專利名稱：用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及在多種光源下材料拉伸與受壓性能的測量技術(shù)領(lǐng)域， 具體涉及到在高精度位移、不同速率范圍以及相應(yīng)溫度條件下測量材料的 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的裝置。
背景技術(shù)：
材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系是材料科學(xué)與工程的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的 中心課題。通常，研究人員在常規(guī)的拉伸實驗機如萬能拉力機上檢測材料 的力學(xué)性能。另一方面，通過一些光譜，散射和成像的微觀結(jié)構(gòu)表征手段 獲得結(jié)構(gòu)信息。在分別獲得結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能后，再努力尋找它們之間的關(guān) 系。由于結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能檢測不是同時原位進行，因此很難獲得一個非常 明確的對應(yīng)關(guān)系。材料拉伸或壓縮等檢測是一個動態(tài)過程，不同拉伸長度 下結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。解決這一 問題的辦法是將拉伸或壓縮等力學(xué)測試裝 置直接安裝在微觀結(jié)構(gòu)檢測的儀器上，在拉伸和壓縮等力學(xué)性能的測試過 程中對原位檢測材料不同尺度的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行同時原位檢測， 直接給出它們的對應(yīng)關(guān)系。與原位不同尺度微觀結(jié)構(gòu)檢測的儀器連用的力 學(xué)測試裝置必須滿足一些基本條件。第一，在拉伸或壓縮過程保證微觀結(jié) 構(gòu)的檢測點不變。通常的拉伸或壓縮等力學(xué)性能測試儀都是單個方向拉伸 即固定測試樣品的一端，拉伸另一端。這一測試過程中，樣品上沒有一個 固定點供結(jié)構(gòu)測試。兩個方向同時等速拉伸過程中樣品中心位置不變，是 理想的結(jié)構(gòu)檢測點。第二，拉伸或壓縮裝置整體不能太大。商品化微觀結(jié) 構(gòu)檢測儀器的樣品臺空間都較小，如果力學(xué)性能測試裝置過大就無法安裝 在這些儀器上。第三，^皮拉伸或壓縮的樣品最好能在可控環(huán)境中進行檢測， 溫度控制是其中一個基本的條件。第四，適用于不同的微觀結(jié)構(gòu)檢測儀器。 由于材料的力學(xué)性能是由其不同尺度的微觀結(jié)構(gòu)決定的，這些結(jié)構(gòu)檢測需要采用不同的儀器?？偨Y(jié)以上四點，我們可以得出材料研究人員需要的是 一臺體積小、可雙向同步拉伸或壓縮，溫度可控，同步記錄樣品的幾何結(jié) 構(gòu)變化，能用于不同微觀結(jié)構(gòu)檢測儀器上的裝置。
目前國內(nèi)沒有類似商品化儀器，部分實驗有過相應(yīng)探索，但都有很多缺
P舀。國際上Gatan, Deben和Linkam等公司有商品化產(chǎn)品。但Gatan， Deben 的加熱采用夾具加熱，Linkam的加熱是采用單個加熱片，這些加熱方式使 樣品溫度不均勻，不適合在較大范圍的拉伸。特別對高分子其它軟物質(zhì)而 言，均勻加熱是必須的。通常拉力機配的是力口熱爐的方式，通過空氣加熱， 使樣品受熱均勻。 發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型提供一種可以在多種 光源和相應(yīng)溫度條件下測量材料的拉伸與受壓情況，并進行同步結(jié)構(gòu)檢測 的裝置，即用于多光源原位結(jié)構(gòu)^r測的材料4立伸和壓縮裝置。
實現(xiàn)上述目的的具體結(jié)構(gòu)如下
