CN102183418B - 一种低维材料微扭转力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种低维材料微扭转力学性能测试装置，包括机架、力传感器、微扭矩传感器、扭丝转角测量组件、上、下夹头、步进电机、三维平移台、丝杠螺母组件、伺服控制器、A/D采集卡和计算机系统。微扭矩传感器的扭丝两端张紧固定在支架上，具有很好的刚度和稳定性，还可通过对扭丝的更换来调整测量范围。另外，微扭矩传感器的上端安装有力传感器，可实时检测扭转测试过程中轴向力大小。本发明采用光靶和光电位移传感器相结合的方式测量扭丝的转角，和传统的光杠杆法相比，结构紧凑，自动化程度高，稳定性好。通过调节三维平移台实现上、下夹持点的对中。计算机系统可实时获取试样的扭矩-转角曲线。本装置适用于各种低维材料的微扭转力学性能测试。

Description

一种低维材料微扭转力学性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种对纤维、薄膜等低维材料微扭转力学性能测试的装置，属于微尺度材料力学性能精密测量领域。

背景技术

微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统，已广泛应用于加速度传感器、惯性、压力传感器、微型喷气发动机、大规模数据存储系统和微型的生物化学分析设备等，应用领域还在不断扩大。MEMS系统的设计和选材大量采用几何特征尺寸在微米或亚微米量级的硅膜、金属薄膜以及各种纤维等低维材料。因此，对这类材料的力学行为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，而且对于微纳米力学和材料科学的研究也有着重要的学术和应用价值。特别是近年来的大量实验表明，当金属材料非均匀塑性变形的特征长度在微米或亚微米量级时，表现出强烈的尺度效应。为了测试微纳米材料的力学性能，研究人员设计了各种微拉伸、微压痕和微弯曲实验装置。但是，对于低维材料的微扭转实验，由于面临诸如扭矩传感器的灵敏度和稳定性、转角的测量、试样的夹持和对中等问题，这方面的工作一直停滞不前，相应的实验装置也鲜有报道。

低维材料的微扭转力学性能测量作为一个新问题，目前还没有比较完善的测量方法。Sail等(M.T.A Saifand N.C MacDonald，Journal of MaterialsResearch 13,3353(1998).)利用微加工技术将扭转试样、致动器和校准棒等耦合在一个MEMS系统内，对尺寸为1μm×1μm和1.5μm×1.5μm的矩形截面单晶硅材料进行了微扭转力学性能测试。这种方法存在的问题是驱动力的标定困难，试样的小尺寸影响测试结果，而且该装置的量程较小。Schiltges等(G.Schiltges,D.Gsell,and J.Dual,Microsystem technologies 5,22(1998).)研制的扭转装置中试样粘在夹具上，并与扭矩传感器的轴线保持一致，扭转角度的测量采用光杠杆原理，试样的拉应力由精密天平测量。通过对硅和镍试样的微扭转实验发现，该装置存在的缺陷主要有：试样的装夹和对中不方便，结构稳定性差，扭丝转角测量组件复杂，测量结果误差较大。Fleck等(N.A.Fleck et al.,Acta Metallurgica et Materialia 42,475(1994).)为了研究细铜丝微扭转过程中的尺度效应，搭建了一台细丝微扭转实验装置，该装置采用玻璃丝作为扭转弹性元件，玻璃丝的两端分别与试样和驱动装置连接，试样的扭转角通过两个指针和角度尺获得。该装置仍然存在试样的装夹和对中不方便，结构稳定性差，角度数据读取效率低下等缺点。

综上所述，微扭转实验作为观测低维材料尺度效应和扭转力学性能最为直接有效的手段，其测试方法还很不完善。因此，研制低维材料微扭转力学性能测试装置具有重要的科学意义和实用价值，也将为推动微纳米力学和微机电系统的发展做出较大贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低维材料微扭转力学性能测试的装置，自动、实时、精确地测量纤维、薄膜等低维材料试样在微扭转时的扭矩-转角曲线，从而获得表征低维材料扭转力学性能的参数值；该装置具有适用范围广，灵敏度高，结构稳定，测量结果可靠的优点。

本发明提供的一种低维材料微扭转力学性能测试装置，其特征在于，该装置包括机架、力传感器、微扭矩传感器、扭丝转角测量组件、上夹头、下夹头、步进电机、三维平移台、丝杠螺母组件、伺服控制器、A/D采集卡和计算机系统；微扭矩传感器包括扭丝、支架、矩形框、上扭丝固定块和下扭丝固定块；扭丝张紧固定在支架上，两端分别用上扭丝固定块和下扭丝固定块压紧，矩形框悬挂固定于扭丝的中部。

