CN205538475U - 一种软材料力学性能测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软材料力学性能测量装置，该测量装置包括音圈电机、平移台和CCD摄像机，其中：所述音圈电机安装在台架上，其主轴沿台架做直线运动，以对待测软材料进行加载；所述平移台位于所述音圈电机的下方，其上放置有所述待测软材料；所述CCD摄像机设于待测软材料的一侧，用于拍摄软材料加载前后的变形图像。本实用新型结构紧凑，功能齐全，具有测量精度高、测量范围广等优点。

Description

一种软材料力学性能测量装置

技术领域

本实用新型属于软材料力学性能测试领域，更具体地，涉及一种软材料力学性能测量装置。

背景技术

软材料是介于固体和理想流体之间的一类特殊的物质，一般是由大分子或分子团簇组成，它具有柔软性和复杂性两个显著特点。软材料主要包括橡胶、生物组织和液晶，它与我们的日常生活联系非常紧密，与一般的工程材料比起来，软材料具有非常独特的优良特性，如橡胶具有耐腐蚀、柔韧、耐磨、绝热绝缘等优点，在航空航天、生物材料、工业工程与医学等领域具有广泛应用背景。因此，对软材料的测试非常重要，获知软材料的性能之后，便可对号入座使其投入生产发挥应用价值。

软材料的力学性质较为复杂，比如对外界的微小作用非常敏感，对软物质施加较小载荷就可以产生较大变形，即弱影响引起强变化，且软物质的变形响应具有非线性的特点，包括几何非线性与物理非线性，另外，软物质在接触问题中的接触边界也是非线性的，所以软材料力学性能的测试非常复杂。

现有技术中对于软材料的力学性能测试有了一些研究方案，例如CN201210319723.9公开的扫描电镜下多用途原位微尺度力学性能测试方法，其采用音圈电机避免了步进电机驱动方式所产生的振动，可进行原位拉伸、压缩、弯曲及疲劳力学性能测试。然而该方法获得力的数据需外加一个力传感器，且需通过扫描电镜获取疲劳裂纹情况，同时针对不同长度的试样需设计滑块与滑槽，结构复杂，操作不便。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种软材料力学性能测量装置，其通过音圈电机来实现加载与数据的采集，通过音圈电机的主轴接触实验样品，对样品施加一定的载荷，获取位移与载荷数据，并结合数字图像对软材料作进一步测量，得到材料更全面的力学性能参数，具有测量精度高，测量范围广等优点，适用于多种软材料的多种力学性能的测量。

为实现上述目的，本实用新型提出了.一种软材料力学性能测量装置，该测量装置包括音圈电机、平移台和CCD摄像机，其中：

所述音圈电机安装在台架上，其主轴沿台架做直线运动，以对待测软材料进行加载；

所述平移台位于所述音圈电机的下方，其上放置有所述待测软材料；所述CCD摄像机设于待测软材料的一侧，用于拍摄软材料加载前后的变形图像。

作为进一步优选的，所述音圈电机内部设置有光栅尺和力传感器，所述光栅尺用于获取音圈电机的主轴位移，所述力传感器用于获取载荷数据。

作为进一步优选的，所述台架包括底座和垂直安装在底座上的竖直板。

作为进一步优选的，所述底座和竖直板之间设置有加强筋。

作为进一步优选的，所述音圈电机通过圆柱头螺钉安装在竖直板上。

作为进一步优选的，所述音圈电机在力、速度和位置三种模式之间进行转换。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型的音圈电机的主轴在控制器的驱动下沿着竖直方向做直线运动，利用音圈电机软着陆功能实现与软物质样品的弱力接触，具有测量精度高，测量范围广等优点，适用于多种软材料的多种力学性能的测量。

2.本实用新型的音圈电机可进行精准的位置、力量、速度以及加速度的控制，其由控制器直接驱动，有着非常高的精准性及重复性，可实现在力、速度和位置三种模式之间自由转换。

3.本实用新型通过CCD摄像机测量了小应变下软材料的变形数据，并与音圈电机反馈的载荷-位移数据相结合，可快速准确的获得材料更全面的力学性能参数，可实现软材料弹性模量、力学性能滞后环、疲劳性能等多种力学性能的测量。

