CN203337460U - 力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，属于光机电一体化的精密科学仪器。由精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、磁场施加单元、装夹、连接及支撑单元组成。其中精密驱动及传动单元由双输出轴直流伺服电机提供动力输出，并由两级大减速比蜗轮蜗杆机构和精密滚珠丝杠机构进行动力传递；信号检测及控制单元由精密位移传感器及精密拉压力传感器组成；磁场施加单元由铁芯支撑架、铁芯及通电线圈组成；装夹、连接及支撑单元由夹具组件等组成。优点在于：可集成到光学显微系统中，在力磁耦合环境下对试件进行原位微纳米拉伸/压缩力学性能测试，可对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及光机电一体化的精密科学仪器，力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台。
背景技术
目前国际工业界中存在诸多功能性薄膜样品和固态功能材料，它们具有金属材料所不具备的力、磁、电、热、光以及化学性能，因为其特殊性质已广泛应用于高性能传感器、微电子器件、磁存储器等领域，在精密光学、半导体技术、以及微机电系统（MEMS）技术等高技术产业中发挥着不可替代的重要作用。近年来快速发展的层状电磁复合智能薄膜样品由于具有独特的热力电磁多场耦合性能而日益受到人们的密切关注。因此，如何在多场耦合环境下有效测试和表征这类功能性薄膜材料的力学特性和损伤机理对于提高其可靠性具有重要意义，也已成为这些领域中迫切需要解决的关键问题。
通常对于这类功能性薄膜材料的机械性能检测采用原位拉伸力学性能测试方法，原位微纳米力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件进行力学性能测试的过程中，通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）或者光学显微镜等仪器对各种载荷作用下材料发生的微观变形和损伤进行原位监测的一种力学测试方法。该技术可从微观上揭示各类材料及其制品在受某种类型载荷作用下的力学特性、损伤破坏机理。通过获得实时的应力—应变曲线来分析材料的断裂特性、弹性模量等机械性能参数。
在原位拉伸力学性能测试技术应用之前，拉伸试验一般是依靠大型材料试验机对试件进行离位测试。试验机按照规定标准以均匀速率对试件进行加载，由与试验机相连的计算机绘出载荷-挠度曲线，进而得到在相关载荷作用下应力-应变曲线图。因此，传统材料试验机所采用的试件都是大尺寸的，并且都是将试件拉断之后，才得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限等力学参数，未能在高分辨率显微成像系统下进行原位观测，无法对材料的微观力学行为及变性损伤过程进行实时研究。
因此，设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的并能与显微成像设备兼容的在力磁耦合环境下的原位拉伸/压缩力学性能测试平台有十分重要的意义。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，较好解决了目前原位力学测试技术存在的上述问题。本实用新型是集驱动、加载、检测、力磁耦合环境下拉伸/压缩力学性能测试以及原位观测于一体的高性能综合精密实验测试平台，可针对各类材料试件在磁场环境下进行双向拉伸/压缩力学性能测试，集成在光学显微镜系统中对试件进行原位监测，即可对材料在磁场作用下的微观变形和损伤实现在线观测，通过对载荷/位移信号的采集与控制，从而揭示材料在磁场作用下微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，为材料在多场耦合模式下的材料的微观力学性能测试提供了新的方法。
本实用新型具有集成力磁耦合环境、体积小巧、结构紧凑、刚度高、测试精度高等优点。相对于传统拉伸试验机的离位测试，本实用新型可在光学显微镜的动态监测下开展拉伸模式下的原位观测微观变形和损伤破坏过程，并可同步进行载荷/位移信号的精密检测。在进行原位拉伸/压缩测试同时，结合相关软件算法，自动拟合生成拉伸/压缩载荷作用下的应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量和拉伸/压缩屈服/断裂极限等重要力学参数。
为了实现在力磁两场耦合下利用原位拉伸/压缩方法来表征材料的力磁耦合性能，填补仪器空白，本实用新型通过集成力磁耦合试验环境与原位拉伸/压缩技术，可对不同类型功能性材料在力磁场耦合条件下进行原位拉伸/压缩力学性能测试，配合光学显微系统对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施原位观测，为力磁耦合环境下材料的力学性能测试提供了新的方法。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，包括精密驱动及传动单元，信号检测及控制单元，磁场施加单元，装夹、连接及支撑单元；
所述精密驱动及传动单元是：双输出轴直流伺服电机3轴两端分别通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ40、2与一级蜗杆轴Ⅰ、Ⅱ41、37连接并提供动力输出，经过一、二级蜗轮蜗杆传动副的动力传递，动力分别传至精密左旋滚珠丝杠45和精密右旋滚珠丝杠27处，通过光杠Ⅰ、Ⅱ16、38的导向作用，进一步由丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ50、27输出双向的精密直线位移；
