一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置及方法，其包括音圈電機(jī)、控制器、計(jì)算機(jī)、平移臺(tái)和CCD攝像機(jī)，音圈電機(jī)安裝于臺(tái)架，其由控制器控制，其包括設(shè)于其內(nèi)部的柵尺、力傳感器和主軸，控制器與計(jì)算機(jī)相連，其根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)沿豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)，并將光柵尺和力傳感器獲取的主軸的位移和載荷數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，以獲得待測(cè)軟材料的載荷?位移關(guān)系；平移臺(tái)設(shè)于音圈電機(jī)的下方，其用于放置軟材料，在軟材料的一側(cè)設(shè)置有CCD攝像機(jī)，該CCD攝像機(jī)用于拍攝軟材料加壓前后的變形圖像，并將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)中；該方法利用所述測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于軟材料力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域，更具體地，涉及一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量 裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軟材料是介于固體和理想流體之間的一類特殊的物質(zhì)，一般是由大分子或分子團(tuán) 簇組成，它具有柔軟性和復(fù)雜性兩個(gè)顯著特點(diǎn)。軟材料主要包括橡膠、生物組織和液晶，它 與我們的日常生活聯(lián)系非常緊密，與一般的工程材料比起來(lái)，軟材料具有非常獨(dú)特的優(yōu)良 特性，如橡膠具有耐腐蝕、柔韌、耐磨、絕熱絕緣等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物材料、工業(yè)工程與 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用背景。因此，對(duì)軟材料的測(cè)試非常重要，獲知軟材料的性能之后， 便可對(duì)號(hào)入座使其投入生產(chǎn)發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 軟材料的力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，比如對(duì)外界的微小作用非常敏感，對(duì)軟物質(zhì)施加較 小載荷就可以產(chǎn)生較大變形，即弱影響引起強(qiáng)變化，且軟物質(zhì)的變形響應(yīng)具有非線性的特 點(diǎn)，包括幾何非線性與物理非線性，另外，軟物質(zhì)在接觸問(wèn)題中的接觸邊界也是非線性的， 所以軟材料力學(xué)性能的測(cè)試非常復(fù)雜。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于軟材料的力學(xué)性能測(cè)試有了 一些研究方案，例如 CN201210319723.9公開的掃描電鏡下多用途原位微尺度力學(xué)性能測(cè)試方法，其采用音圈電 機(jī)避免了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的振動(dòng)，可進(jìn)行原位拉伸、壓縮、彎曲及疲勞力學(xué)性能測(cè) 試。然而該方法獲得力的數(shù)據(jù)需外加一個(gè)力傳感器，且需通過(guò)掃描電鏡獲取疲勞裂紋情況， 同時(shí)針對(duì)不同長(zhǎng)度的試樣需設(shè)計(jì)滑塊與滑槽，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝 置及方法，其通過(guò)音圈電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)加載與數(shù)據(jù)的采集，并利用計(jì)算機(jī)發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)音圈電 機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)音圈電機(jī)的主軸接觸實(shí)驗(yàn)樣品，對(duì)樣品施加一定的載荷，獲取位移與載荷數(shù) 據(jù)，并結(jié)合數(shù)字圖像對(duì)軟材料作進(jìn)一步測(cè)量，得到材料更全面的力學(xué)性能參數(shù)，具有測(cè)量精 度高，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種軟材料的多種力學(xué)性能的測(cè)量。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種軟材料力學(xué)性能測(cè) 量裝置，其特征在于，該測(cè)量裝置包括音圈電機(jī)、控制器、計(jì)算機(jī)、平移臺(tái)和CCD攝像機(jī)，其 中：
