移传感器11、伺服控制及数据采集器15和计算机；伺服控制及数据采集器15固定在底板1上，通过控制线分别与伺服电机4-6、力传感器6和位移传感器11连接；伺服电机4-6同时通过数据线与计算机连接；位移传感器11依次穿过后固定块9和前固定块10后固定于移动支架5上，用于实时检测移动夹持架8的位移。计算机作为上位控制设备，其内部可以搭载用于对整个检测装置进行上位控制的控制软件，在控制软件的控制界面中可以输入相应的控制参数，例如伺服电机4-6的输出位移长度、输出位移速度等。计算机可以根据设定的控制参数，将控制信号发送给伺服控制及数据采集器15，伺服控制及数据采集器15再进一步控制伺服电机4-6工作，实现压缩或者拉伸位移的输出。在位移过程中，力传感器6可以实时检测移动支持架8上的受力大小，并将其反馈给伺服控制及数据采集器15；同时位移传感器11则可以感应位移大小并反馈给伺服控制及数据采集器15。伺服控制及数据采集器15中采集的数据统一发送给计算机进行存储和后续处理。

本发明中的位移传感器11可以采用多种不同形式，例如电位器式位移传感器、光电式位移传感器、磁致伸缩式位移传感器等等。本实施例中，位移传感器11为反射式位移传感器，其反射面固定在连接板13上，与竖置平板14-1的前端面位置保持相对固定，由此实现对移动支持架8和固定夹持架14之间相对位移的测定。

数据图像处理总成包括体视显微镜16、相机17和计算机，相机17固定在体视显微镜16的相机固定架上，相机17通过数据线与计算机连接，其拍摄的图像可以实时传输至计算机中。体视显微镜16置于样品夹持总成上方，且体视显微镜16物镜对准样品移动夹持架8与样品固定夹持架14间的待测样品。

该装置中，在伺服控制及数据采集器15的控制下，动夹持架8能够由伺服电机4-6驱动朝向固定夹持架11往复移动。而且，为了保证检测的准确性，伺服电机4-6输出的位移方向，也就是应当与夹持挤压面垂直，即丝杆4-3的轴线方向与夹持挤压面垂直。固定夹持架11能够在三坐标微米级微位移调节总成的驱动下整体水平和垂直移动，使固定夹持架11的前端面能够与移动支持架8的前端面平行并构成待检测样品的夹持挤压面，用于对待检测样品进行夹持挤压。夹持挤压面实际上是两个平行的端面，并非单独的平面。另外，两者的侧部端面也可以分别用于固定样品两端，以实现对样品的拉伸。在检测过程中，力传感器6和位移传感器11的检测数据以及相机17拍摄的体视显微镜16成像图像同步发送并存储于计算机中。

待检测的样品在样品夹持总成中，优选利用胶水固定在固定夹持架14前端面上。当检测完毕，可以将移动夹持架8与固定夹持架11分别拆下，对上部固定的样品进行去除和清洗，以便于再次检测。

另外，为了方便底板1上各部件的安装和位置调整，可以在底板1上均匀开设有若干内攻螺纹的安装孔，刚性垫块和三坐标微米级微位移调节总成等部件的底部均通过螺纹连接件固定于安装孔中。螺纹连接件可以选择螺栓、螺柱、螺钉等能够与安装孔配合的组件。

基于上述植物微观力学检测装置，本发明还提供了一种压缩和拉伸力学特性测定方法，其包括压缩力学特性的检测方法和拉伸力学特性的检测方法。其中，两种方法的具体步骤为：

压缩力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，并将检测样品利用胶水固定在固定夹持架14的竖直前端面上；在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步调节样品位置：调节三坐标微米级微位移调节器12的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架14在垂直、水平方向移动，使样品正对于移动夹持架8的前端面，调节体视显微镜16物镜，使物镜正对样品；

