CN1696643A - 悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机 - Google Patents

Abstract

悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机，本发明涉及一种薄膜、细丝等低维微尺度材料静动态力学性能测试的微力拉伸实验测量装置，该实验机由机座，低刚度柔性弹簧，电磁力驱动部分，电容位移传感器，压电式位移驱动器，非接触光学测量部分，试样的上下夹持部分，三维精密平动台和三维平移调节装置组成。本发明采用低刚度柔性螺旋弹簧，大大降低悬挂弹簧分担的载荷，提高了载荷精度；并可选用电磁力驱动静加载或压电式位移驱动交变载荷加载；变形测量可采用差动电容式位移传感器也可采用非接触的光学位移测量***，两种加载和应变测量模式可根据不同研究对象和目的选择使用。***使用方便，适用范围广，结构紧凑，灵敏度高，测量结果可靠。

Description

悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机

技术领域

本发明涉及一种对薄膜、细丝等低维微尺度材料静动态力学性能测试的微力拉伸实验测量装置，属于实验力学领域。

背景技术

各种硅膜、金属薄膜、以及各种纤维丝等低维材料在微电子机械***(MEMS)和其它科学技术中有着广泛的应用，对这类材料的力学特性进行准确可靠的测试不仅对于MEMS的安全性和可靠性至关重要，而且对微纳米力学和材料科学的研究也有重要的学术和应用价值。由于常规的测试手段对薄膜和纤维丝等低维材料的力学性能测试无能为力，需要设计具有微力加载和微纳米变形测量的静动态微力拉伸实验***。

为解决低维微尺度材料的力学性能测试问题，研究人员发明了各种微力拉伸装置。如江苏大学丁建宁等发明的电磁驱动式微拉伸装置[公告号CN2504624Y]以及文献[M.J.Skove，T.M.Tritt，A.C.Ehrlich，and H.S.Dayisb，Device for simultaneously measuringstress，strain，and resistance in“whiskerlike”materials in the temperature range1.5K＜T＜360K，Rev.Sci.Instrum.62(4)，April 1991：1010-1015]中采用电磁驱动和电容位移传感器的微拉伸装置。

上述专利和文献所报道的微拉伸装置存在的问题和缺陷主要有：一是起支撑作用的叶片弹簧的刚度太大(＞100N/m)，这样电磁驱动力将会有很大一部分被附加的叶片弹簧所分担，从而导致直接作用在拉伸试样上的载荷要小于施加的电磁驱动力，影响了测量精度；二是加载模式单一，只能实现单一的力加载或位移驱动加载；三是位移测量的量程较小，不适合变形较大试样的变形测量，而且试样变形是通过测量夹具位移间接获得的。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机，可实现对薄膜、纤维丝、金属丝等低维微尺寸材料试样的静动态力学性能测试。该装置可根据不同研究对象和目的实现不同的加载方式及测量模式，具有适用范围广，灵敏度高，测量结果可靠等优点。

本发明的技术方案如下：一种悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机，包括机座，悬挂弹簧，由永久磁铁和线圈组成的电磁力驱动装置，由固定极板和移动极板组成的电容式位移传感器，试样夹持装置，安装在底座上的三维平移调节***，所述的电磁力驱动装置和电容式位移传感器分别设置在三维平移调节***上，其特征在于：所述的悬挂弹簧采用刚度小于5N/m的柔性螺旋弹簧；该微力拉伸实验机还包括用于施加交变载荷的压电式位移驱动器；所述的压电式位移驱动器放置在机座底部的三维精密平动台上，并通过拉杆与试样的下夹持部分相连。

本发明所述的压电式位移驱动器由压电陶瓷弹性支撑和压电陶瓷组成；所述的压电陶瓷弹性支撑中间加工成空腔用以放置压电陶瓷，其上部加工成带有螺纹孔的悬臂梁结构，压电陶瓷放置在悬臂梁的正下方并与悬臂梁底部接触。