所述信号检测及控制单元包括精密位移传感器20和精密拉压力传感器10，该精密位移传感器20的前端弹性探头与丝杠螺母支撑座Ⅰ8的凹槽相接触，精密位移传感器20的主体部分通过调节螺钉Ⅱ23与位移传感器基座24间隙配合；精密拉压力传感器10两端分别与力传感器固定挡块12和力传感器基座9相连；精密位移传感器20前端弹性探头的伸缩方向、精密拉压力传感器10的受力方向与标准试件47在载荷作用下的伸缩方向相同，以确保载荷/位移信号的同步性和准确性；
所述磁场施加单元由铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21、铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22以及线圈Ⅰ、Ⅱ48、49组成，所述线圈Ⅰ、Ⅱ48、49分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22上，并在通电之后产生电磁场，铁芯起到增强电磁场的作用；
所述装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25、夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4及标准试件47，该标准试件47安装在标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25中，并通过旋紧调节螺钉Ⅰ19将夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4、标准试件47及标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25三者压紧。
所述的双输出轴直流伺服电机3的两端输出轴的动力分别经由一级蜗杆Ⅰ、Ⅱ11、36与一级涡轮Ⅰ、Ⅱ42、34传递到二级蜗杆Ⅰ、Ⅱ14、31，通过二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ13、30驱动与之相连的精密左旋和右旋滚珠丝杠45、27完成对丝杠螺母支撑座Ⅰ、Ⅱ8、35对称直线驱动，进而保证了拉伸过程中试件中心点的位置恒定性。
所述的精密拉压力传感器10一端通过螺纹与力传感器固定挡块12相连，力传感器固定挡块12与丝杠螺母支撑座Ⅰ8通过紧固螺钉刚性连接；力传感器基座9通过连接螺钉固定在导轨副18的滑块上，导轨副18的导轨通过连接螺钉固定在丝杠螺母支撑座Ⅰ8上；导轨副18对力传感器基座9起支撑和导向作用，可以有效地消除因接触摩擦和倾覆力矩对精密拉压力传感器10的影响。
所述的铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21通过紧固螺钉紧固在基座1上，铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22分别与铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21的轴孔进行过盈配合，线圈Ⅰ、Ⅱ48、49分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22上；线圈Ⅰ、Ⅱ48、49通电之后产生电磁场，通过调节线圈电流来调节磁场大小，其中铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22具有增强磁场强度的作用。
所述的测试平台可安装于光学显微系统下，进行包括原位拉伸/压缩的原位观测，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制。测试平台配合金相显微成像等仪器，能在高分辨率显微成像系统下，对拉伸/压缩过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测，为揭示功能性材料在力磁耦合环境下的力磁特性和损伤机制提供了崭新测试方法。
本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型集成了力磁耦合环境、体积小巧、结构紧凑、刚度高、测试精度高，并且变形/位移/载荷速率可控，可与高分辨率显微成像系统进行集成，实现对拉伸/压缩过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。在进行原位拉伸/压缩测试同时，结合相关软件算法，自动拟合生成拉伸/压缩载荷作用下的应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量和拉伸/压缩屈服/断裂极限等重要力学参数。综上所述，本实用新型能实现在力磁两场耦合下的原位拉伸/压缩测试，填补了该方面的仪器空白，对揭示这类功能性薄膜材料的力磁特性和损伤机理，并提高其可靠性具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是本实用新型的三维轴测视图。
图2是本实用新型的俯视图。
图3是本实用新型的正视图。
图4是本实用新型的精密左、右旋滚珠丝杠空间布置示意图。
图5是本实用新型的磁场施加单元布置示意图。
图中：1.基座；2.弹性联轴器Ⅱ；3.双输出轴直流伺服电机；4.夹具压板Ⅱ；5. 铁芯支撑架Ⅰ；6.铁芯Ⅰ；7.夹具压板Ⅰ；8.丝杠螺母支撑座Ⅰ；9.力传感器基座；10.精密拉压力传感器；11.一级蜗杆Ⅰ；12.力传感器固定挡块；13.二级涡轮Ⅰ；14.二级蜗杆Ⅰ；15.二级涡杆轴承座Ⅰ；16.光杠Ⅰ；17.标准试件夹具Ⅰ；18.导轨副；19.调节螺钉Ⅰ；20.精密位移传感器；21.铁芯支撑架Ⅱ；22.铁芯Ⅱ；23.调节螺钉Ⅱ；24.位移传感器基座；25.标准试件夹具Ⅱ；26.丝杠螺母Ⅱ；27.精密左旋滚柱丝杠；28.丝杠支撑座Ⅱ；29.二级涡杆轴承座Ⅱ；30.二级涡轮Ⅱ；31.二级蜗杆Ⅱ；32.一级涡轮轴承座Ⅱ；33.支撑轴Ⅱ；34.一级涡轮Ⅰ；35.丝杠螺母支撑座Ⅱ；36.一级蜗杆Ⅱ；37.一级蜗杆轴Ⅱ；38.光杠Ⅱ；39.电机支撑架；40.弹性联轴器Ⅰ；41.一级蜗杆轴Ⅰ；42.一级涡轮Ⅱ；43.支撑轴Ⅰ；44.一级涡轮轴承座Ⅰ；45.精密右旋滚珠丝杠；46.丝杠支撑座Ⅰ；47.标准试件；48.线圈Ⅰ；49.线圈Ⅱ；50.丝杠螺母Ⅰ。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本实用新型的力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，包括精密驱动及传动单元，信号检测及控制单元，磁场施加单元，装夹、连接及支撑单元；