附图说明

图1是本实用新型实施例的软材料力学性能测量装置的整体布局图；

图2(a)和(b)是本实用新型实施例的软材料力学性能测量装置的立体图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种软材料力学性能测量装置，其主要包括音圈电机1、台架5、平移台4和CCD摄像机8，本实用新型主要利用音圈电机作为执行器，在音圈电机运动的同时实时反馈软材料拉压变形过程中的位移-载荷数据，并结合变形图像的变形数据，实现软材料的多种力学性能参数的测试。具体的，本实用新型测量装置的整体尺寸为243mm×260mm×360mm。

下面分别对测量装置中的各个部件进行详细的描述。

音圈电机1，其作为本测量装置的执行器，安装于台架5上，并位于待测软材料的上方，其可沿台架做上下直线运动，随着其运动对待测软材料进行加载，运动的同时可获得其主轴的位置信息以及其加载的载荷信息。具体的，位置信息由设于音圈电机内部的光栅尺获得，载荷信息由位于音圈电机内部的力传感器获得。

音圈电机1可通过控制器2的控制实现直线运动，并通过改变其主轴位移的大小以改变施加在软材料上面的载荷。具体的，执行器音圈电机1可在力、速度和位置三种模式之间进行转换，即向控制器2发送力模式指令，执行器主轴将以一定大小的力向前运动；向控制器2发送速度模式指令，执行器主轴将以一定大小的速度向前运动；向控制器2发送位置模式指令，执行器主轴将运动到相对位置或绝对位置。

为实现各种数据的获取，本实用新型还设置有计算机6(PC)，控制器2一端连接执行器(音圈电机)，另一端连接计算机，PC端将控制指令发送到控制器2上，以控制音圈电机的运动。在对软材料进行测量时，根据音圈电机1内部的光栅尺和力传感器分别获得主轴的位移和载荷数据，该位移和载荷数据直接通过控制器采集，并通过控制器将采集的数据发送至计算机中，计算机根据采集的数据进行分析与处理，以获得待测软材料的载荷-位移关系f：

S＝f(F)；

其中，S为主轴相对于编程原点的位移，F为主轴反馈的力。

进一步的，编程原点(即编程零点)采用如下方式确定：使音圈电机1的主轴以高速度、低力量的方式接近待测软材料7的表面，同时持续监控位置误差，即主轴的随动误差，随动误差为主轴运动的要求位置与实际位置之差，直到随动误差到达到所设定的位置误差，例如50μm，然后使主轴的位置保持不变，设定该点为编程原点，执行软着陆之后的功能。其中，高速度、低力量具体指速度为8000μm/s，力量为低于10公克的轻柔接触力。

更为具体的，控制器2与电源转换模块3相连，该电源转换模块3和计算机6由同一电源9供电，具体可由220V交流电源供电，控制器2与电源转换模块3安装于台架5的同一侧。控制器2与电源转换模块3的安装仅需起到固定作用，无需加工精度和配合要求，只需合理分布其安装位置保证结构的紧凑性和外观的完整性即可。

台架5用于实现其他部件的安装固定，且用于保证测量的稳定性，其包括底座51和垂直安装在底座51上的竖直板52，控制器2与电源转换模块3设于竖直板52的一侧，音圈电机1和平移台4设于竖直板52的另一侧。为了便于测量装置的放置、拿取和测量时的稳定性，需保证底座51跟实验台具有较大的接触面积，并且接触面积需精加工，底座的底面51选择开一个宽143mm的凹槽可减少精加工面积。

由于音圈电机沿着主轴方向运动，因此将它安装在台架的竖直板上，主轴沿着竖直方向布置，通过例如圆柱头螺钉安装在竖直板上，由于音圈电机1安装在竖直板上，且音圈电机1是软材料力学性能测试装置的主要部件，它的安装精度直接影响整个装置的实验精度，因此，在竖直板的安装面上精加工。

为了便于固定安装，台架的底座上设有四个沉头孔，通过安装地脚螺栓固定本实用新型的测试装置，螺栓头底面与沉头孔表面需进行装配，故沉头孔表面为配合表面，需要精加工。为了提高竖直板的稳定性，在底座和竖直板之间通过焊接工艺连接有加强筋53。

平移台4用于放置和水平移动测试软材料，其安装在音圈电机1的下方，通过安装地脚螺栓固定于测试装置台架5的底座上，其安装精度直接影响整个装置的实验精度，为保证测试的准确性，安装面要保证一定的加工精度。