本发明的技术特征还在于：所述的微力拉伸实验机还包括非接触光学测量***，该***由CCD和与CCD相连的数据处理***组成。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①采用了刚度小于5N/m的柔性螺旋弹簧悬挂***，从而使直接作用在试样上的拉伸力近似等于电磁驱动力(因为悬挂弹簧分担的力与弹簧的刚度成正比，由于本发明采用的是小刚度的柔性螺旋弹簧，其分担的那部分力可以忽略不计)，提高了测量精度，减少了***误差。②将试样的下夹持部分固定在压电式位移驱动器上，可用上部的电磁驱动力对试样进行静态加载，电磁力驱动装置线圈的电流力可由高精度的恒流源调节，灵敏度为量程的10^-6；也可通过固紧电容式位移传感器中的移动极板使试样的上夹持部分固定，用连接在下夹持部分的电容式位移传感器对试样进行位移驱动加载，载荷的大小和频率可以通过调节控制电源的交流电压实现。③拉伸过程中可采用电容式位移传感器测量上夹持部分的位移获得试样变形，也可采用非接触光学测量***记录试样中间一段的变形过程，然后用数字图像相关方法直接测量试样的表面变形。***使用方便，适用范围广，结构紧凑，灵敏度高，测量结果可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为压电式位移驱动器结构示意图。

图3为数据处理***中数字图像相关方法的流程图。

图中：1-机座；2-悬挂弹簧；3-永久磁铁；4-线圈；5-固定极板；6-移动极板；7-上夹持部分；8-下夹持部分；9-CCD；10-三维精密平动台；11-压电式位移驱动器；12-试样；13三维平移调节***；14-调节装置；15-压电陶瓷弹性支撑；16-压电陶瓷。

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体结构和实施方式作进一步的详细说明。

本发明的结构如图1所示，整个装置包括机座1，悬挂弹簧2，由永久磁铁3和线圈4组成的电磁力驱动装置，由固定极板5和移动极板6构成的电容式位移传感器，压电式位移驱动器11，非接触光学测量部分，试样夹持装置(上夹持部分7和下夹持部分8)，三维精密平动台10以及三维平移调节***13。其中非接触光学测量部分由CCD 9和与CCD相连数据处理***组成；悬挂弹簧2采用刚度小于5N/m的柔性螺旋弹簧；压电式位移驱动器11由压电陶瓷弹性支撑15和压电陶瓷16组成。压电式位移驱动器的压电陶瓷采用低电压层叠压电陶瓷，由无摩擦无阻尼的压电陶瓷弹性支撑15夹持(图2)；所述的压电陶瓷弹性支撑15中间加工成空腔用以放置压电陶瓷16，其上部加工成带有螺纹孔的悬臂梁结构，将压电陶瓷放置在悬臂梁的正下方并与悬臂梁底部接触。压电陶瓷弹性支撑整体结构中带有螺纹孔的悬臂梁结构通过拉杆与试样的下夹持部分连接。

上述各部件的连接关系为：低刚度的悬挂弹簧2连接在机座上端的调节装置14上，下端与永久磁铁3相连，永久磁铁3放在线圈4中间而线圈则放在三维平移调节***上，永久磁铁通过拉杆与电容位移传感器中间的移动极板6相连，电容位式移传感器放置在三维平移调节***13上，电容式位移传感器中间的移动极板通过拉杆与试样的上夹持部分7连接，试样的下夹持部分8固定在压电式位移驱动器上，压电式位移驱动器用螺钉固定在三维精密平动台10上，三维精密平动台固定在机座1的底部。

本装置的加载与测量过程如下：

静载荷加载：由输入电流可调的线圈产生的电磁场驱动位于线圈端部的永久磁铁，对永久磁铁产生向上的推力，试样的上夹持部分与永久磁铁相连，从而对试样产生拉力。线圈的直流电由灵敏度为±0.01微安的恒流源供给，对试样进行单向静态拉伸实验。电流最大可达2安培，拉力的灵敏度可以通过变更永久磁铁3大小在0.1至1.0mN/mAz之间变动。

