CN218411265U - 一种多功能原位力学测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于力学测试技术领域，尤其涉及一种多功能原位力学测试装置。多功能原位力学测试装置包括：壳体结构，包括具有容置腔的箱体以及透明板；以及力学测试结构，位于容置腔并连接容置腔的腔底，力学测试结构包括供待测试材料放置的加热载物组件、能够对待测试材料施加载荷的三轴位移组件、能够朝待测试材料投射光线的光源组件、热成像仪以及用于观测待测试材料在预定激励条件下的响应的原位观测组件，箱体的表面开设有连通容置腔的视察窗口。本实用新型提供的多功能原位力学测试装置为多功能、可视化的力学测试仪器，可以提供复杂力学实验、原位观测并记录具体实验过程以及输出有效数据的平台。

Description

一种多功能原位力学测试装置

技术领域

本实用新型属于力学测试技术领域，尤其涉及一种多功能原位力学测试装置。

背景技术

材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、气氛、湿度)，承受各种外加载荷(如拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学响应特征。

传统的宏观力学测试设备所测试的材料参数和性能已经不能完全表征材料多个角度的性能特性，且不能直观连续地表征材料在受载荷时的变形情况。需要引入具有更多功能的测试装置，以更加直观、精确地观察和分析样品，以此对材料的力学特性和变形行为进行有效分析和深入研究。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种多功能原位力学测试装置，旨在解决如何丰富多功能原位力学测试装置的测试功能问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

提供一种多功能原位力学测试装置，其包括：

壳体结构，包括具有容置腔的箱体以及由透明且耐温材料制成的透明板；以及

力学测试结构，位于所述容置腔并连接所述容置腔的腔底，所述力学测试结构包括供待测试材料放置的加热载物组件、能够对所述待测试材料施加载荷的三轴位移组件、能够朝所述待测试材料投射光线的光源组件、热成像仪以及用于观测所述待测试材料在预定激励条件下的响应的原位观测组件，所述光源组件、所述热成像仪、所述原位观测组件以及所述三轴位移组件绕所述加热载物组件的周向间隔布置；

其中，所述箱体的表面开设有连通所述容置腔的视察窗口，所述视察窗口用于观测所述力学测试结构，所述透明板设置于并密封所述视察窗口。

在一些实施例中，所述多功能原位力学测试装置还包括真空泵，所述真空泵连通所述容置腔并用于抽离所述容置腔内的气体。

在一些实施例中，所述多功能原位力学测试装置还包括储存有惰性气体的储气罐，所述储气罐连通所述容置腔，并用于向所述容置腔内充入所述惰性气体。

在一些实施例中，所述加热载物组件包括连接所述容置腔腔底的二轴倾斜滑台、单轴位移台、支撑件、隔热块以及加热平台，所述二轴倾斜滑台、所述单轴位移台、所述支撑件、所述隔热块以及所述加热平台沿背离所述容置腔腔底的方向依次连接。

在一些实施例中，所述加热平台包括加热块以及加热棒，所述加热块开设有多个间隔布置的加热孔，各所述加热孔内均设置有所述加热棒。

在一些实施例中，所述原位观测组件包括连接所述容置腔腔底的二轴位移台、连接所述二轴位移台的相机以及连接所述相机的一端并朝向所述待测试材料的镜头。

在一些实施例中，所述三轴位移组件包括连接所述容置腔腔底的三轴位移平台、连接所述三轴位移平台并朝所述加热载物组件设置的三轴力传感器、连接所述三轴力传感器的快速夹头以及连接所述三轴位移平台并用于测量所述三轴力传感器的位移的光栅位移传感器，所述三轴位移平台可以调节所述快速夹头相对所述加热载物组件的空间位置。

在一些实施例中，所述光源组件包括连接所述容置腔腔底的升降台以及连接所述升降台并朝所述待测试材料透射光线的平行光源。

在一些实施例中，所述容置腔的腔底呈平面设置，所述视察窗口所确定的区域于所述容置腔腔底的投影与所述容置腔腔底的面积的比值大于或等于0.5且小于1。

在一些实施例中，所述视察窗口所确定的平面与所述容置腔腔底所确定的平面的夹角的范围为30～45度。

本申请的有益效果在于：通过本实施例提供的多功能原位力学测试装置可以对材料或样品进行各种力学性能的研究，比如：材料的界面摩擦、弹性模量、粘弹性能等，通过加热载物组件将样品加热至预定温度，可以原位观测研究材料的变形行为、检测材料各种温度下的界面接触角等。热成像仪可以输出材料的实时温度值和温度分布情况，还可以研究材料的热力学性能，并可以通过原位观测组件直观地观察材料在各种激励条件下的响应，深入研究材料的变形行为，通过视察窗口以对力学测试结构的整体情况进行实时观测，使多功能原位力学测试装置构建为多功能、可视化的力学测试仪器，可以提供复杂力学实验、原位观测并记录具体实验过程以及输出有效数据的平台。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的多功能原位力学测试装置的立体结构示意图；