待测软材料的一侧设置有CCD摄像机8，该CCD摄像机8用于拍摄软材料加压前后的变形图像，并将变形图像传输至计算机6中。具体的，利用摄像机拍摄变形前后被测物体表面的数字图像，即用CCD作为光电传感器监测材料拉压变形过程中的变形量，该方法不但比常规的引伸计测量的方法更客观，还能实时测量软材料变形全过程，最后将变形前后数字图像进行匹配获得被测物件的变形数据，比如材料的宽度伸缩量等。

本实用新型的整个测量装置由计算机6中的上位机软件进行控制，包括音圈电机1主轴的运动，生成的受力变形曲线的图案与实验数据的采集与后处理等。平移台4可手动控制，也可设计为电机控制。

下面具体说明一下采用本实用新型的测量装置进行力学性能测量的方法，其具体为：

音圈电机1的主轴沿着竖直方向做直线运动，音圈电机向下运动与待测软材料7弱力接触；当主轴与待测软材料7的表面刚好接触时，设置为编程原点，之后主轴继续运动，软材料在主轴的载荷作用下产生形变；音圈电机1内部的栅尺和力传感器分别采集主轴的位移和载荷数据，并将位移和载荷数据传输至计算机6，待测软材料7一侧的CCD摄像机8拍摄软材料加压前后的变形图像，并将变形图像传输至计算机6中，以获得软材料的变形数据；通过位移和载荷数据并结合变形图像的变形数据，定量计算出软材料的力学性能参数。

下面以软材料弹性模量、力学性能滞后环和疲劳试验为例，进一步描述本实用新型的测试过程。

1)弹性模量试验

弹性模量计算公式如下：

$E=\frac{{\mathrm{PL}}_0}{\mathrm{\Δ}L\mathrm{\Δ}A};$

其中，P为施加载荷，ΔL为软材料的变形量，ΔA为软材料测量过程中的横截面积，L₀为软材料的总长。

测试过程中，软材料的横截面积在不断地发生改变，通过前述数字相关方法测量变形后材料的轮廓以求得横截面积ΔA。通过音圈电机内置光栅尺测得软材料的变形量ΔL，通过音圈电机内置的力传感器可得材料的施加载荷P，将其反馈到计算机中即可得出在不同变形下软材料的弹性模量性能。

2)力学性能滞后环试验

本实用新型的测量装置可进行材料力学性能滞后环试验，通过绘制应力应变曲线即可得到软材料的力学性能滞后环。材料在循环载荷下，其应力应变响应与单调加载有很大的不同，总应变幅包括弹应变幅和塑性应变幅：

Δε＝Δε_e+Δε_p；

其中，Δε为总应变幅，Δε_e为弹应变幅，Δε_p为塑性应变幅。完整的载荷循环所对应的应力-应变曲线围成一个封闭的回线，称滞后回线或滞后环。实验过程中通过监测软材料加载与卸载过程中的应力与应变值来获得软材料的滞后性能。

3)疲劳试验

本实用新型的测量装置可进行软材料的疲劳试验，通过计算机向控制器2发送控制指令，使执行器音圈电机向软材料施加交变载荷，获取测试材料在交变载荷下的强度，即为疲劳强度。

$R=\frac{{\mathrm{\σ}}_{min}}{{\mathrm{\σ}}_{\max }};$

其中，R为应力比，σ_min为最小载荷，σ_max为最大载荷，通过计算机中的软件记录R＝-1时材料发生损坏时的循环次数和施加载荷大小，绘制出表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的S-N曲线，即可得到软材料的疲劳性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种软材料力学性能测量装置，其特征在于，该测量装置包括音圈电机(1)、平移台(4)和CCD摄像机(8)，其中：

所述音圈电机(1)安装在台架(5)上，其主轴沿台架(5)做直线运动，以对待测软材料(7)进行加载；

所述平移台(4)位于所述音圈电机(1)的下方，其上放置有所述待测软材料(7)；所述CCD摄像机(8)设于待测软材料(7)的一侧，用于拍摄软材料加载前后的变形图像。

2.如权利要求1所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述音圈电机内部设置有光栅尺和力传感器，所述光栅尺用于获取音圈电机的主轴位移，所述力传感器用于获取载荷数据。

3.如权利要求2所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述台架(5)包括底座(51)和垂直安装在底座(51)上的竖直板(52)。

4.如权利要求3所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述底座(51)和竖直板(52)之间设置有加强筋(53)。

5.如权利要求4所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述音圈电机(1)通过圆柱头螺钉安装在竖直板上。

6.如权利要求5所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述音圈电机(1)在力、速度和位置三种模式之间进行转换。