專利名稱：一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種的微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，使人們對(duì)事物的觀察和研究從定性到定量，從目測到使用 各種工具和方法，以彌補(bǔ)人體感觀器官的不足,從而促進(jìn)測試技術(shù)不斷地發(fā)展。為了研究人眼
所不能分辨的細(xì)小物質(zhì)及其變化，弄清微小物體的實(shí)質(zhì)，了解物質(zhì)之結(jié)構(gòu)人們發(fā)明了顯徽 鏡；同樣自然界和人類生活中有極其多的高速瞬變現(xiàn)象，而人眼的時(shí)間分辨率十分有限，要 研究它們就要借助于高速攝影技術(shù)。高速攝影是測試、研究高速運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)象非常有效的手段， 如同顯微鏡能將微觀物體放大那樣，高速攝影術(shù)起到對(duì)時(shí)間"放大"的作用，而且它是一種 非接觸的、動(dòng)態(tài)的測量，能分析運(yùn)動(dòng)各不同時(shí)刻的變化，拍下的每幅圖片上同時(shí)含有運(yùn)動(dòng)事 物的空間信息和時(shí)間信息。在過去許多年的科學(xué)研究中，兩種如此強(qiáng)大的工具都是獨(dú)立工作 的，在它們各自的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用，而兩者沒有很好的結(jié)合起來為科學(xué)研究作出貢 獻(xiàn)。例如顯微鏡一經(jīng)問世就受到了各方面科學(xué)家們的高度重視，立即被應(yīng)用于很多科學(xué)領(lǐng)域 方面的研究和探索工作。最早人們借助顯微鏡研究各種致病細(xì)菌和動(dòng)物的新鮮細(xì)胞，為生物 及醫(yī)學(xué)的發(fā)展打下了牢固的基礎(chǔ)，后來顯微鏡開始廣泛應(yīng)用于除生物、醫(yī)學(xué)以外的材料、力 學(xué)、物理等學(xué)科中并發(fā)揮了巨大的作用；同樣高速攝影技術(shù)主要應(yīng)用于宏觀物理現(xiàn)象的研究， 不僅在軍事上而且在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的使用，，諸如紡織、焊接、材料、放電、體 育等等利用這些成果取得了技術(shù)、工藝的進(jìn)步，收到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。顯微鏡對(duì)于這些細(xì)
微觀方面的觀察與研究都是靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)或低速狀態(tài)的，而對(duì)于微尺度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，由于人 眼及普通圖像采集設(shè)備的時(shí)滯效應(yīng)，無法對(duì)對(duì)其進(jìn)行清晰地觀察。尤其是在微觀狀態(tài)下，大 多物理現(xiàn)象都表現(xiàn)為非常高的運(yùn)動(dòng)速度，例如尺寸約幾個(gè)微米的石墨島的振蕩，只是簡單采 用顯微放大設(shè)備難以研究它。把高速攝影有效結(jié)合起來很好地解決了這一問題，對(duì)于細(xì)微觀 狀態(tài)下材料的性質(zhì)及其力學(xué)性能，我們可以用顯微鏡放大同時(shí)用高速攝像機(jī)進(jìn)行圖像的采集， 這樣可以通過采集到得圖片對(duì)瞬態(tài)物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究，實(shí)現(xiàn)微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析， 對(duì)于本身可提供明暗灰度變化的材料我們可進(jìn)一步應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行定量的研究。 這一設(shè)備為觀察和分析微尺度條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了強(qiáng)大的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微小尺度下的 裂紋擴(kuò)展、微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)等微觀動(dòng)態(tài)物理現(xiàn)象及力學(xué)性能進(jìn)行觀察，并實(shí)現(xiàn)定性和定量的分 析。