CN210165945U - 材料微小形变自动跟随测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种材料微小形变自动跟随测量装置，属于材料形变测量技术领域。它包括底座、单片机和上位机，底座上设有样品台、电机和滑杆，电机与丝杆连接，用于带动丝杆沿滑杆轴向移动，丝杆上固定设置有移动平台，移动平台上设置有压力传感器，滑杆的顶端设有限位开关；单片机分别与电机、压力传感器和限位开关连接，上位机与单片机连接。本实用新型利用压力传感器检测样品自由端，并利用单片机系统控制步进电机和丝杆进行反馈调节，可实现材料微小形变的长时间自动跟随精确测量，具有全自动、高精度、可长时间值守测量的特点。

Description

材料微小形变自动跟随测量装置

技术领域

本实用新型属于材料形变测量技术领域，具体地说，涉及一种材料微小形变自动跟随测量装置。

背景技术

当外界物理量(如温度，湿度，压力等)发生变化时，固体材料在三维尺度上会发生微小形变，针对不同测量的需求，表现为材料的热膨胀系数、杨氏模量、弹性模量等物理特性参数，而这些物理量对材料的实际使用具有重要的影响。要衡量上述参数，均需要针对固体材料的微小形变进行测量。

在常规的测量方法中，通常借助于长度测量工具(如游标卡尺、千分尺等)，或者利用光学放大方法(光杠杆)等进行测量，测量过程较为繁琐，测量精度较差，误差较大，且不易进行长时间值守测量。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能够全自动、高精度、长时间测量金属、木材等固体材料的微小形变的装置，进一步测量热膨胀、弹性模量、杨氏模量等微纳米级形变的特性参数，以服务于相关实验教学、科研和实际工程测量需求。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种材料微小形变自动跟随测量装置，包括底座和单片机，还包括样品台、电机和滑杆，所述样品台设置在所述底座上，所述滑杆和所述电机固定设置在所述样品台旁，所述电机与丝杆连接，用于带动所述丝杆沿所述滑杆轴向移动，所述丝杆上固定设置有移动平台，所述移动平台可随所述丝杆作轴向移动，所述移动平台上设置有压力传感器，所述压力传感器与所述样品台之间用于放置待测材料，所述滑杆的顶端设有限位开关；所述单片机分别与所述电机、所述压力传感器和所述限位开关连接。

进一步地，所述电机为丝杆步进电机。

进一步地，所述丝杆的顶端设有挡板，所述限位开关设置在所述挡板的下侧。

进一步地，所述滑杆有2个，分别位于所述丝杆的两侧，所述滑杆穿过所述移动平台。

进一步地，所述移动平台上设有水平杆，所述压力传感器设置在所述水平杆上并位于所述样品台的正上方。

进一步地，所述底座上设有环形槽，所述环形槽内插接有保温桶，所述样品台设置在所述保温桶内，所述保温桶与所述单片机连接。

进一步地，还包括上位机，所述上位机与所述单片机连接。

进一步地，还包括控制电路盒，所述单片机及其控制电路位于所述控制电路盒内，所述控制电路盒的外部顶端设有显示屏。

更进一步地，所述单片机为STC15W单片机。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型利用压力传感器检测样品自由端，并利用单片机系统控制步进电机和丝杆进行反馈调节，可实现材料微小形变的长时间自动跟随精确测量，并可通过计算机软件实时显示和存储参数特性曲线，与传统测量方法相比，具有全自动、高精度、可长时间值守测量的特点。

(2)本实用新型通过丝杆步进电机快速逼近和调整的调校方式，既扩大了测量范围，同时也保证了测量的精度和速度；

(3)本实用新型的装置可持续性强，测量过程无需人为干涉，对于长时间缓慢变化的材料形变特性参数，可实现长时间全自动稳定跟随测量；

(4)本实用新型在待测样品外部设有可控温的保温桶，可测试材料随温度变化的形变量；

(5)本实用新型可以连接上位机实时显示，实时将样品自由端的位置变化信息以及环境参数显示出来；还可以实现脱机测量，不需要连接电脑，直接通过显示屏显示当前材料自由端的变化量。