所述精密驱动及传动单元是：双输出轴直流伺服电机3轴两端分别通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ40、2与一级蜗杆轴Ⅰ、Ⅱ41、37连接并提供动力输出，经过一、二级蜗轮蜗杆传动副的动力传递，动力分别传至精密左旋滚珠丝杠45和精密右旋滚珠丝杠27处，通过光杠Ⅰ、Ⅱ16、38的导向作用，进一步由丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ50、27输出双向的精密直线位移；
所述信号检测及控制单元包括精密位移传感器20和精密拉压力传感器10，该精密位移传感器20的前端弹性探头与丝杠螺母支撑座Ⅰ8的凹槽相接触，精密位移传感器20的主体部分通过调节螺钉Ⅱ23与位移传感器基座24间隙配合；精密拉压力传感器10两端分别与力传感器固定挡块12和力传感器基座9相连；精密位移传感器20前端弹性探头的伸缩方向、精密拉压力传感器10的受力方向与标准试件47在载荷作用下的伸缩方向相同，以确保载荷/位移信号的同步性和准确性；
所述磁场施加单元由铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21、铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22以及线圈Ⅰ、Ⅱ48、49组成，所述线圈Ⅰ、Ⅱ48、49分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22上，并在通电之后产生电磁场，铁芯起到增强电磁场的作用；
所述装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25、夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4及标准试件47，该标准试件47安装在标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25中，并通过旋紧调节螺钉Ⅰ19将夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4、标准试件47及标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25三者压紧。
所述的双输出轴直流伺服电机3通过紧固螺钉与电机支撑架39紧固连接，并由电机支撑架39通过紧固螺钉直接与基座1紧固；双输出轴直流伺服电机3的双输出轴分别通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ40、2与一级蜗杆轴Ⅰ、Ⅱ41、37相连，二级蜗杆Ⅰ、Ⅱ14、31及一级蜗轮Ⅰ、Ⅱ42、34通过紧固螺钉紧固在支撑轴Ⅰ、Ⅱ43、33上，支撑轴Ⅰ、Ⅱ43、33通过精密轴承由一级蜗轮轴承座Ⅰ、Ⅱ44、32及二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ15、29固定于基座1上；二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ13、30分别通过紧固螺钉与精密左、右旋滚珠丝杠45、27紧固；精密左、右旋滚珠丝杠45、27通过丝杠支撑座Ⅰ、Ⅱ46、28与平台基座1紧固连接；丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ50、26通过紧固螺钉与丝杠螺母支撑座Ⅰ、Ⅱ8、35相连，丝杠螺母支撑座Ⅰ、Ⅱ8、35固连于基座1上；丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ50、26的直线位移由光杠Ⅰ、Ⅱ21、43的导向实现，光杠Ⅰ、Ⅱ21、43通过精密轴承支撑于基座1上。
所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆Ⅰ、Ⅱ11、36与紧固在支撑轴Ⅰ、Ⅱ43、33上的一级涡轮Ⅰ、Ⅱ42、34组成；二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆Ⅰ、Ⅱ14、31与紧固在精密左、右旋滚珠丝杠45、27上的二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ13、30组成。两级蜗轮蜗杆副均可提供1:20的大减速比，可将双输出轴直流伺服电机6输出的驱动转矩实现较大程度的减速增矩，最终输出超低应变速率，以满足超低速准静态加载的测试要求。
所述的标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25通过紧固螺钉分别同力传感器基座9及位移传感器基座24刚性连接，夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4和标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25与试件47的接触面均加工为致密的滚花结构，通过调节螺钉19旋紧来保证试件47的牢靠装夹在标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ17、25和夹具压板Ⅰ、Ⅱ7、4之间。