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，其特征在于該微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置包括圖像采集 處理系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、承載系統(tǒng)、放置試件的三維移動(dòng)平臺(tái)3以及氣墊精密光學(xué)平臺(tái)1,所 述的三維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)上；所述圖像采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)ll、高速 攝像機(jī)9)、氙燈10和環(huán)形光纖4，所述的高速攝像機(jī)9通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)11相連接；所 述顯微系統(tǒng)包括顯微鏡物鏡5、鏡筒7和顯微鏡目鏡8，所述的顯微鏡目鏡和鏡筒依次設(shè)置在 高速攝像機(jī)9的下方，所述顯微鏡物鏡5設(shè)置在鏡筒7下面；所述承載系統(tǒng)包括萬向支架底 板2、萬向支架豎桿12、單臂橫桿13、雙臂橫桿16、設(shè)置在單臂橫桿上的第一十字頭14a以 及設(shè)置在雙臂橫桿第二十字頭14b;所述的單臂橫桿通過第一萬向節(jié)6a與高速攝像機(jī)連接； 所述的雙臂橫桿通過第二力向節(jié)6b與鏡筒連接；所述的萬向支架底板設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平 臺(tái)上并與萬向支架豎桿固定連接。
本發(fā)明的另一技術(shù)特征是在所述的萬向支架豎桿12上還設(shè)有第一托環(huán)15a和第二托環(huán) 15b，所述的第一托環(huán)和第一托環(huán)分別設(shè)置在第一十字頭14a和第二十字頭14b的下方。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果將單臂萬向支架和雙臂萬向支架 進(jìn)行改造，兩臂融合到一個(gè)支架中，分別對(duì)高速攝像機(jī)和顯微鏡進(jìn)行承載，既能實(shí)現(xiàn)高速攝 像機(jī)和顯微鏡精確對(duì)接，又能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)和這兩種儀器的安全性與穩(wěn)定性；高速攝像機(jī)在 拍攝區(qū)域大小適當(dāng)時(shí)拍攝速度可達(dá)數(shù)萬幅/秒，顯微鏡放大倍數(shù)可達(dá)幾千倍，兩者結(jié)合后可對(duì) 材料微米量級(jí)下的動(dòng)態(tài)相關(guān)物理現(xiàn)象及力學(xué)性能進(jìn)行觀察與分析；對(duì)于通常本身具有明暗灰 度變化可以提供隨機(jī)匹配特征的材料可結(jié)合數(shù)字相關(guān)方法對(duì)其進(jìn)行定量的研究； 一般環(huán)境微 弱的振動(dòng)會(huì)因?yàn)轱@微鏡的放大導(dǎo)致觀察結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩，氣墊精密光學(xué)平臺(tái)的引進(jìn)有 效地解決了這個(gè)問題；整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，體系完備，操作方便。


圖1是本發(fā)明裝置示意圖。
圖中1—?dú)鈮|精密光學(xué)平臺(tái)、2—萬向支架底板、3—三維移動(dòng)平臺(tái)、4一環(huán)形光纖、5 —顯微鏡物鏡、6a—第一萬向節(jié)、6b—第二萬向節(jié)、7—鏡筒、8—顯微鏡目鏡、9一高速攝像 機(jī)、IO—氤燈、ll一計(jì)算機(jī)、12—萬向支架豎桿、13—單臂橫桿、14a—第一十字頭、14b— 第二十字頭、15a—第一托環(huán)、15b—第二托環(huán)、16—雙臂橫桿。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
圖1是本發(fā)明一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置 包括圖像采集處理系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、承載系統(tǒng)、放置試件的三維移動(dòng)平臺(tái)3以及氣墊精密光 學(xué)平臺(tái)1，三維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)上。所述圖像采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)ll、高速攝像機(jī)9、氙燈10和環(huán)形光纖4;顯微系統(tǒng)包括顯微鏡物鏡5、鏡筒7和顯微鏡目鏡8， 所述承載系統(tǒng)包括萬向支架底板2、萬向支架豎桿12、單臂橫桿13、雙臂橫桿16、設(shè)置在單 臂橫桿上的第一十字頭14a以及設(shè)置在雙臂橫桿第二十字頭14b;所述的單臂橫桿通過第一 萬向節(jié)6a與高速攝像機(jī)連接；所述的雙臂橫桿通過第二萬向節(jié)6b與鏡筒7連接；所述的萬 向支架底板設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)1上并與萬向支架豎桿固定連接。各部件的具體連接關(guān) 系如下-