[0007] 所述音圈電機(jī)安裝于臺(tái)架，其由控制器控制，其包括設(shè)于其內(nèi)部的柵尺、力傳感器 和主軸，所述控制器與計(jì)算機(jī)相連，其根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)沿豎直方向做 直線運(yùn)動(dòng)，并將光柵尺和力傳感器獲取的主軸的位移和載荷數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，以獲得待 測(cè)軟材料的載荷-位移關(guān)系：S = f(F)，其中，S為主軸相對(duì)于編程原點(diǎn)的位移，F(xiàn)為主軸反饋 的力；
[0008] 所述平移臺(tái)設(shè)于音圈電機(jī)的下方，其上用于放置待測(cè)軟材料，在待測(cè)軟材料的一 側(cè)設(shè)置有CCD攝像機(jī)，該CCD攝像機(jī)用于拍攝軟材料加壓前后的變形圖像，并將變形圖像傳 輸至計(jì)算機(jī)中，獲得軟材料的變形數(shù)據(jù)。
[0009]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述編程原點(diǎn)采用如下方式確定:使音圈電機(jī)的主軸以高速 度、低力量的方式接近待測(cè)軟材料的表面，同時(shí)持續(xù)監(jiān)控位置誤差，直到位置誤差到達(dá)設(shè)定 值，使主軸的位置保持不變，以該點(diǎn)為編程原點(diǎn)。
[0010]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述高速度的速度具體為8000M/S，低力量具體為低于10公 克的輕柔接觸力。
[00?1 ]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述設(shè)定值為50μηι。
[0012] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述控制器與電源轉(zhuǎn)換模塊相連，該電源轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī) 直接由220V交流供電。
[0013] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述臺(tái)架包括底座和垂直安裝在底座上的豎直板;所述控制 器與電源轉(zhuǎn)換模塊安裝于豎直板的一側(cè);所述音圈電機(jī)和平移臺(tái)安裝于豎直板的另一側(cè)。
[0014] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述底座和豎直板之間設(shè)置有加強(qiáng)筋。
[0015]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量方法，其利用所述的裝 置進(jìn)行測(cè)量，其包括：
[0016] 計(jì)算機(jī)發(fā)送程序指令給控制器，音圈電機(jī)的主軸在控制器的驅(qū)動(dòng)下沿著豎直方向 做直線運(yùn)動(dòng)，音圈電機(jī)以軟著陸的方式實(shí)現(xiàn)與待測(cè)軟材料的弱力接觸；當(dāng)主軸與待測(cè)軟材 料的表面剛好接觸時(shí)，設(shè)置為編程原點(diǎn)，之后主軸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，軟材料在主軸的載荷作用下產(chǎn) 生形變;音圈電機(jī)內(nèi)部的光柵尺和力傳感器獲取的主軸位移和載荷數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，待 測(cè)軟材料一側(cè)的CCD攝像機(jī)攝軟材料加壓前后的變形圖像，并將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)中 以獲得變形數(shù)據(jù);通過(guò)位移和載荷數(shù)據(jù)并結(jié)合變形圖像的變形數(shù)據(jù)，定量計(jì)算出軟材料的 力學(xué)性能參數(shù)。
[0017] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述軟材料的力學(xué)性能參數(shù)包括彈性模量、滯后環(huán)性能參數(shù) 和疲勞性能參數(shù)。
[0018] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述彈性模量計(jì)算公式如下：
[0020] 其中，Ρ為施加載荷，Lo為軟材料的總長(zhǎng)，AL為軟材料的變形量，Δ Α為軟材料測(cè)量 過(guò)程中的橫截面積。
[0021] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 1.本發(fā)明的音圈電機(jī)的主軸在控制器的驅(qū)動(dòng)下沿著豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)，利用軟 著陸功能實(shí)現(xiàn)與軟物質(zhì)樣品的弱力接觸，同時(shí)可持續(xù)的監(jiān)控位置的誤差，可方便的設(shè)置編 程零點(diǎn)。