图2是图1的多功能原位力学测试装置的爆炸示意图；

图3是图2的力学测试结构的立体结构示意图；

图4是图3的加热载物组件的立体结构示意图；

图5是图3的三轴位移组件的立体结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100、多功能原位力学测试装置；10、壳体结构；11、箱体；12、固定板；111、容置腔；112、视察窗口；13、航空插头；14、气氛转换接口；20、力学测试结构；21、原位观测组件；22、热成像仪；23、三轴位移组件；24、加热载物组件；25、光源组件；121、固定孔；211、相机；212、二轴位移台；213、镜头；251、平行光源；252、升降台；241、加热平台；242、隔热块；243、支撑件；244、单轴位移台；245、二轴倾斜滑台；231、三轴位移平台；232、三轴力传感器；233、快速夹头；234、光栅位移传感器；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1及图3，本申请实施例提供了一种多功能原位力学测试装置100，其能够表征材料在受载荷时的变形行为和力学特性。多功能原位力学测试装置100包括壳体结构10和力学测试结构20。

壳体结构10包括箱体11以及由透明且耐温材料制成的透明板。箱体11由金属材料制成，金属材料可以为不锈钢或铝合金，不锈钢和铝合金均具有良好的塑性加工性能、资源丰富和性价比高的特点。本实施例中，箱体11由不锈钢制成，通过钣金工艺可以将多块不锈钢钢板焊接成具有容置腔111的箱体11。透明板可以由石英玻璃制成。石英玻璃是由各种纯净的天然石英(如水晶、石英砂等)熔化制成。线膨胀系数极小，有很好的抗热震性。它的耐热性很高，经常使用温度为1100℃～1200℃，短期使用温度可达1400℃。

请参阅图1及图3，力学测试结构20位于所述容置腔111并连接所述容置腔111的腔底，所述力学测试结构20包括供待测试材料放置的加热载物组件24、能够对所述待测试材料施加载荷的三轴位移组件23、能够朝所述待测试材料投射光线的光源组件25、热成像仪22以及用于观测所述待测试材料在预定激励条件下的响应的原位观测组件21，所述光源组件25、所述热成像仪22、所述原位观测组件21以及所述三轴位移组件23绕所述加热载物组件24的周向间隔布置，以使多功能原位力学测试装置100结构紧凑。所述箱体11的表面开设有连通所述容置腔111的视察窗口112，所述视察窗口112用于观测所述力学测试结构20，所述透明板设置于并密封所述视察窗口112。可选地，加热载物组件24的最大加热温度达800度，可以将待测试材料的温度加热至预定温度，从而便于研究分析材料的热力学性能。所述三轴位移组件23可以对材料施加载荷并反馈材料对应的力信号和位移信号；热成像仪22可以输出材料的实时温度值和温度分布情况；原位观测组件21可以实时地记录样品的变形情况，而光源组件25可以投射光线，以增强材料的亮度，便于观测。而操作人员通过视察窗口112可以获取容置腔111内里测试结构的整体工作情况，便于对测试过程进行可视化作业，比如：对整个力学测试结构20的控制(如调焦、加热、施加载荷等)。

请参阅图1及图3，通过本实施例提供的多功能原位力学测试装置100可以对材料或样品进行各种力学性能的研究，比如：材料的界面摩擦、弹性模量、粘弹性能等，通过加热载物组件24将样品加热至预定温度，可以原位观测研究材料的变形行为、检测材料各种温度下的界面接触角等。热成像仪22可以输出材料的实时温度值和温度分布情况，还可以研究材料的热力学性能，并可以通过原位观测组件21直观地观察材料在各种激励条件下的响应，深入研究材料的变形行为，通过视察窗口112以对力学测试结构20的整体情况进行实时观测，使多功能原位力学测试装置100构建为多功能、可视化的力学测试仪器，可以提供复杂力学实验、原位观测并记录具体实验过程以及输出有效数据的平台。