用于多光源原位結(jié)構(gòu);險測的材料拉伸和壓縮裝置包括底板，所述底板 上一側(cè)設(shè)有帶減速器的伺服電機，帶減速器的伺服電機輸出軸通過聯(lián)軸器 連接著主動齒輪的齒輪軸，與主動齒輪軸平行底板上設(shè)有雙向螺桿，雙向 螺桿的一端設(shè)有從動齒輪，從動齒輪與主動齒輪配合，雙向螺桿上兩側(cè)分 別通過螺母連接著固定支架，固定支架另一端分別連接著滑塊，與滑塊對 應(yīng)配合的滑動導(dǎo)軌設(shè)于底板上，兩固定支架相對的一側(cè)面分別設(shè)有夾頭， 一側(cè)固定支架的另一側(cè)面設(shè)有力傳感器； 一對夾頭之間的底板上設(shè)有通光 孔，通光孔處對應(yīng)設(shè)有光源，與光源對應(yīng)設(shè)有高頻率攝像機，高頻率攝像 機通過導(dǎo)線與計算機連接。
所述一對夾頭外側(cè)設(shè)有可拆卸加熱套。
所述一側(cè)夾頭上"^殳有熱電偶。
所述減速器為1: 100高精度行星齒輪變速器。
該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4x18. 2x7cm3。
所述光源為鉬靶，或X射線，或紅外光源。本裝置采用高精度伺服電機做為位移掃描平臺的控制器，前極裝有1: 100的高精度行星齒輪變速器，這樣可以很好的控制掃描平臺得到操作要求 的位移量，而在材料受力與對應(yīng)溫度采集方面，本裝置可以利用Labview 軟件的編寫將高精度伺服電機控制系統(tǒng)、力傳感器和溫度傳感器的控制與 采集進行集成化，使本裝置在位移及速度控制、溫度控制、數(shù)據(jù)采集(包 括拉力或壓力采集、溫度采集)上達到采樣速率快以及數(shù)據(jù)采樣同步實時 并可以在線分析的目的(其中力采集可以使用10k/s的高速采集系統(tǒng))。
高精度的特點體現(xiàn)在伺服電機本身的參數(shù)為勻速轉(zhuǎn)動范圍為1一3000 轉(zhuǎn)/分鐘、單步轉(zhuǎn)動精度為65536步/轉(zhuǎn)，而采用傳動的兩個精細齒輪傳動 比為1: 1,精細傳動螺桿轉(zhuǎn)速為1. 5mm/轉(zhuǎn)，在加上伺服電機前極裝有1: 100的高精度行星齒輪變速器，當選擇伺服電機在1轉(zhuǎn)/分鐘的勻速轉(zhuǎn)動時， 掃描平臺做出500納米/秒的勻速拉伸或擠壓運動。選擇伺服電機的單步運 轉(zhuǎn)時可以通過調(diào)整伺服電機的單步位移大小和單步間隔時間使本裝置達到 更慢的速度，在電機往復(fù)位移運動的過程中，通過設(shè)定高精度伺服電機的 自身的轉(zhuǎn)動精度，可以使掃描平臺達到更為精確的位移與定位。
高頻率攝像機在線實時記錄樣品幾何形狀變化，通過計算機在控制拉 伸裝置的同時實驗人員可以觀察被檢測樣品的形貌，屈服、細頸、斷裂等 力學(xué)行為，拉伸過程中高頻率攝像機CCD按設(shè)置的頻率和暴光時間記錄樣 品的變化情況，以高分辨率的圖片格式儲存，通過分析軟件，得到樣品的 真應(yīng)力應(yīng)變曲線。
實現(xiàn)同步高速采樣，并可在線分析。本裝置可以通過USB接口把高速 采集系統(tǒng)與計算機連接，把每一個傳感器信號進行運算放大，經(jīng)過單片機 處理后通過指定的端 口直接傳送給計算機，再由計算機進行數(shù)據(jù)分析，這 樣就可以實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的同步釆集，而不同通道的采樣時間由Labview 編寫的程序進行控制并且可以實時在線的調(diào)整采樣點，使得采集到的數(shù)據(jù) 更有利于分析與計算。
由于可以采用同步高速采樣和在線分析系統(tǒng)，本裝置可以實時調(diào)整拉 伸或擠壓速度使得壓力或拉力在相應(yīng)的小范圍內(nèi)變化，從而達到恒力拉伸或擠壓的效果。
本實用新型的有益技術(shù)效果是，可實現(xiàn)兩個方向同時等速拉伸過程中
樣品中心位置不變，取得理想的結(jié)構(gòu)檢測點； 一對夾頭外側(cè)設(shè)有可拆卸加 熱套，可實現(xiàn)對被拉伸或壓縮樣品的溫度的調(diào)節(jié)控制；本裝置體積小、位
移精度高、恒定速度可調(diào)節(jié)、可以采用多通道實時數(shù)據(jù)采集，在不同的光 源條件下可以調(diào)整實驗溫度，改變力探測器來實現(xiàn)不同拉伸(壓縮)速度和 不同的拉伸(壓縮)比的情況下在線測量材料的結(jié)構(gòu)變化，從而得到在特定 微小位移和不同溫度下拉伸(或受壓)對材料結(jié)構(gòu)的影響，并紀錄材料的力 學(xué)性能。由于拉伸速率的可控性與穩(wěn)定性，可以得到在不同溫度下以某一 恒定的拉伸(壓縮)速率進行拉伸時材料的幾何形狀變化和結(jié)構(gòu)的變化，并
紀錄其力學(xué)特征；也可以調(diào)整為對應(yīng)溫度曲線控制下通過拉力反饋而形成 的以恒定拉力或壓力運動的恒力運動裝置，從而測量相應(yīng)材料的結(jié)構(gòu)和對 應(yīng)力學(xué)性能。