[0023] 2.本發(fā)明的執(zhí)行器可進(jìn)行精準(zhǔn)的位置、力量、速度以及加速度的控制，其由控制器 直接驅(qū)動(dòng)，有著非常高的精準(zhǔn)性及重復(fù)性，可實(shí)現(xiàn)在力、速度和位置三種模式之間自由轉(zhuǎn) 換。
[0024] 3.本發(fā)明通過(guò)CCD攝像機(jī)測(cè)量了小應(yīng)變下軟材料的變形數(shù)據(jù)，并與音圈電機(jī)反饋 的載荷-位移數(shù)據(jù)相結(jié)合，可快速準(zhǔn)確的獲得材料更全面的力學(xué)性能參數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)軟材料彈 性模量、力學(xué)性能滯后環(huán)、疲勞性能等多種力學(xué)性能的測(cè)量。
[0025] 4.本發(fā)明測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，適用于 多種軟材料的多種力學(xué)性能的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置的整體布局圖；
[0027] 圖2(a)和(b)是本發(fā)明實(shí)施例的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其主要包括音圈 電機(jī)1、控制器2、計(jì)算機(jī)6、平移臺(tái)4和CCD攝像機(jī)8,本發(fā)明主要利用音圈電機(jī)作為執(zhí)行器，直 接采用音圈電機(jī)內(nèi)置的力傳感器反饋力數(shù)據(jù)，內(nèi)置的柵尺反饋位移數(shù)據(jù)，由此在執(zhí)行器運(yùn) 動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)反饋軟材料拉壓變形過(guò)程中的位移-載荷數(shù)據(jù)，通過(guò)音圈電機(jī)的軟著陸功能 設(shè)置編程原點(diǎn)以適應(yīng)不同高度的軟材料。具體的，測(cè)量裝置整體尺寸為243mmX260mmX 360mm〇
[0030] 下面分別對(duì)測(cè)量裝置中的各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0031] 音圈電機(jī)1，其作為本測(cè)量裝置的執(zhí)行器，安裝于臺(tái)架5上，其包括設(shè)于其內(nèi)部的光 柵尺、力傳感器和主軸，該光柵尺用于反饋音圈電機(jī)主軸的位置，即提供位置信息，該力傳 感器用于反饋加載過(guò)程中加載軸（即主軸)力的數(shù)據(jù)，即提供力數(shù)據(jù)，該主軸用于對(duì)軟材料 進(jìn)行加載。
[0032] 音圈電機(jī)1由控制器2控制，該控制器2用于控制音圈電機(jī)的主軸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，并 通過(guò)改變主軸位移的大小以改變施加在軟材料上面的載荷。具體的，執(zhí)行器音圈電機(jī)1可在 力、速度和位置三種模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即向控制器2發(fā)送力模式指令，執(zhí)行器主軸將以一 定大小的力向前運(yùn)動(dòng)；向控制器2發(fā)送速度模式指令，執(zhí)行器主軸將以一定大小的速度向前 運(yùn)動(dòng)；向控制器2發(fā)送位置模式指令，執(zhí)行器主軸將運(yùn)動(dòng)到相對(duì)位置或絕對(duì)位置。
[0033] 控制器2-端連接執(zhí)行器(音圈電機(jī)），另一端與計(jì)算機(jī)(PC)相連，PC端將程序化的 控制指令發(fā)送到控制器2上，以控制音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在對(duì)軟材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，根據(jù)音圈電 機(jī)1內(nèi)部的柵尺和力傳感器分別獲得主軸的位移和載荷數(shù)據(jù)，該位移和載荷數(shù)據(jù)直接通過(guò) 控制器采集，并通過(guò)控制器將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析與處理，以獲得待測(cè)軟材料的載荷-位移關(guān)系f:
[0034] S = f(F)；
[0035] 其中，S為主軸相對(duì)于編程原點(diǎn)的位移，F(xiàn)為主軸反饋的力。
[0036] 進(jìn)一步的，編程原點(diǎn)（即編程零點(diǎn))采用如下方式確定:使音圈電機(jī)1的主軸以高速 度、低力量的方式接近待測(cè)軟材料7的表面，同時(shí)持續(xù)監(jiān)控位置誤差，即主軸的隨動(dòng)誤差，隨 動(dòng)誤差為主軸運(yùn)動(dòng)的要求位置與實(shí)際位置之差，直到隨動(dòng)誤差到達(dá)到所設(shè)定的位置誤差， 例如50μπι，然后使主軸的位置保持不變，設(shè)定該點(diǎn)為編程原點(diǎn)，執(zhí)行軟著陸之后的功能。其 中，高速度、低力量具體指速度為8000mi/s，力量為低于10公克的輕柔接觸力。