附图说明

图1为本实用新型的测量装置结构示意图；

图2为本实用新型的电路系统框架图；

图3为本实用新型的控制电路盒内部结构示意图；

图中：1、底座；2、样品台；3、连接控制线；4、待测样品；5、压力传感器；6、滑杆；7、丝杆；8、限位开关；9、挡板；10、移动平台；11、显示屏；12、控制电路盒；13、电机；14、电源线接口；15、电机驱动电路；16、电源电路；17、单片机；18、控制电路线接口；19、连接件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。

如图1的一种材料微小形变自动跟随测量装置，包括底座1、STC15W单片机17和上位机，底座1上设有样品台2、丝杆步进电机13和滑杆6，在样品台2上放置待测样品。样品台2是绝缘体，相对底座1来说，受热膨胀的系数较小，因此样品放置在样品台2上可以减小测量误差。

底座1的上表面围绕样品台2设有环形槽，用于插接可控温的圆柱形保温桶，保温桶底部插接在环形槽内，桶内中空以放置样品台和待测样品使其保温，桶的上部设有桶盖，桶盖中心留有小孔，便于待测样品伸出与压力传感器5接触。设置环形槽的优点是，圆柱形保温桶的底部可以完全卡进去，且环形槽的内部紧贴圆柱内胆，保温性和密封性较好。

样品台2直接卡在底座1上电机13与丝杆7连接，用于带动丝杆7沿滑杆6轴向移动，滑杆6有2个，分别位于丝杆7的两侧，丝杆7的中部固定设置有移动平台10，移动平台10上设置有压力传感器5，滑杆6的顶端设有限位开关8；单片机17分别与电机13和压力传感器5连接，上位机与单片机17连接。

为保证装置的稳定性，在丝杆7的底端，以连接件19连接滑杆6和电机13；在丝杆7的顶端，设有挡板9，挡板9的两端与2个滑杆6固定连接，挡板9的中部设有通孔，用于穿过丝杆7，以便于丝杆7自由伸缩，限位开关8设置在挡板9的下侧。挡板9的另一作用是限定滑台10的高度上限。限位开关8的作用是进行复位操作，当移动平台10上升到挡板9，接触到限位开关8时，单片机控制移动平台10下移。

滑杆6和丝杆7均穿过移动平台10，用于滑杆6穿过的通孔的直径略大于滑杆6的直径，以便于移动平台10的自由滑动，并保持移动平台10的平衡性。

移动平台10上设有水平杆，压力传感器5设置在水平杆上并位于样品台2的正上方，待测样品设置在样品台2与压力传感器5之间。

如图3，本测量装置还设有控制电路盒12，单片机17及其控制电路位于控制电路盒12内，控制电路盒12的外部顶端设有显示屏11。控制电路盒12中的接线已被隐藏，盒中内置电机驱动电路15、电源电路16以及控制电路线接口18、电源线接口14。上位机利用串口接线与单片机进行通信，传送调校信息，接通电源后单片机17驱动步进电机根据调校信息转动，实现对样品的形变测量。

以测量某一长条形固体材料的形变量为例，使用装置时，将电源线接口14接插座，控制电路线接口18接上位机和相应的硬件电源，在上位机界面上设定初始参数并设置中心点后(可设定保温桶内进行某种温度变化)，将样品放置于样品台2上，压力传感器5位于其上。在上位机界面上点击启动按钮，装置按如下顺序进行工作(参照图2)：