萬向支架底板2放置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)上1上，三維移動(dòng)平臺(tái)3的底端固定在氣墊精 密光學(xué)平臺(tái)1上；所述的萬向支架豎桿12固定連接在萬向支架底板1上；所述的第二托環(huán) 15b和第二十字頭14b固定在萬向支架豎桿12上，第二十字頭14b在第二托環(huán)15b的上方， 雙臂橫桿16固定在第二十字頭14b上，第二萬向節(jié)6b固定在雙臂橫桿16上，鏡筒7固定在 第二萬向節(jié)6b上，顯微鏡目鏡8固定在鏡筒7的上方，顯微鏡物鏡5固定在鏡筒7的下方； 所述的第一托環(huán)15a和第一十字頭14a固定在萬向支架豎桿12上，第一十字頭14a在第一托 環(huán)15a的上方，單臂橫桿13固定在第一十字頭14a上，第一萬向節(jié)6a固定在單臂橫桿13上， 高速攝像機(jī)9固定在第一萬向節(jié)6a上；高速攝像機(jī)9鏡頭端口與顯微鏡目鏡8固定連接，高 速攝像機(jī)9由第一萬向節(jié)6a承載，顯微鏡目鏡8由鏡筒7承載；計(jì)算機(jī)11和高速攝像機(jī)9 連接；環(huán)形光纖4發(fā)光端固定在顯微鏡物鏡5的底部，另一端與氙燈10連接。所述的萬向支 架豎桿12頂部可連接同樣大小半徑的桿對(duì)其進(jìn)行加長。所述的三維移動(dòng)平臺(tái)3能使試件的位 置實(shí)現(xiàn)±下、前后、左右的精確移動(dòng)，其中由于鏡筒7和高速攝像機(jī)9己固定，三維移動(dòng)平 臺(tái)3上下移動(dòng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，前后、左右的面內(nèi)移動(dòng)使觀察更為方便。
該測量裝置還包括第一托環(huán)15a和第二托環(huán)，第一托環(huán)能控制第一十字頭14a向下的移 動(dòng)，對(duì)第一十字頭14a的上下移動(dòng)起到進(jìn)一步的保險(xiǎn)作用；第二托環(huán)15b能控制第二十字頭 14b向下的移動(dòng)，對(duì)第二十字頭14b的上下移動(dòng)起到進(jìn)一步的保險(xiǎn)作用。
本發(fā)明所述整個(gè)系統(tǒng)并不局限于垂直向下方向的測試與分析，任意方向和角度的實(shí)際樣 品都可通過對(duì)裝置的調(diào)整來進(jìn)行觀測與分析；上面所述的第一萬向節(jié)6a和第二萬向節(jié)6b能 實(shí)現(xiàn)任意角度的調(diào)整以達(dá)到安裝和測試的需要，另外第一萬向節(jié)6a和第二萬向節(jié)6b的橫向 部分可在垂直方向進(jìn)行上下移動(dòng)所述的第一十字頭14a可實(shí)現(xiàn)單臂橫桿13的上下、左右移 動(dòng)及繞萬向支架豎桿12軸線轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度；第二十字頭14b可實(shí)現(xiàn)雙臂橫桿16的上下、左 右移動(dòng)及繞萬向支架豎桿12軸線轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度。所述顯微鏡物鏡5和顯微鏡目鏡8可根據(jù)需 要調(diào)換不同倍數(shù)的鏡頭，對(duì)于一個(gè)固定好了的顯微鏡物鏡5可根據(jù)需要進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)， 此方式還可以用來輔助調(diào)焦。所述氮燈IO可根據(jù)具體需要實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)大小的調(diào)節(jié)。
利用本發(fā)明所提供的裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微小尺度下的裂紋擴(kuò)展、微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)等微觀尺 度下的動(dòng)態(tài)物理現(xiàn)象及力學(xué)性能進(jìn)行觀察，并實(shí)現(xiàn)定性和定量的分析，具體測量包括如下步 驟a. 按附圖所示將萬向支架底板2、三維移動(dòng)平臺(tái)3、第一萬向節(jié)6a、第二萬向節(jié)6b、鏡 筒7、萬向支架豎桿12、單臂橫桿13、第一十字頭14a、第二十字頭14b、第一托環(huán)15a、第 二托環(huán)15b、雙臂橫桿16在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)1上安裝固定好；
b. 選好適當(dāng)倍數(shù)的顯微鏡物鏡5和顯微鏡目鏡8并按圖示與鏡筒7連接好；
c. 安裝高速攝像機(jī)9并和顯微鏡目鏡8對(duì)接好。這是非常關(guān)鍵和重要的一步。先將高速 攝像機(jī)9固定在萬向節(jié)6b上，然后使第一十字頭14a保持松開狀態(tài)，調(diào)節(jié)單臂橫桿13實(shí)現(xiàn) 高速攝像機(jī)9與顯微鏡目鏡8的對(duì)接，在高速攝像機(jī)9和顯微鏡目鏡8無裝配應(yīng)力或裝配應(yīng) 力極小的狀態(tài)下將第一十字頭14a固定緊；