[0037] 更為具體的，控制器2與電源轉(zhuǎn)換模塊3相連，該電源轉(zhuǎn)換模塊3和計(jì)算機(jī)6由同一 電源9供電，具體為直接由220V交流供電，控制器2與電源轉(zhuǎn)換模塊3安裝于臺(tái)架5的同一側(cè)。 控制器2與電源轉(zhuǎn)換模塊3的安裝僅需起到固定作用，無(wú)需加工精度和配合要求，只需合理 分布其安裝位置保證結(jié)構(gòu)的緊湊性和外觀的完整性即可。
[0038] 臺(tái)架5用于實(shí)現(xiàn)其他部件的安裝固定，且用于保證測(cè)量的穩(wěn)定性，其包括底座51和 垂直安裝在底座51上的豎直板52,控制器2與電源轉(zhuǎn)換模塊3設(shè)于豎直板52的一側(cè)，音圈電 機(jī)1和平移臺(tái)4設(shè)于豎直板52的另一側(cè)。為了便于測(cè)量裝置的放置、拿取和測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性， 需保證底座51跟實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有較大的接觸面積，并且接觸面積需精加工，底座51的底面選擇 開一個(gè)寬143mm的凹槽可減少精加工面積。
[0039] 由于音圈電機(jī)沿著主軸方向運(yùn)動(dòng)，因此將它安裝在臺(tái)架的豎直板上，主軸沿著豎 直方向布置，通過(guò)例如圓柱頭螺釘安裝在豎直板上，由于音圈電機(jī)1安裝在豎直板上，且音 圈電機(jī)1是軟材料力學(xué)性能測(cè)試裝置的主要部件，它的安裝精度直接影響整個(gè)裝置的實(shí)驗(yàn) 精度，因此，在豎直板的安裝面上精加工。
[0040] 為了便于固定安裝，臺(tái)架的底座上設(shè)有四個(gè)沉頭孔，通過(guò)安裝地腳螺栓固定本發(fā) 明的測(cè)試裝置，螺栓頭底面與沉頭孔表面需進(jìn)行裝配，故沉頭孔表面為配合表面，需要精加 工。為了提高豎直板的穩(wěn)定性，在底座和豎直板之間通過(guò)焊接工藝連接有加強(qiáng)筋53。
[0041] 平移臺(tái)4用于放置和水平移動(dòng)測(cè)試軟材料，其安裝在音圈電機(jī)1的下面，通過(guò)安裝 地腳螺栓固定于測(cè)試裝置臺(tái)架5的底座上，其安裝精度直接影響整個(gè)裝置的實(shí)驗(yàn)精度，為保 證測(cè)試的準(zhǔn)確性，安裝面要保證一定的加工精度。
[0042] 待測(cè)軟材料的一側(cè)設(shè)置有CCD攝像機(jī)8,該CCD攝像機(jī)8用于拍攝軟材料加壓前后的 變形圖像，并將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)6中。具體的，利用攝像機(jī)拍攝變形前后被測(cè)物體表 面的數(shù)字圖像，即用CCD作為光電傳感器監(jiān)測(cè)材料拉壓變形過(guò)程中的變形量，該方法不但比 常規(guī)的引伸計(jì)測(cè)量的方法更客觀，還能實(shí)時(shí)測(cè)量軟材料變形全過(guò)程，最后將變形前后數(shù)字 圖像進(jìn)行匹配獲得被測(cè)物件的變形數(shù)據(jù)，比如材料的寬度伸縮量等。
[0043] 其中，利用變形前后數(shù)字圖像進(jìn)行匹配獲得被測(cè)物件的變形數(shù)據(jù)的基本原理是在 CCD拍攝的參考圖像中取以某待求點(diǎn)為中心的一定像素大小的矩形為參考圖像子區(qū)，在變 形后圖像中通過(guò)一定的搜索方法進(jìn)行搜索，并按照選定的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，獲得相 關(guān)系數(shù)取極值的以某點(diǎn)為中心的目標(biāo)圖像子區(qū)，從而確定參考圖像子區(qū)的位移。例如可選 定被測(cè)材料輪廓最清晰的邊界某點(diǎn)為待求點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心取一定像素大小的矩形為參考 圖像子區(qū)，分級(jí)加載后，匹配變形圖像，當(dāng)變形前后圖像子區(qū)最為相似時(shí)相關(guān)系數(shù)取最小 值，該區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)圖像子區(qū)，從而可得到被測(cè)試件表面輪廓各點(diǎn)變形量。