请参阅图1及图3，可选地，箱体11的表面还设置有航空插头13，电源线和通信数据线均可以通过航空插头13而连接力学测试结构20。航空插头13是连接器的一种，源于军工行业，简称航插。航空插头13是连接电气线路的机电元件，具有很高的可靠性，从而可以保证电路或线路的稳定性和可靠性。

可选地，信号线和电源线还可以通过航空插头13连接至计算机上，从而便于对测试结果进行分析和研究。

请参阅图1及图3，可选地，壳体结构10还包括开设有多个固定孔121的固定板12，力学测试结构20通过固定孔121而固定于固定板12上。

请参阅图1及图3，在一些实施例中，所述多功能原位力学测试装置100还包括真空泵，所述真空泵连通所述容置腔111并用于抽离所述容置腔111内的气体。可选地，真空泵为双级泵，即机械泵加分子泵的组合。真空泵通过真空管连通容置腔111，并可以抽取容置腔111内的气体，使容置腔111处于低真空状态，从而可以在低真空状态下对样品或材料进行力学性能的研究，排除气体的干扰。在一些实施例中，所述多功能原位力学测试装置100还包括储存有惰性气体的储气罐，所述储气罐连通所述容置腔111，并用于向所述容置腔111内充入所述惰性气体。可选地，惰性气体包括氮气和氩气。容置腔111内的气体压强通过设置在箱体11上的减压阀进行调节。

请参阅图1及图3，可以理解的是，本申请中的力学测试结构20可以在不同的环境氛围内进行工作，比如真空环境、惰性气体环境或空气环境，从而可以满足不同的使用场合和使用要求。壳体结构10还包括设于箱体11表面的气氛转换接口14，以满足不同的气氛环境的使用。

可选地，透明板通过橡胶密封圈而可拆卸地连接视察窗口112的边缘，并保真容置腔111在工作过程中的密封性。透明板与橡胶密封圈共同形成箱门，通过打开箱门可以对容置腔111内的力学测试结构20进行操作。

请参阅图4，在一些实施例中，所述加热载物组件24包括连接所述容置腔111腔底的二轴倾斜滑台245、单轴位移台244、支撑件243、隔热块242以及加热平台241，所述二轴倾斜滑台245、所述单轴位移台244、所述支撑件243、所述隔热块242以及所述加热平台241沿背离所述容置腔111腔底的方向依次连接。其中，加热平台241朝上设置的表面可根据实际需求而安装特定的夹具、实验表面等，样品或材料放置于夹具上；隔热块242采用导热系数低的硅酸铝陶瓷制作，减少热量向支撑件243传导，降低不利影响；单轴位移台244可微调样品相对于原位观测模组的观测视角的位置，可以按需求将样品的被观测视角调整到合适位置；当样品或加热平台241出现倾斜的时候，二轴倾斜滑台245可以微调使得加热平台241的上表面保持水平。

请参阅图4，在一些实施例中，所述加热平台241包括加热块以及加热棒，所述加热块开设有多个间隔布置的加热孔，各所述加热孔内均设置有所述加热棒。加热平台241采用电加热棒进行加热。最高加热温度可达800℃，加热速率可达100℃/min，温度分布均匀度为±5℃，可以满足不同的加热需求。

请参阅图1及图3，在一些实施例中，所述原位观测组件21包括连接所述容置腔111腔底的二轴位移台212、连接所述二轴位移台212的相机211以及连接所述相机211的一端并朝向所述待测试材料的镜头213。可选地，相机211为CCD(Charge Coupled Device)相机，镜头213可按照需求进行更换。可选地，二轴位移台212可以调节镜头213的高度以及镜头213相对样品的距离，即进行Y轴方向或Z轴方向的调节。可以理解的是，二轴位移台212在对镜头213进行Y轴方向的调节时，同时对相机211进行粗略的调焦。相机211的准确对焦依靠CCD相机211内置结构以及附带程序进行，CCD相机211的采样频率可达30Hz，测量精度可达0.1微米。

请参阅图5，在一些实施例中，所述三轴位移组件23包括连接所述容置腔111腔底的三轴位移平台231、连接所述三轴位移平台231并朝所述加热载物组件24设置的三轴力传感器232、连接所述三轴力传感器232的快速夹头233以及连接所述三轴位移平台231并用于测量所述三轴力传感器232的位移的光栅位移传感器234，所述三轴位移平台231可以调节所述快速夹头233相对所述加热载物组件24的空间位置，可以理解的是，三轴位移平台231可以驱动快速夹头233沿X轴方向、Y轴方向或Z轴方向移动，并通过快速夹头233而对样品或材料施加载荷。