第三步调节压缩初始位置：利用伺服控制及数据采集器15点动控制伺服电机4-6使丝杆4-3转动，丝杆4-3与滚珠螺母4-2螺旋配合工作带动滑板4-1沿滑轨4-5移动，从而带动移动支架5、力传感器6、连接架7、移动夹持架8和位移传感器11整体移动，使移动夹持架8逐渐接近待测样品后，停止移动夹持架8运动；然后利用三坐标微米级微位移调节器12纵向微调节固定夹持架14使其靠近移动夹持架8，当样品与移动夹持架8接触瞬间，即力传感器6检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器15传输至计算机显示读数后，停止固定夹持架11移动，清零位移传感器11示数，作为检测起始点；

第四步压缩试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器15，伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4按设定参数运行，移动支持架8的前端面不断对样品进行压缩，力传感器6、位移传感器11分别获取压缩过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器15传输至计算机；同时体视显微镜16获得样品压缩过程的微观图像信息，并通过相机17传输至计算机，计算机同步记录样品压缩过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当压缩位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4停止移动，即完成一次压缩试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4复位，拆卸移动夹持架8与固定夹持架14，进行清洗备用，等待下一次检测；

拉伸力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步固定样品：利用伺服控制及数据采集器15点动控制伺服电机4-6使丝杆4-3转动，丝杆4-3与滚珠螺母4-2螺旋配合工作带动滑板4-1沿滑轨4-5移动，从而带动移动支架5、力传感器6、连接架7、移动夹持架8和和位移传感器11整体移动，使移动夹持架8逐渐接近固定支持架14后，停止移动夹持架8运动；调节三坐标微米级微位移调节器12的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架14在垂直、水平方向移动，使移动夹持架8及固定夹持架14的前端面平齐，利用胶水将检测样品一端固定在移动夹持架8的前端面上，另一端固定在固定夹持架14的前端面上；

第三步调节样品位置：调节体视显微镜16物镜，使物镜正对样品；然后利用三坐标微米级微位移调节器12纵向微调节固定夹持架14，使移动夹持架8逐渐远离固定夹持架11，当力传感器6检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器15传输至计算机显示读数后，停止固定夹持架11移动，清零位移传感器11示数，作为检测起始点；

第四步拉伸试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器15，伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4按设定参数运行，力传感器6、位移传感器11分别获取拉伸过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器15传输至计算机；同时体视显微镜16获得样品拉伸过程的微观图像信息，并通过相机17传输至计算机，计算机同步记录样品拉伸过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当拉伸位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4停止移动，即完成一次拉伸试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器15控制电动拉压机构4复位，拆卸移动夹持架8与固定夹持架14，进行清洗备用，等待下一次检测。

上述过程中，待检测样品的尺寸规格应当根据检测的要求进行确定，拉伸检测时固定夹持架11与移动夹持架8的间距应当调整至保证样品能够被固定在两者之间。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微观力学检测装置，其特征在于包括拉压动力总成、样品夹持总成、三坐标微米级微位移调节总成、控制总成、数据图像处理总成；

拉压动力总成包括底板(1)、刚性垫块(2)、拉压基架(3)和电动拉压机构(4)；刚性垫块(2)安装于底板(1)上，拉压基架(3)安装于刚性垫块(2)顶部；电动拉压机构(4)包括滑板(4-1)、滚珠螺母(4-2)、丝杆(4-3)、滑块(4-4)、滑轨(4-5)和伺服电机(4-6)；滑板(4-1)顶部为平面并开有安装孔，滑板(4-1)中部下方设有滚珠螺母(4-2)，滚珠螺母(4-2)套装在丝杆(4-3)上，丝杆(4-3)与滚珠螺母(4-2)构成螺旋配合；丝杆(4-3)两侧均装有滑块(4-4)和滑轨(4-5)，滑轨(4-5)固定在拉压基架(3)上，两块滑块(4-4)分别与一条滑轨(4-5)上构成移动副；滑板(4-1)底部与滑块(4-4)和滚珠螺母(4-2)固定且保持同步移动；滑轨(4-5)与丝杆(4-3)中心轴线平行；伺服电机(4-6)固定在拉压基架(3)上，伺服电机(4-6)的动力输出轴与丝杆(4-3)同轴固定连接，用于驱动滑板(4-1)沿丝杆(4-3)轴向运动；