[0044] 本發(fā)明的測(cè)量裝置的控制主要分為兩個(gè)部分，分別是運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集分析控 制。運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)控制器與計(jì)算機(jī)的通訊完成，在計(jì)算機(jī)和控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，可 以采用多種編程語(yǔ)言，這些命令通過(guò)串口通訊，直接驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)或者保存在存儲(chǔ)器 中。數(shù)據(jù)采集分析控制主要是采集軟材料力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中所得到的載荷-位移數(shù)據(jù)，對(duì) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出軟材料的力學(xué)性能參數(shù)。
[0045] 本發(fā)明的整個(gè)測(cè)量裝置由計(jì)算機(jī)6中的上位機(jī)軟件進(jìn)行控制，包括音圈電機(jī)1主軸 的運(yùn)動(dòng)，生成的受力變形曲線的圖案與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與后處理等。平移臺(tái)4可手動(dòng)控制， 也可設(shè)計(jì)為電機(jī)控制。
[0046] 本發(fā)明還提供了一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量方法，其具體為：
[0047] 計(jì)算機(jī)6發(fā)送程序指令給控制器2,音圈電機(jī)1的主軸在控制器2的驅(qū)動(dòng)下沿著豎直 方向做直線運(yùn)動(dòng)，音圈電機(jī)以軟著陸的方式實(shí)現(xiàn)與待測(cè)軟材料7的弱力接觸；當(dāng)主軸與待測(cè) 軟材料7的表面剛好接觸時(shí)，設(shè)置為編程原點(diǎn)之后主軸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，軟材料在主軸的載荷作用 下產(chǎn)生形變;音圈電機(jī)1內(nèi)部的柵尺和力傳感器分別采集主軸的位移和載荷數(shù)據(jù)，并將位移 和載荷數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)6,待測(cè)軟材料7-側(cè)的CCD攝像機(jī)8拍攝軟材料加壓前后的變形圖 像，并將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)6中，以獲得軟材料的變形數(shù)據(jù);通過(guò)位移和載荷數(shù)據(jù)并結(jié) 合變形圖像的變形數(shù)據(jù)，定量計(jì)算出軟材料的力學(xué)性能參數(shù)。
[0048] 下面以軟材料彈性模量、力學(xué)性能滯后環(huán)和疲勞試驗(yàn)為例，進(jìn)一步描述本發(fā)明的 測(cè)試過(guò)程。
[0049] 1)彈性模量試驗(yàn) [0050]彈性模量計(jì)算公式如下：
[0052]其中，P為施加載荷，△ L為軟材料的變形量，△ A為軟材料測(cè)量過(guò)程中的橫截面積， Lo為軟材料的總長(zhǎng)。
[0053]測(cè)試過(guò)程中，軟材料的橫截面積在不斷地發(fā)生改變，通過(guò)數(shù)字相關(guān)方法（即CCD攝 像機(jī)8)測(cè)量變形后材料的輪廓以求得橫截面積ΔΑ。通過(guò)音圈電機(jī)內(nèi)置光柵尺測(cè)得軟材料 的變形量A L，通過(guò)音圈電機(jī)內(nèi)置的力傳感器可得材料的施加載荷P，將其反饋到計(jì)算機(jī)中 即可得出在不同變形下軟材料的彈性模量性能。
[0054] 2)力學(xué)性能滯后環(huán)試驗(yàn)
[0055] 本發(fā)明的測(cè)量裝置可進(jìn)行材料力學(xué)性能滯后環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線即可 得到軟材料的力學(xué)性能滯后環(huán)。材料在循環(huán)載荷下，其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)與單調(diào)加載有很大的 不同，總應(yīng)變幅包括彈應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅：
[0056] Δ ε = Δ εβ+ Δ ερ ；
[0057] 其中，△ ε為總應(yīng)變幅，△ ^為彈應(yīng)變幅，△ εΡ為塑性應(yīng)變幅。完整的載荷循環(huán)所對(duì) 應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圍成一個(gè)封閉的回線，稱滯后回線或滯后環(huán)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)軟材 料加載與卸載過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變值來(lái)獲得軟材料的滯后性能。
[0058] 3)疲勞試驗(yàn)
[0059]本發(fā)明的測(cè)量裝置可進(jìn)行軟材料的疲勞試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)向控制器2發(fā)送控制指 令，使執(zhí)行器音圈電機(jī)向軟材料施加交變載荷，獲取測(cè)試材料在交變載荷下的強(qiáng)度，即為疲 勞強(qiáng)度。