圖l是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實用新型裝置示意圖。
圖3是本實用新型測量彈簧拉伸過程受力變化示意圖。
圖4是本實用新型拉伸速率分別為A: 2. 93um/s;B: 5. 87um/s時，非晶硫 樣品所受拉力隨采集點(時間)變化趨勢示意圖。
圖5是本實用新型中文名稱(WAXD)在線觀測，拉伸速率為2. 93um/s時 非晶硫的衍射圖變化情況。
圖6是本實用新型中文名稱(SPP)樣品在拉伸速率為l. 16um/s時的工 程應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖。
圖7是通過光強分析，得到中文名稱(SPP)樣品的寬度變化示意圖。
圖8是中文名稱(SPP)樣品在拉伸過程中的真應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本實用新型作進一步地說明。 實施例1
用于多光源原位結(jié)構(gòu)^r測的材料拉伸和壓縮裝置包括底板9，底板9 上一側(cè)固定安裝有帶減速器的伺服電機1,減速器為1: IOO高精度行星齒 輪變速器；帶減速器的伺服電機1輸出軸通過聯(lián)軸器2連接著主動齒輪的 齒輪軸，與主動齒輪軸平行底板9上設(shè)有雙向螺桿4,雙向螺桿4的一端安 裝有從動齒輪，從動齒輪與主動齒輪嚙合傳動，雙向螺桿4上兩側(cè)分別通 過螺母連接著固定支架5，固定支架5另一端分別連接著滑塊，與滑塊對應(yīng) 配合的滑動導(dǎo)軌安裝于底板上，兩固定支架5相對的一側(cè)面分別安裝有夾 頭6， 一側(cè)固定支架5上安裝有力傳感器8; —對夾頭6之間的底板上設(shè)有 通光孔，通光孔處對應(yīng)安裝有光源，與光源對應(yīng)處安裝有高頻率攝像機14; 帶減速器的伺服電機1、高頻率攝像機14分別通過導(dǎo)線與計算機13連接； 帶減速器的伺服電機1通過導(dǎo)線連接著控制箱11，控制箱11通過導(dǎo)線連接 著計算機13。
一對夾頭6外側(cè)安裝有可拆卸加熱套7, —側(cè)夾頭6上安裝有熱電偶； 可拆卸加熱套7和熱電偶通過導(dǎo)線連接著溫度控制器12,溫度控制器12通 過導(dǎo)線連接著計算機13。
該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4x18. 2x7cm3。
工作過程中，將材料樣品10固定在夾頭6之間，由計算機13下達指 令給控制箱ll,控制箱ll把工作信號傳輸給伺服電機l,通過行星減速器 以100:1的比率減小轉(zhuǎn)速，通過一對傳輸齒輪3傳遞給雙向螺桿4;帶動 固定支架5同時向相反方向平動，提供給材料樣品10外力(拉伸力或壓縮 力)，材料樣品10在拉伸或壓縮過程中產(chǎn)生形變，對加頭6產(chǎn)生反作用力， 通過拉力傳感器8的放大傳輸給控制箱11,再經(jīng)過控制箱處理信號，最后 傳反饋給計算機13?？刹鹦都訜崽?用于材料樣品10的環(huán)境加熱，材料樣 品熱信號由熱電阻(或熱電偶)反饋給溫度控制器12，溫度控制器12把溫度 信號傳輸給計算機13，通過電腦程序控制材料樣品10的環(huán)境溫度。高頻率 攝相機14通過計算機13控制曝光時間，圖象分辨率，曝光頻率等，可以連續(xù)采集。測得的數(shù)據(jù)給出材料樣品io形變過程中的幾何形狀變化，通過
光強分析，獲得樣品在形變過程中的橫截面積變化，通過計算得出真應(yīng)力
應(yīng)變曲線(true stress-true strain )。這樣，才羊品溫度、所受到力、樣 品的形變量等參數(shù)可在電腦上同時給出。
參見圖2，將彈簧作為測試樣品對力傳感器性能進行測試，結(jié)果表明力 傳感器工作狀態(tài)良好，拉力變化與相應(yīng)位移量基本為線性關(guān)系。
工程應(yīng)力-應(yīng)變(engineering stress-strain )和真應(yīng)力-應(yīng)變(true stress-strain)兩種不同的檢測方法將分別在下面的實施例2和3給出。 將拉伸裝置與其他表征設(shè)備(如二維寬角x散射儀、小角激光光散射、紅外 光譜儀、紫外圓二色光譜儀等)配套檢測時，檢測光通過固定底板9上的通 光孔(材料樣品10處)直接透過樣品，實現(xiàn)實時檢測的目的。
實施例2