样品夹持总成包括移动支架(5)、连接架(7)、移动夹持架(8)、后固定块(9)、前固定块(10)、连接板(13)和固定夹持架(14)；移动支架(5)固定在滑板(4-1)上，移动支架(5)前部与力传感器(6)后部固定；后固定块(9)和前固定块(10)安装在移动支架(5)的同侧；连接架(7)后部固定在力传感器(6)前部，移动支持架(8)安装在连接架(7)前部；连接板(13)固定于三坐标微米级微位移调节总成上，固定夹持架(14)固定于连接板(13)上部；

控制总成包括力传感器(6)、位移传感器(11)、伺服控制及数据采集器(15)和计算机；伺服控制及数据采集器(15)固定在底板(1)上，通过控制线分别与伺服电机(4-6)、力传感器(6)和位移传感器(11)连接；伺服电机(4-6)同时通过数据线与计算机连接；位移传感器(11)依次穿过后固定块(9)和前固定块(10)后固定于移动支架(5)上，用于实时检测移动夹持架(8)的位移；

数据图像处理总成包括体视显微镜(16)、相机(17)和计算机，相机(17)固定在体视显微镜(16)的相机固定架上，相机(17)通过数据线与计算机连接；体视显微镜(16)置于样品夹持总成上方，且体视显微镜(16)物镜对准样品移动夹持架(8)与样品固定夹持架(14)间的待测样品；

在伺服控制及数据采集器(15)的控制下，所述移动夹持架(8)能够由伺服电机(4-6)驱动朝向固定夹持架(11)往复移动，所述固定夹持架(11)能够在三坐标微米级微位移调节总成的驱动下整体水平和垂直移动，使固定夹持架(11)的前端面能够与移动支持架(8)的前端面平行并构成待检测样品的夹持挤压面；力传感器(6)和位移传感器(11)的检测数据以及相机(17)拍摄的体视显微镜(16)成像图像同步发送并存储于计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述移动夹持架(8)的前端面为一个突出的竖直平面(8-1)，竖直平面(8-1)两侧对称开有阶梯孔(8-2)，移动夹持架(8)的后部上下端分别为平行的突出平板(8-3)，连接架(7)前部卡入两块突出平板(8-3)之间的凹槽(8-4)中；移动夹持架(8)和连接架(7)通过阶梯孔(8-2)中的连接件固定。

3.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述固定夹持架(14)前部为竖置平板(14-1)，后部为横置连接平板(14-2)，竖置平板(14-1)与横置连接平板(14-2)垂直固定；竖置平板(14-1)靠近移动夹持架(8)的一侧设有突出的前端面，用于与移动支持架(8)的前端面配合形成夹持挤压面。

4.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述三坐标微米级微位移调节总成为三坐标微米级微位移调节器(12)，其包括竖直位移机构(12-1)、水平横向位移机构(12-2)和水平纵向位移机构(12-3)，竖直位移机构(12-1)、水平横向位移机构(12-2)、水平纵向位移机构(12-3)均设有微位移调节旋钮；竖直位移机构(12-1)固定在底板(1)上，包括竖直移动滑块和竖直滑轨，竖直移动滑块与竖直滑轨构成移动副；竖直移动滑块内设螺旋副，竖直微位移调节旋钮通过锥齿轮传动与竖直移动滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转竖直微位移调节旋钮，带动竖直移动滑块沿竖直滑轨移动；水平横向位移机构(12-2)下部整体固定在竖直位移机构(12-1)的竖直移动滑块上；水平横向位移机构(12-2)包括下部的横向滑轨和上部的横向滑块，横向滑块与横向滑轨构成移动副，横向滑块内设螺旋副，横向微位移调节旋钮与横向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转横向微位移调节旋钮，带动横向滑块沿横向滑轨移动；水平纵向位移机构(12-3)下部整体固定在水平横向位移机构(12-2)的横向滑块上；水平纵向位移机构(12-3)与水平横向位移机构(12-2)结构相同，但两者的移动方向相互垂直。