交变载荷加载：试样的上夹持部分7与电容式位移传感器的移动极板相连，下夹持部分8固定在压电位移驱动器上，当用固定螺母固定移动极板时，可通过压电式位移驱动器对试样施加交变拉伸载荷，载荷的大小和频率由驱动电源的交流电压控制，交流电压小于100伏，频率小于2KHz，驱动位移小于15微米。

变形测量：采用电容式位移传感器可测得移动极板和与之相连的试样上端的位移量，当试样下端固定时，即可获得试样的拉伸变形。电容式位移传感器的量程为1mm或±0.5mm，灵敏度±0.5nm。也可采用非接触光学测量***用数字图像相关方法直接测量试样中间一段表面的变形，非接触光学测量***的放大倍数可为4X至1000X。数字图像相关程序的流程图见附图3。计算所用的相关公式如下所示：

$C(u,v)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[f(x,y)g(x+u,y+v)\right]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}f{(x,y)}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}g{(x+u,y+v)}^2}}$

这里：f(x，y)、g(x+u，y+v)分别为变形前后数字图像中各像素点灰度，f_m、g_m为其相关窗口的平均灰度值，u、v为相关窗口的整像素位移，相关窗口的大小为(2M+1)×(2M+1)。

调节***：悬挂弹簧的上端、线圈、电容式位移传感器、压电式位移驱动器以及非接触光学测量***皆与各自的三维调节***连接。

实施例：

***中各元件的参数为：本装置中支撑悬挂弹簧的刚度小于5N/m。线圈的内径为10mm，外径为30mm，高为20mm，线圈的匝数为500，绕线直径0.82mm。选用的永久磁铁直径为10mm，高为10mm。磁铁上的电磁驱动力与电流的关系为0.5mN/mA。电容式位移传感器的位移量程为±500um，分辨率为参数±0.5nm，电容为20pF-120pF，采用差动式电容测量电桥。压电式位移驱动器选用低压层叠压电陶瓷，电压为100V，驱动位移为15um，动态响应时间50us，交变载荷频率为0-5KHZ。非接触光学测量***的成像部分由成像镜头和CCD组成，可根据试样的大小选择合适的放大倍数，对试样的中间部分准确成像并存入与CCD相接的数据处理***中用数字图像相关程序来计算试样的变形信息。

Claims (3)

1.一种悬浮式低维材料动静态微力拉伸实验机，包括机座(1)，悬挂弹簧(2)，由永久磁铁(3)和线圈(4)组成的电磁力驱动装置，由固定极板(5)和移动极板(6)组成的电容式位移传感器，试样夹持装置(7、8)，安装在底座上的三维平移调节***(13)，所述的电磁力驱动装置和电容式位移传感器分别设置在三维平移调节***上，其特征在于：所述的悬挂弹簧(2)采用刚度小于5N/m的柔性螺旋弹簧；该微力拉伸实验机还包括用于施加交变载荷的压电式位移驱动器(11)；所述的压电式位移驱动器放置在机座底部的三维精密平动台(10)上，并通过拉杆与试样夹持装置的下夹持部分(8)相连。

2.根据权利要求1所述的悬浮式低维材料微力拉伸实验机，其特征在于：所述的压电式位移驱动器由压电陶瓷弹性支撑(15)和压电陶瓷(16)组成；所述的压电陶瓷弹性支撑(15)中间加工成空腔用以放置压电陶瓷(16)，其上部加工成带有螺纹孔的悬臂梁结构，压电陶瓷放置在悬臂梁的正下方并与悬臂梁底部接触。

3.根据权利要求1或2所述的悬浮式低维材料微力拉伸实验机，其特征在于：该微力拉伸实验机还包括非接触光学测量***，该***由CCD(9)和与CCD相连的数据处理***组成。

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