[發(fā)明專利]一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610939133.4
• 申請(qǐng)日: 2016-11-01
• 公開（公告）號(hào): CN106568658B
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋學(xué)勇;解克各;申亞京
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/22
• 分類號(hào): G01N3/22
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置，包括水平放置的基座(1)，其特征在于：基座(1)通過兩根垂直布置的支撐臂(2)和頂蓋板(8)連接，頂蓋板(8)連接托架框(6)，托架框(6)的底部和頂蓋板(8)的中部均設(shè)有支撐主軸(17)的磁懸浮軸承(20)，主軸(17)的中部通過兩層不同旋向的雙螺旋中心對(duì)稱的第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)與托架框(6)的內(nèi)壁連接，第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)在水平支撐方向呈十字交叉布置，主軸(17)的下端連接有上夾緊裝置(5-2)，上夾緊裝置(5-2)和待測試樣(21)的上端連接，待測試樣(21)的下端和下夾緊裝置(5-1)連接，下夾緊裝置(5-1)連接在伺服馬達(dá)(4-2)的輸出軸(24)上，伺服馬達(dá)(4-2)固定在位置調(diào)整裝置(4-1)上，位置調(diào)整裝置(4-1)連接在支撐臂(2)上的高精度垂直移動(dòng)導(dǎo)軌(3)上；

在頂蓋板(8)的頂面設(shè)有托架框調(diào)節(jié)旋鈕(9)，通過托架框調(diào)節(jié)旋鈕(9)能夠帶動(dòng)托架框(6)繞托架框(6)中心旋轉(zhuǎn)；頂蓋板(8)的頂面靠近主軸(17)的位置設(shè)有電磁體(10)，電磁體(10)與主軸(17)上端連接的上磁盤(11)通過磁斥力作用使主軸(17)懸浮；主軸(17)的下端設(shè)有下磁盤(19)，托架框(6)底部連接的位置檢測元件(18)對(duì)下磁盤(19)上下面的位置進(jìn)行檢測，主軸(17)的頂端連接有反射鏡(12)，反射鏡(12)的反射面與主軸(17)的回轉(zhuǎn)中心共面安裝，在頂蓋板(8)的頂面的邊部還設(shè)有一個(gè)平行激光發(fā)射器(15)和測量尺(14)，平行激光發(fā)射器(15)所發(fā)出的入射光線(22)通過測量尺(14)上面的小孔照射到反射鏡(12)，并由反射鏡(12)反射到測量尺(14)上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置，其特征在于：所述的頂蓋板(8)的下方設(shè)有環(huán)型槽(13)，托架框(6)為圓筒型，托架框(6)上端靠近環(huán)形槽(13)處含有齒圈，三個(gè)緊固套(16)壓緊該齒圈，齒圈的輪齒與托架框調(diào)節(jié)旋鈕(9)下方的小齒輪連接，托架框調(diào)節(jié)旋鈕(9)的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)托架框(6)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置，其特征在于：所述的上磁盤(11)和下磁盤(19)均由外環(huán)(11-1)和內(nèi)環(huán)(11-2)組成，內(nèi)環(huán)(11-2)采用非磁性材料制成，外環(huán)(11-1)為永磁體，在托架框(6)里面的下磁盤(19)較頂蓋板(8)上方的上磁盤(11)大，下磁盤(19)與位置檢測元件(18)共同構(gòu)成主軸(17)的軸向位置檢測系統(tǒng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置，其特征在于：所述的第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)采用剛度較小的金屬纖維絲/薄片制成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置，其特征在于：所述的下夾緊裝置(5-1)和上夾緊裝置(5-2)包括通過螺紋(25)聯(lián)接在一起的夾具外箍(26)和夾具內(nèi)芯(27)，夾具外箍(26)和夾具內(nèi)芯(27)的前端均為錐形面(28)；下夾緊裝置(5-1)的夾具內(nèi)芯(27)的后端與伺服馬達(dá)(4-2)的輸出軸(24)連接，上夾緊裝置(5-2)的夾具內(nèi)芯(27)的后端與主軸(17)的下端連接，下夾緊裝置(5-1)和上夾緊裝置(5-2)的夾具內(nèi)芯(26)的前端中空，分為上下兩半唇(29)，并且兩半唇(29)均含有用于定位的自動(dòng)定心的V型槽。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度下材料扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試裝置的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，將基座(1)放置在水平面上，啟用電磁體(10)和上磁盤(11)之間的磁引力將兩者吸合在一起，阻止主軸(17)的轉(zhuǎn)動(dòng)；