微扭矩传感器的支架通过力传感器悬挂固定在机架的上端，上夹头采用扣件的方式连接在矩形框的下端，下夹头安装在步进电机的主轴上，上夹头与下夹头用于夹持试样，步进电机安放在三维平移台上，三维平移台安装在丝杠螺母组件上，丝杠螺母组件固定在机架的底部。

所述的伺服控制器与步进电机电连接；A/D采集卡用于对扭丝转角和轴向拉力的数据采集，伺服控制器和A/D采集卡均与计算机系统电连接；

所述扭丝转角测量组件由一维平移台、光电位移传感器和光靶组成，一维平移台安装在机架的侧面支板上，光电位移传感器安放在一维平移台上，光靶固定在矩形框和扭丝的连接处，并和扭丝保持在同一平面，并且光靶对着光电位移传感器的出光口，光电位移传感器的发射光束打在光靶上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：(1)采用扭丝作为扭转弹性元件，扭丝张紧固定在支架上，大大地提高了系统的刚度和稳定性，为实现低维材料微扭矩的自动化、智能化测量奠定了基础；作用在试样上的扭矩通过上夹头和矩形框直接传递给扭丝，无摩擦阻力矩干扰，测试结果更加稳定、精确；通过更换不同规格的扭丝，可以制作出不同量程的微扭矩传感器，从而实现对低维材料微扭转力学性能的宽量程测量。(2)本发明采用非接触式光电位移传感器测量靶面光点的位移δ，然后将位移量转化为扭丝的转角，分辨率可高达10^-6rad。与传统的光杠杆原理测量转角相比，结构更加紧凑，自动化程度更高，稳定性更好。(3)夹头组件均采用特制的四头索咀式圆柱形夹头，通过调节三维平移台以保证上、下夹头的对中性。(4)上夹头与矩形框采用扣件式连接，试样装夹方便。(5)微扭矩传感器的上端固定有力传感器，可以实时检测试样的预加张力和在微扭转过程中的Z向张力大小。整个测量具有自动化、实时化、智能化、高精度、高灵敏度和宽量程的特点，且装置结构紧凑，性能稳定，操作简便，测量结果可靠，适用于各种低维材料的微扭转力学性能测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为扭丝转角测量组件示意图。

图3为铜丝(38μm)的扭矩-转角曲线图。

图中：1-机架；2-三维平移台；3-丝杠螺母组件；4-步进电机；5-下夹头；6-试样；7-上夹头；8-支架；9-下扭丝固定块；10-矩形框；11-一维平移台；12-光电位移传感器；13-光靶；14-扭丝；15-上扭丝固定块；16-力传感器；17-伺服控制器；18-A/D采集卡；19-计算机系统；A-激光束；B-光靶初始位置；B′-光靶当前位置；C-光点。

具体实施方式

现结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细说明。

本发明是基于扭秤的静态工作原理，但形式上进行了改进，提高了结构的刚度，保证了良好的稳定性。

如图1所示，本发明装置包括机架1、力传感器16、微扭矩传感器、扭丝转角测量组件、上夹头7、下夹头5、步进电机4、三维平移台2、丝杠螺母组件3、伺服控制器17、A/D采集卡18和计算机系统19。

微扭矩传感器由扭丝14、支架8、矩形框10和上、下扭丝固定块15、9组成；扭丝14张紧固定在支架8上，两端分别由扭丝固定块15、9压紧，矩形框10悬挂固定于扭丝14的中部。

扭丝转角测量组件由一维平移台11、光电位移传感器12和光靶13组成。一维平移台11安装在机架1的侧面支板上，光电位移传感器12安放在一维平移台11上，光靶13固定在矩形框10和扭丝14的连接处，并和扭丝14保持在同一平面，并且光靶13对着光电位移传感器12的出光口，光电位移传感器12的发射光束A打在光靶13上。

微扭矩传感器的支架8通过力传感器16悬挂固定在机架1的上端，上夹头7连接在矩形框10的下端，下夹头5安装在步进电机4的主轴上，上、下夹头7、5之间夹持试样6，步进电机4安放在三维平移台2上，三维平移台2安装在丝杠螺母组件3上，丝杠螺母组件3固定在机架1的底部。

所述的微扭矩传感器，其特征在于弹性元件扭14两端张紧固定在支架8上，大大提高了系统的刚度，作用在试样6上的扭矩通过上夹头7和矩形框10直接传递给扭丝14，无摩擦阻力矩干扰，测试结果稳定、精确；所述的扭丝转角测量组件，其特征在于采用光学非接触的方法测量扭丝的转角，结构简单，分辨率高，其中靶面13上光点C和扭14之间的距离通过调节一维平移台11获得；所述的上、下夹头7、5，其特征在于均采用四头索咀式圆柱形夹头，对中性好，其中上夹头7与矩形框10采用扣件式连接，试样装夹方便；所述的伺服控制器17用于对步进电机4的运动控制；A/D采集卡18用于对扭丝14转角和轴向拉力的数据采集；计算机系统19用于完成测试系统的参数设置、数据分析与处理以及扭矩-转角曲线的实时显示。