首先，在上位机界面上设定压力传感器触碰样品的接触力阈值(F)和允许误差(δ)。打开控制电路盒上的电源开关，装置自动进行初始化动作：先控制移动平台10向上移动，当移动平台10接触到挡板9时，触发限位开关8，限位开关8向单片机发送脉冲信号，单片机接收到信号后，控制电机13反转，移动平台10开始向下移动直到接触样品，使压力传感器5与样品之间的接触压力到达一定范围，初始化过程结束。

初始化动作完成后，移动平台10在步进电机的控制下缓慢下移，直至其末端的压力传感器5缓慢接触样品自由端，压力传感器5检测到的接触压力值(f)逐渐增大。当检测到f的值满足|F-f|<δ时，上位机发送指令停止电机转动，并将此时移动平台10在丝杆7上的位置记作初始值，也即为样品自由端的初始值位置。

当样品膨胀时，样品自由端向上运动，使得传感器5与样品之间的接触压力值f增加，当|F-f|＞δ时，上位机发送指令控制电机驱动传感器作向上抬起运动，直至f的值又回到F-δ和F+δ之间。同理，当样品收缩时，样品自由端向下运动，使得传感器5与样品之间的接触压力值f减少，当|F-f|＜δ时，上位机发送指令控制电机驱动传感器作向下运动，直至f的值又回到F-δ和F+δ之间。单片机每发出一个脉冲，步进电机便旋转固定角度，相应的丝杆移动固定距离(本实施例中采用的丝杆步进电机的参数为：电机每驱动丝杆转360°，相对高度便提高或减小2mm)，步进电机最终转动的角度通过给出脉冲数计算，上位机通过此过程中电机转动的角度测算得到传感器移动的距离，即为样品自由端的相对伸长量。在整个测量过程中，反复进行反馈调整，保证f在F-δ和F+δ之间，保证了传感器跟随样品自由端作上下运动。

当测量过程结束后，通过将实时的形变量传送给上位机，上位机接收到数据后根据储存在上位机中的计算公式(根据物理特性参数的不同，对应不同的计算公式，均为现有技术)，可自动得出结果并绘制曲线，通过显示屏11与上位机进行数据变化的实时显示，最后将数据保存。如此反复，就实现了对材料的自动跟踪测量与记录。

Claims (9)

1.一种材料微小形变自动跟随测量装置，包括底座(1)和单片机(17)，其特征在于，还包括样品台(2)、电机(13)和滑杆(6)，所述样品台(2)设置在所述底座(1)上，所述滑杆(6)和所述电机(13)固定设置在所述样品台(2)旁，所述电机(13)与丝杆(7)连接，用于带动所述丝杆(7)沿所述滑杆(6)轴向移动，所述丝杆(7)上固定设置有移动平台(10)，所述移动平台(10)可随所述丝杆(7)作轴向移动，所述移动平台(10)上设置有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)与所述样品台(2)之间用于放置待测材料，所述滑杆(6)的顶端设有限位开关(8)；所述单片机(17)分别与所述电机(13)、所述压力传感器(5)和所述限位开关(8)连接。

2.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述电机(13)为丝杆步进电机。

3.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述丝杆(7)的顶端设有挡板(9)，所述限位开关(8)设置在所述挡板(9)的下侧。

4.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述滑杆(6)有2个，分别位于所述丝杆(7)的两侧，所述滑杆(6)穿过所述移动平台(10)。

5.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述移动平台(10)上设有水平杆，所述压力传感器(5)设置在所述水平杆上并位于所述样品台(2)的正上方。

6.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述底座(1)上设有环形槽，所述环形槽内插接有保温桶，所述样品台(2)设置在所述保温桶内，所述保温桶与所述单片机(17)连接。

7.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述单片机(17)连接。

8.根据权利要求1所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，还包括控制电路盒(12)，所述单片机(17)及其控制电路位于所述控制电路盒(12)内，所述控制电路盒(12)的外部顶端设有显示屏(11)。

9.根据权利要求1、6、7或8中任一项所述的材料微小形变自动跟随测量装置，其特征在于，所述单片机(17)为STC15W单片机。

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