所述的精密拉压力传感器10一端通过螺纹与力传感器固定挡块12相连，力传感器固定挡块12与丝杠螺母支撑座Ⅰ8通过紧固螺钉来压紧力传感器基座9，力传感器基座9通过连接螺钉固定在导轨副18的滑块上，导轨副18的导轨通过连接螺钉固定在丝杠螺母支撑座Ⅰ8上；导轨副18不仅能起到支撑力传感器基座9作用还能对滑动起到导向作用，可以消除力传感器基座9和标准试件夹具Ⅱ17因重力产生的弯矩作用。
所述的铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21通过紧固螺钉紧固在基座1上，铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22分别与铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ5、21的轴孔进行过盈配合，线圈Ⅰ、Ⅱ48、49分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ6、22上；线圈Ⅰ、Ⅱ48、49通电之后产生电磁场，铁芯起到增强电磁场的作用，从而让试件在力磁耦合环境下进行拉伸/压缩力学性能测试。
所述的测试平台可安装于光学显微系统下，进行包括原位拉伸/压缩的原位观测，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制。测试平台配合金相显微成像等仪器，能在高分辨率显微成像系统下，对拉伸/压缩过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测，为揭示功能性材料在力磁耦合环境下的力磁特性和损伤机制提供了崭新测试方法。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，其特征在于：包括精密驱动及传动单元，信号检测及控制单元，磁场施加单元，装夹、连接及支撑单元；
所述精密驱动及传动单元是：双输出轴直流伺服电机（3）轴两端分别通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ（40、2）与一级蜗杆轴Ⅰ、Ⅱ（41、37）连接并提供动力输出，经过一、二级蜗轮蜗杆传动副的动力传递，动力分别传至精密左旋滚珠丝杠（45）和精密右旋滚珠丝杠（27）处，通过光杠Ⅰ、Ⅱ（16、38）的导向作用，进一步由丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ（50、27）输出双向的精密直线位移；
所述信号检测及控制单元包括精密位移传感器（20）和精密拉压力传感器（10），该精密位移传感器（20）的前端弹性探头与丝杠螺母支撑座Ⅰ（8）的凹槽相接触，精密位移传感器（20）的主体部分通过调节螺钉Ⅱ（23）与位移传感器基座（24）间隙配合；精密拉压力传感器（10）两端分别与力传感器固定挡块（12）和力传感器基座（9）相连；精密位移传感器（20）前端弹性探头的伸缩方向、精密拉压力传感器（10）的受力方向与标准试件（47）在载荷作用下的伸缩方向相同；
所述磁场施加单元由铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ（5、21）、铁芯Ⅰ、Ⅱ（6、22）以及线圈Ⅰ、Ⅱ（48、49）组成，所述线圈Ⅰ、Ⅱ（48、49）分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ（6、22）上，并在通电之后产生电磁场，铁芯起到增强电磁场的作用；
所述装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（17、25）、夹具压板Ⅰ、Ⅱ（7、4）及标准试件（47），该标准试件（47）安装在标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（17、25）中，并通过旋紧调节螺钉Ⅰ（19）将夹具压板Ⅰ、Ⅱ（7、4）、标准试件（47）及标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（17、25）三者压紧。
2.根据权利要求1所述的力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的双输出轴直流伺服电机（3）的两端输出轴的动力分别经由一级蜗杆Ⅰ、Ⅱ（11、36）与一级涡轮Ⅰ、Ⅱ（42、34）传递到二级蜗杆Ⅰ、Ⅱ（14、31），通过二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ（13、30）驱动与之相连的精密左旋和右旋滚珠丝杠（45、27）完成对丝杠螺母支撑座Ⅰ、Ⅱ（8、35）对称直线驱动，进而保证了拉伸过程中试件中心点的位置恒定性。
3.根据权利要求1所述的力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的精密拉压力传感器（10）一端通过螺纹与力传感器固定挡块（12）相连，力传感器固定挡块（12）与丝杠螺母支撑座Ⅰ（8）通过紧固螺钉刚性连接；力传感器基座（9）通过连接螺钉固定在导轨副（18）的滑块上，导轨副（18）的导轨通过连接螺钉固定在丝杠螺母支撑座Ⅰ（8）上；导轨副（18）对力传感器基座（9）起支撑和导向作用，可以有效地消除因接触摩擦和倾覆力矩对精密拉压力传感器（10）的影响。
4.根据权利要求1所述的力磁耦合加载的材料拉伸/压缩力学性能原位测试平台，其特征在于：所述的铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ（5、21）通过紧固螺钉紧固在基座（1）上，铁芯Ⅰ、Ⅱ（6、22）分别与铁芯支撑架Ⅰ、Ⅱ（5、21）的轴孔进行过盈配合，线圈Ⅰ、Ⅱ（48、49）分别缠绕在铁芯Ⅰ、Ⅱ（6、22）上；线圈Ⅰ、Ⅱ（48、49）通电之后产生电磁场，通过调节线圈电流来调节磁场大小，其中铁芯Ⅰ、Ⅱ（6、22）具有增强磁场强度的作用。
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