二維寬角(WAXD-Mar345)在線測量無定形單質(zhì)石克拉伸過程中的結(jié)構(gòu)變
化
(1) 根據(jù)不同的實驗需要，選擇不同的測力器，本裝置采用可換式力 傳感器，希望能滿足不同的實驗需要。本實驗使用的是小量程力傳感器(量 程為10N),其精度在O. 2N左右；另外還配有量程為200N(精度2N左右)的力
傳感器，主要是針對強度較高的材料使用。由于設(shè)計時考慮到更換力傳感 器的問題，更換時非常方便。
(2) 接通計算機與控制箱的串口 A、將帶減速器的伺服電機l控制輸 出線接入計算機串口4; B、力傳感器8信號輸出線聯(lián)接計算機串口1。接通 控制箱與拉伸裝置的串口 A、接通控制箱與伺服電機的串口； B、接通壓 電器與控制箱中力傳感器的串口。計算機開機后，打開控制箱電源(即可同 時啟動伺服電機1和力傳感器8。按照實驗需要的大小調(diào)整夾頭的位置。兩 夾頭間最小距離為1 Omm (加熱套本身的限制)。
注意由于力傳感器本身為壓電裝置，在實驗過程中要保證拉伸裝置 的絕緣性，否則會影響力信號的采集。
9(3) 材料樣品10 (amorphous sulfur)力口工成大小為lmmx2mmxl5mm工形 條狀，固定夾裝于一對夾頭6上。材料樣品位于夾具的中心位置，.條狀樣品 的長軸平行與拉伸方向。旋緊夾頭螺絲，確保在拉伸過程中樣品不會脫落。
(4) 裝樣完畢后，將拉伸裝置固定在升降底座上，整體放置于二維寬 角檢測臺上。通過升降底座調(diào)整高度，使二維寬角衍射儀中出射X射線通過 通光孔穿過樣品中心。樣品是否對中，可以通過測得的WAXD圖像確定。
(5) 開啟WAXD檢測儀(光源為鉬靶，波長O. 7107埃；樣品距感光屏的間 距302. 009mm^使用連續(xù)采集模式，曝光時間200s)。同時啟動拉伸裝置， 設(shè)定不同的拉伸速率(0. 58um/s —0. 35mm/s )進行實驗，本事例采用2種不 同的拉伸速率，得到拉力隨時間的變化趨勢如圖(3)所示，橫坐標為采集 點的個數(shù)(1秒對應(yīng)5個點)，縱坐標為拉力大小。位移隨時間的變化為線性 變化，即數(shù)據(jù)處理后可以直接得到拉力隨材料拉伸長度的變化趨勢，對 應(yīng)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。圖(4)為WAXD檢測儀采集的樣品拉伸過程中的X射線 散射圖譜隨時間的變化情況，明顯觀察到非晶硫的結(jié)晶和取向行為。通過 簡單的數(shù)據(jù)處理，可以將應(yīng)力、應(yīng)變、非晶硫的結(jié)構(gòu)和某一時間段對應(yīng)起 來，實現(xiàn)在線觀測樣品的結(jié)構(gòu)變化。實驗結(jié)果表明本裝置能精確控制樣 品的拉伸長度，并給出相應(yīng)的力值變化，與其他檢測設(shè)備配套能實現(xiàn)在線 觀測被檢測樣品的結(jié)構(gòu)變化，具有很好的實用性。
實施例3
二維寬角在線測量間規(guī)聚丙烯結(jié)構(gòu)變化(本實驗在室溫下進行)
(1) 本實施例使用的是大量程力傳感器(量程為200N),其精度在2N 左右，主要是針對強度較高的材料使用。由于設(shè)計時考慮到更換力傳感器 的問題，更換時非常方便。
(2) 開啟計算機，開啟拉伸裝置控制箱，實驗操作如實施例2中 步驟2。打開高頻率攝像機，設(shè)定連續(xù)采集頻率為8張/秒，設(shè)定分辨 率為1024 x 1024,采集時間無限。
(3) 材料樣品IO(SPP)加工成大小為l咖x4mmx27mm啞鈴形條狀，固定于加頭處。
(4) 如實施例2中步驟(4)方法校準光心。
(5) 開啟WAXD檢測儀(光源為鉬耙，波長O. 7107埃；樣品距感光屏的 間距241.00mm使用連續(xù)采集模式，曝光時間200s/張。同時啟動拉伸裝置， 設(shè)定拉伸速率為1.16um/s，啟動高頻率攝像機，曝光時間為8s/張，連續(xù) 記錄材料樣品的幾何形狀變化。
本實施例采用固定的的拉伸速率，拉伸速度為l. 16 |Lim/s，得到的工程 應(yīng)力隨時間變化曲線如圖(5)。通過光強分析，得到樣品的寬度變化如圖(6) 所示，假設(shè)拉伸過程中樣品體積沒有改變，利用仿射形變原理得到樣品的 厚度變化。計算,樣，的橫截面積的連續(xù)變化情況，連續(xù)樣品通過簡單的 數(shù)據(jù)處理，a==;^ cr為某一形變量下樣品單位面積上受到的拉力；/ 為樣品此時受到的總拉力；^為SPP啞鈴行樣品的橫截面積；6,d分別為樣品 此時的寬度和厚度。如此可以得到樣品在拉伸過程中的真應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖 7)。圖8為SPP樣品在拉伸過程中的二維衍射圖和一維衍射曲線變化圖。實 驗結(jié)果表明本裝置能精確控制材料樣品的拉伸長度，通過高頻率攝像機 CCD在線測量樣品的幾何形狀變化，可以給出真應(yīng)力應(yīng)變曲線，與其他檢測 設(shè)備配套能實現(xiàn)在線觀測被檢測樣品的結(jié)構(gòu)變化，具有很好的實用性。