d. 將計(jì)算機(jī)11與高速攝像豐幾9連接好，并開啟高速攝像機(jī)9;
e. 將環(huán)形光纖4和氙燈10接好并打開氙燈10，根據(jù)高速攝像機(jī)9的控制程序中的圖像 顯示調(diào)節(jié)光強(qiáng)至適合大??；
f. 將試件放置在三維移動(dòng)平臺(tái)3上，然后調(diào)節(jié)三維移動(dòng)平臺(tái)3進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)焦；
g. 對(duì)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測與分析，在有些條件下可一邊對(duì)材料進(jìn)行操作與實(shí)驗(yàn)一邊進(jìn)行觀 測和圖像采集；
h.對(duì)采集到得圖片進(jìn)行比較和研究，同時(shí)對(duì)于材料本身可提供明暗灰度隨機(jī)匹配特征 的試件可用數(shù)字相關(guān)方法對(duì)其進(jìn)行定量分析。
權(quán)利要求
1.一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，其特征在于該微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置包括圖像采集處理系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、承載系統(tǒng)、放置試件的三維移動(dòng)平臺(tái)(3)以及氣墊精密光學(xué)平臺(tái)(1)，所述的三維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)上；所述圖像采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(11)、高速攝像機(jī)(9)、氙燈(10)和環(huán)形光纖(4)，所述的高速攝像機(jī)(9)通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)(11)相連接；所述顯微系統(tǒng)包括顯微鏡物鏡(5)、鏡筒(7)和顯微鏡目鏡(8)，所述的顯微鏡目鏡和鏡筒依次設(shè)置在高速攝像機(jī)(9)的下方，所述顯微鏡物鏡(5)設(shè)置在鏡筒(7)下面；所述承載系統(tǒng)包括萬向支架底板(2)、萬向支架豎桿(12)、單臂橫桿(13)、雙臂橫桿(16)、設(shè)置在單臂橫桿上的第一十字頭(14a)以及設(shè)置在雙臂橫桿第二十字頭(14b)；所述的單臂橫桿通過第一萬向節(jié)(6a)與高速攝像機(jī)連接；所述的雙臂橫桿通過第二萬向節(jié)(6b)與鏡筒(7)連接；所述的萬向支架底板設(shè)置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)(1)上并與萬向支架豎桿固定連接。
2. 按照權(quán)利要求l所述的一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，其特征在于在所述的萬向支架豎桿(12)上還設(shè)有第一托環(huán)(15a)和第二托環(huán)(15b)，所述的第一托環(huán)和第一托環(huán)分別 設(shè)置在第一十字頭(14a)和第二十字頭(14b)的下方。
全文摘要
一種微尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)測量裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括氣墊精密光學(xué)平臺(tái)、三維移動(dòng)平臺(tái)、萬向支架底板、環(huán)形光纖、顯微鏡物鏡、萬向節(jié)2個(gè)、鏡筒、顯微鏡目鏡、高速攝像機(jī)、氙燈、計(jì)算機(jī)、萬向支架豎桿、單臂橫桿、雙臂橫桿和十字頭。該系統(tǒng)通過對(duì)顯微鏡架臺(tái)的改進(jìn)與重組，用高速攝像機(jī)取代顯微鏡中常用圖像采集設(shè)備CCD，將顯微鏡和高速攝影技術(shù)巧妙地相結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微小尺度下的裂紋擴(kuò)展，微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)等微觀動(dòng)態(tài)物理現(xiàn)象及力學(xué)性能的觀察，并實(shí)現(xiàn)定性和定量的分析。本發(fā)明思路新穎、結(jié)構(gòu)緊湊、體系完備，可對(duì)材料的細(xì)微觀力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、非接觸的觀察與分析。
文檔編號(hào)G01N21/01GK101666740SQ200910093350
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者雪 馮, 翔 王 申請(qǐng)人:清華大學(xué)