可选地，三轴位移平台231的位移信号通过光栅位移传感器234进行反馈，力信号通过三轴力传感器232进行反馈。通过所反馈的力信号和位移信号进行闭环控制获得所要加载的力。可按需求在快速夹头233上安装探头或压头等部件，并使用硅酸铝陶瓷进行探头或压头对三轴力传感器232的隔热，可以理解的是，通过压头或探头抵接样品或材料，从而对样品或材料施加预定的载荷。

本实施例提供的多功能原位力学测试装置拥有的三轴位移平台231，联合上的三轴力传感器232可以实现动态测量材料与界面的摩擦阻力。克服了传统材料力学性能测试仪不能同时实现加热、原位观测、改变测试气氛的缺陷。

请参阅图1及图3，在一些实施例中，所述光源组件25包括连接所述容置腔111腔底的升降台252以及连接所述升降台252并朝所述待测试材料透射光线的平行光源251。可选地，升降台252可以调节平行光源251的高度，从而满足不同的使用需求。

请参阅图1及图3，在一些实施例中，所述容置腔111的腔底呈平面设置，所述视察窗口112所确定的区域于所述容置腔111腔底的投影与所述容置腔111腔底的面积的比值大于或等于0.5且小于1。可选地，本实施例中，视察窗口112所确定的区域于容置腔111腔底的投影与所述容置腔111腔底的面积的比值为0.5，从而尽量拓展视察窗口112的面积，便于操作人观测内部容置腔111的内部情况。

在一些实施例中，所述视察窗口112所确定的平面与所述容置腔111腔底所确定的平面的夹角的范围为30～45度。可选地，本实施例中，夹角为40度，从而便于操作员观察容置腔111的内部情况，也便于打开或关闭箱门。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能原位力学测试装置，其特征在于，包括：

壳体结构，包括具有容置腔的箱体以及由透明且耐温材料制成的透明板；以及

力学测试结构，位于所述容置腔并连接所述容置腔的腔底，所述力学测试结构包括供待测试材料放置的加热载物组件、能够对所述待测试材料施加载荷的三轴位移组件、能够朝所述待测试材料投射光线的光源组件、热成像仪以及用于观测所述待测试材料在预定激励条件下的响应的原位观测组件，所述光源组件、所述热成像仪、所述原位观测组件以及所述三轴位移组件绕所述加热载物组件的周向间隔布置；

其中，所述箱体的表面开设有连通所述容置腔的视察窗口，所述视察窗口用于观测所述力学测试结构，所述透明板设置于并密封所述视察窗口。

2.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述多功能原位力学测试装置还包括真空泵，所述真空泵连通所述容置腔并用于抽离所述容置腔内的气体。

3.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述多功能原位力学测试装置还包括储存有惰性气体的储气罐，所述储气罐连通所述容置腔，并用于向所述容置腔内充入所述惰性气体。

4.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述加热载物组件包括连接所述容置腔腔底的二轴倾斜滑台、单轴位移台、支撑件、隔热块以及加热平台，所述二轴倾斜滑台、所述单轴位移台、所述支撑件、所述隔热块以及所述加热平台沿背离所述容置腔腔底的方向依次连接。

5.如权利要求4所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述加热平台包括加热块以及加热棒，所述加热块开设有多个间隔布置的加热孔，各所述加热孔内均设置有所述加热棒。

6.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述原位观测组件包括连接所述容置腔腔底的二轴位移台、连接所述二轴位移台的相机以及连接所述相机的一端并朝向所述待测试材料的镜头。

7.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述三轴位移组件包括连接所述容置腔腔底的三轴位移平台、连接所述三轴位移平台并朝所述加热载物组件设置的三轴力传感器、连接所述三轴力传感器的快速夹头以及连接所述三轴位移平台并用于测量所述三轴力传感器的位移的光栅位移传感器，所述三轴位移平台可以调节所述快速夹头相对所述加热载物组件的空间位置。

8.如权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述光源组件包括连接所述容置腔腔底的升降台以及连接所述升降台并朝所述待测试材料透射光线的平行光源。

9.如权利要求1-8任意一项所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述容置腔的腔底呈平面设置，所述视察窗口所确定的区域于所述容置腔腔底的投影与所述容置腔腔底的面积的比值大于或等于0.5且小于1。

10.如权利要求1-8任意一项所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于：所述视察窗口所确定的平面与所述容置腔腔底所确定的平面的夹角的范围为30～45度。

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