其步骤：

(1)按照测量要求，截取一定长度无损伤的材料试样，用软基材料作衬垫粘贴试样的两端，完成试样6的制作。用镊子将试样夹持于上夹头7和下夹头5之间，并使之处于松弛状态。然后，调节三维平移台2的X、Y方向，使上、下夹持点和扭丝14保持在同一轴线。

(2)对试样施加一定预加张力，使试样6保持伸直。首先粗调丝杠螺母组件3，然后沿Z方向精调三维平移台2，带动步进电机4和下夹头5向下移动，给试样6施加一预加张力，预加张力的大小由力传感器16检测。

(3)对试样6进行扭转加载，当试样6扭转一定角度时，试样6中的扭矩T，通过上夹头7传递给微扭矩传感器，在T的作用下微扭矩传感器的平衡位置将发生偏转，此时，作为扭转弹性元件的扭丝14将提供一反力矩T_w，使得系统重新达到平衡。用扭丝转角测量组件检测出扭丝14相应的转角θ，根据力矩平衡得试样的扭矩

T＝T_w＝Kθ    ①

式中，K为扭丝14的扭转弹性系数，θ为扭丝14的扭转角。由于矩形框10把扭丝14分成l₁、l₂两段，根据材料力学知识有

$K=\frac{\mathrm{G\π}{d}^4}{32}(\frac{1}{l_1}+\frac{1}{l_2})$ ②

式中，G为扭丝14的切变模量，d为扭丝14的直径。

所述的扭丝转角测量组件如附图2所示，光靶13的初始位置B(基准面)与光电位移传感器12的激光束A垂直，当扭丝14带动光靶13转动到B′时，光电位移传感器12测量出其偏离基准面B的位移δ，则扭丝14的转角为

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\δ}}{L}\right)$ ③

式中，L为光靶13上的光点C距离扭丝的距离。

此时，试样6的扭转角为

④

式中，

为步进电机4对试样6施加的转角。

(4)扭丝14的转角θ及步进电机4对试样6施加的转角

分别由A/D采集卡18和伺服控制器17传递给计算机系统19，再根据式①～④，计算机系统19就可以实时获得试样微扭转时的扭矩-转角曲线。测试完毕后，保存相关数据，如图3所示。

实例：

装置中微扭矩传感器的扭丝采用直径为80 μ m的纯钨丝，上、下两段扭丝的长度都取20cm，其分辨率为0.5 μ N.cm，量程为±6000 μ N.cm。力传感器的分辨率为0.1mN，测量范围为±5N。选用的光电位移传感器的分辨率为1 μ m，量程为±15mm，采用三角法测量靶面的转动距离。选用的步进电机的最小步距角为0.0072°。丝杠螺母组件的行程为200mm，一维平移台的行程为20mm，三维平移台X、Y、Z三个方向的行程皆为10mm。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种低维材料微扭转力学性能测试装置，其特征在于，该装置包括机架（1）、力传感器（16）、微扭矩传感器、扭丝转角测量组件、上夹头（7）、下夹头（5）、步进电机（4）、三维平移台（2）、丝杠螺母组件（3）、伺服控制器（17）、A/D采集卡（18）和计算机系统（19）；微扭矩传感器包括扭丝（14）、支架（8）、矩形框（10）、上扭丝固定块（15）和下扭丝固定块（9）；扭丝（14）张紧固定在支架（8）上，两端分别用上扭丝固定块（15）和下扭丝固定块（9）压紧，矩形框（10）悬挂固定于扭丝（14）的中部；

微扭矩传感器的支架（8）通过力传感器（16）悬挂固定在机架（1）的上端，上夹头（7）采用扣件的方式连接在矩形框（10）的下端，下夹头（5）安装在步进电机（4）的主轴上，上夹头（7）与下夹头（5）用于夹持试样（6），步进电机（4）安放在三维平移台（2）上，三维平移台（2）安装在丝杠螺母组件（3）上，丝杠螺母组件（3）固定在机架（1）的底部；

所述的伺服控制器（17）与步进电机（4）电连接；A/D采集卡（18）用于对扭丝（14）转角和轴向拉力的数据采集，伺服控制器（17）和A/D采集卡（18）均与计算机系统（19）电连接；

所述扭丝转角测量组件由一维平移台（11）、光电位移传感器（12）和光靶（13）组成，一维平移台（11）安装在机架（1）的侧面支板上，光电位移传感器（12）安放在一维平移台（11）上，光靶（13）固定在矩形框（10）和扭丝（14）的连接处，并和扭丝（14）保持在同一平面，并且光靶（13）对着光电位移传感器（12）的出光口，光电位移传感器（12）的发射光束打在光靶（13）上。 

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