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