5.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述丝杆(4-3)的轴线方向与所述夹持挤压面垂直。

6.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述待检测样品利用胶水固定在固定夹持架(14)前端面上。

7.根据权利要求1所述的一种微观力学检测装置，其特征在于，所述位移传感器(11)为反射式位移传感器，其反射面固定在连接板(13)上。

8.一种根据权利要求1～7任一所述微观力学检测装置的样品压缩和拉伸力学特性测定方法，其特征在于：

压缩力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，并将检测样品利用胶水固定在固定夹持架(14)的竖直前端面上；在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步调节样品位置：调节三坐标微米级微位移调节器(12)的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架(14)在垂直、水平方向移动，使样品正对于移动夹持架(8)的前端面，调节体视显微镜(16)物镜，使物镜正对样品；

第三步调节压缩初始位置：利用伺服控制及数据采集器(15)点动控制伺服电机(4-6)使丝杆(4-3)转动，丝杆(4-3)与滚珠螺母(4-2)螺旋配合工作带动滑板(4-1)沿滑轨(4-5)移动，从而带动移动支架(5)、力传感器(6)、连接架(7)、移动夹持架(8)和位移传感器(11)整体移动，使移动夹持架(8)逐渐接近待测样品后，停止移动夹持架(8)运动；然后利用三坐标微米级微位移调节器(12)纵向微调节固定夹持架(14)使其靠近移动夹持架(8)，当样品与移动夹持架(8)接触瞬间，即力传感器(6)检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器(15)传输至计算机显示读数后，清零位移传感器(11)示数，作为检测起始点；

第四步压缩试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器(15)，伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)按设定参数运行，移动支持架(8)的前端面不断对样品进行压缩，力传感器(6)、位移传感器(11)分别获取压缩过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器(15)传输至计算机；同时体视显微镜(16)获得样品压缩过程的微观图像信息，并通过相机(17)传输至计算机，计算机同步记录样品压缩过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当压缩位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)停止移动，即完成一次压缩试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)复位，拆卸移动夹持架(8)与固定夹持架(14)，进行清洗备用，等待下一次检测；

拉伸力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步固定样品：利用伺服控制及数据采集器(15)点动控制伺服电机(4-6)使丝杆(4-3)转动，丝杆(4-3)与滚珠螺母(4-2)螺旋配合工作带动滑板(4-1)沿滑轨(4-5)移动，从而带动移动支架(5)、力传感器(6)、连接架(7)、移动夹持架(8)和和位移传感器(11)整体移动，使移动夹持架(8)逐渐接近固定支持架(14)后，停止移动夹持架(8)运动；调节三坐标微米级微位移调节器(12)的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架(14)在垂直、水平方向移动，使移动夹持架(8)及固定夹持架(14)的前端面平齐，利用胶水将检测样品一端固定在移动夹持架(8)的前端面上，另一端固定在固定夹持架(14)的前端面上；

第三步调节样品位置：调节体视显微镜(16)物镜，使物镜正对样品；然后利用三坐标微米级微位移调节器(12)纵向微调节固定夹持架(14)，使移动夹持架(8)逐渐远离固定夹持架(11)，当力传感器(6)检测到力信号并通过伺服控制及数据采集器(15)传输至计算机显示读数后，清零位移传感器(11)示数，作为检测起始点；

第四步拉伸试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至伺服控制及数据采集器(15)，伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)按设定参数运行，力传感器(6)、位移传感器(11)分别获取拉伸过程的力、位移信号并通过伺服控制及数据采集器(15)传输至计算机；同时体视显微镜(16)获得样品拉伸过程的微观图像信息，并通过相机(17)传输至计算机，计算机同步记录样品拉伸过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当拉伸位移达到试验设定参数要求时，伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)停止移动，即完成一次拉伸试验；

第五步数据处理：利用伺服控制及数据采集器(15)控制电动拉压机构(4)复位，拆卸移动夹持架(8)与固定夹持架(14)，进行清洗备用，等待下一次检测。

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