第二步，將待測試樣(21)的上端鎖緊在與主軸(17)連接的上夾緊裝置(5-2)中，啟動(dòng)電磁體(10)和上磁盤(11)之間的磁斥力將主軸(17)緩慢拖起并穩(wěn)定在懸浮狀態(tài)，待測試樣(21)的另一端在重力作用下自然垂下；

第三步，調(diào)整位置調(diào)整裝置(4-1)的位置，使待測試樣(21)的下端恰好垂直通過與伺服馬達(dá)(4-2)的輸出軸(24)連接的下夾緊裝置(5-1)的回轉(zhuǎn)中心軸線位置；

第四步，啟動(dòng)平行激光發(fā)射器(15)，使入射光線(22)垂直并通過主軸(17)的回轉(zhuǎn)中心，觀測反射光線(23)落在測量尺(14)上位置，通過調(diào)節(jié)托架框調(diào)節(jié)旋鈕(9)，使入射光線(22)與反射光線(23)重合后，將待測試樣(21)的下端鎖緊在與伺服馬達(dá)(4-2)的輸出軸(24)相連的下夾緊裝置(5-1)中；

第五步，啟動(dòng)伺服馬達(dá)(4-2)，控制伺服馬達(dá)(4-2)的轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服馬達(dá)(4-2)的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)角通過被測試樣(21)傳遞給主軸(17)；同時(shí)，亦通過調(diào)整主軸(17)上端部電磁斥力的大小和位置調(diào)整裝置(4-1)的垂直位置，控制被測試樣(21)預(yù)拉力的大小；主軸(17)帶動(dòng)兩層不同旋向的雙螺旋中心對(duì)稱的第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并通過反射鏡(12)使平行激光發(fā)射器(15)發(fā)出的入射光線(22)呈一定角度反射到測量尺(14)上；

第六步，根據(jù)反射光線(23)落在測量尺(14)上位置偏移原點(diǎn)的距離S和反射鏡(12)距測量尺(14)的距離L，即得到式(1)主軸(17)的旋轉(zhuǎn)角度θ，

根據(jù)伺服馬達(dá)(4-2)的轉(zhuǎn)角和主軸(17)的旋轉(zhuǎn)角度θ，得到式(2)待測試樣(21)的扭轉(zhuǎn)角度ψ，

通過兩層不同旋向的雙螺旋中心對(duì)稱的第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)的扭轉(zhuǎn)剛度k和待測試樣(21)的扭轉(zhuǎn)角度ψ，得到式(3)待測試樣(21)的扭矩T和扭轉(zhuǎn)角ψ的關(guān)系，

T＝k×ψ (3)

兩層不同旋向的雙螺旋中心對(duì)稱的第一游絲(7-1)和第二游絲(7-2)的扭轉(zhuǎn)剛度k通過計(jì)算公式(4)得到，

式中，M為作用在游絲上的轉(zhuǎn)矩，E為材料的彈性模量，h為游絲的厚度，b為寬度，L為游絲工作弧線長度；

第七步，通過綜合控制主軸(17)電磁斥力和伺服馬達(dá)(4-2)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，即實(shí)現(xiàn)對(duì)待測試樣(21)在微納尺度的原位扭轉(zhuǎn)拉伸不同性能的測試。