權(quán)利要求1、用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮裝置，其特征在于包括底板，所述底板上一側(cè)設(shè)有帶減速器的伺服電機，帶減速器的伺服電機輸出軸通過聯(lián)軸器連接著主動齒輪的齒輪軸，與主動齒輪軸平行底板上設(shè)有雙向螺桿，雙向螺桿的一端設(shè)有從動齒輪，從動齒輪與主動齒輪配合，雙向螺桿上兩側(cè)分別通過螺母連接著固定支架，固定支架另一端分別連接著滑塊，與滑塊對應(yīng)配合的滑動導(dǎo)軌設(shè)于底板上；兩固定支架相對應(yīng)的一側(cè)面分別設(shè)有夾頭，一側(cè)固定支架上設(shè)有力傳感器；一對夾頭之間的底板上設(shè)有通光孔，通光孔處對應(yīng)設(shè)有光源，與光源對應(yīng)設(shè)有高頻率攝像機；帶減速器的伺服電機、高頻率攝像機分別通過導(dǎo)線與計算機連接；帶減速器的伺服電機通過導(dǎo)線連接著控制箱，控制箱通過導(dǎo)線連接著計算機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu);險測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述一對夾頭外側(cè)設(shè)有可拆卸加熱套。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述一側(cè)夾頭上設(shè)有熱電偶。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述減速器為1: 100高精度行星齒輪變速器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4 x 18. 2 x 7cm3。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述光源為鉬靶，或X射線，或紅外光源。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述伺服電機的勻速轉(zhuǎn)動范圍為1 — 3000轉(zhuǎn)/分鐘、單 步轉(zhuǎn)動精度為655 36步/轉(zhuǎn)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮裝置，其特征在于所述主動齒輪和從動齒輪的傳動比為1: 1。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮 裝置，其特征在于所述雙向螺桿的轉(zhuǎn)速為1. 5mm/轉(zhuǎn)。
專利摘要本實用新型涉及用于多光源原位結(jié)構(gòu)檢測的材料拉伸和壓縮裝置。該裝置底板上設(shè)有帶減速器的伺服電機、雙向螺桿和滑動導(dǎo)軌，伺服電機輸出端與雙向螺桿對應(yīng)端設(shè)有一對齒輪副，雙向螺桿上兩側(cè)分別通過螺母連接著固定支架，固定支架另一端分別通過滑塊與滑動導(dǎo)軌配合；兩固定支架上分別對應(yīng)設(shè)有夾頭，一側(cè)固定支架上設(shè)有力傳感器；一對夾頭之間的底板上設(shè)有通光孔，還設(shè)有高頻率攝像機和計算機。本實用新型體積小、位移精度高、恒定速度可調(diào)節(jié)，可以在不同的實驗溫度下，配套多種光源，高速實時檢測材料在拉伸(壓縮)過程中力學(xué)性能與不同尺度的微觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系。
文檔編號G01N3/08GK201237567SQ20082003888
公開日2009年5月13日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者姚傳榮, 李良彬, 嘯 汪, 洪義麟, 趙佰金, 邵春光 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)