[0061 ]其中，R為應(yīng)力比，〇min為最小載荷，omax為最大載荷，通過(guò)計(jì)算機(jī)中的軟件記錄R=-1時(shí)材料發(fā)生損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)和施加載荷大小，繪制出表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲 勞壽命之間關(guān)系的S-N曲線，即可得到軟材料的疲勞性能。
[0062]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，該測(cè)量裝置包括音圈電機(jī)（1)、控制器 (2)、計(jì)算機(jī)(6)、平移臺(tái)（4)和CCD攝像機(jī)(8)，其中： 所述音圈電機(jī)（1)安裝于臺(tái)架(5)，其由控制器(2)控制，其包括設(shè)于其內(nèi)部的柵尺、力 傳感器和主軸;所述控制器(2)與計(jì)算機(jī)(6)相連，其根據(jù)計(jì)算機(jī)(6)發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)音圈電 機(jī)（1)沿豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)，并將光柵尺和力傳感器獲取的主軸的位移和載荷數(shù)據(jù)發(fā)送 至計(jì)算機(jī)(6)，以獲得待測(cè)軟材料(7)的載荷-位移關(guān)系:S = f(F)，其中，S為主軸相對(duì)于編程 原點(diǎn)的位移，F(xiàn)為主軸反饋的力； 所述平移臺(tái)（4)設(shè)于音圈電機(jī)（1)的下方，其上用于放置待測(cè)軟材料(7)，在待測(cè)軟材料 (7)的一側(cè)設(shè)置有CCD攝像機(jī)(8)，該CCD攝像機(jī)(8)用于拍攝軟材料加壓前后的變形圖像，并 將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(6)中，獲得軟材料的變形數(shù)據(jù)。2. 如權(quán)利要求1所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述編程原點(diǎn)采用如下 方式確定:使音圈電機(jī)（1)的主軸以高速度、低力量的方式接近待測(cè)軟材料(7)的表面，同時(shí) 持續(xù)監(jiān)控位置誤差，直到位置誤差到達(dá)設(shè)定值，使主軸的位置保持不變，以該點(diǎn)為編程原 點(diǎn)。3. 如權(quán)利要求2所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述高速度的速度具體 為8000ym/s，低力量具體為低于10公克的輕柔接觸力。4. 如權(quán)利要求2所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述設(shè)定值為50μπι。5. 如權(quán)利要求4所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述控制器(2)與電源 轉(zhuǎn)換模塊(3)相連，該電源轉(zhuǎn)換模塊(3)和計(jì)算機(jī)(6)直接由220V交流供電。6. 如權(quán)利要求5所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述臺(tái)架(5)包括底座 (51) 和垂直安裝在底座(51)上的豎直板(52);所述控制器(2)與電源轉(zhuǎn)換模塊(3)安裝于豎 直板(52)的一側(cè);所述音圈電機(jī)(1)和平移臺(tái)（4)安裝于豎直板(52)的另一側(cè)。7. 如權(quán)利要求6所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量裝置，其特征在于，所述底座(51)和豎直板 (52) 之間設(shè)置有加強(qiáng)筋(53)。8. -種軟材料力學(xué)性能測(cè)量方法，其特征在于，其利用如權(quán)利要求1-7所述的裝置進(jìn)行 測(cè)量，其包括： 計(jì)算機(jī)(6)發(fā)送程序指令給控制器(2)，音圈電機(jī)(1)的主軸在控制器(2)的驅(qū)動(dòng)下沿著 豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)，音圈電機(jī)以軟著陸的方式實(shí)現(xiàn)與待測(cè)軟材料(7)的弱力接觸；當(dāng)主軸 與待測(cè)軟材料(7)的表面剛好接觸時(shí)，設(shè)置為編程原點(diǎn)，之后主軸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，軟材料在主軸 的載荷作用下產(chǎn)生形變;音圈電機(jī)（1)內(nèi)部的光柵尺和力傳感器獲取的主軸位移和載荷數(shù) 據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)(6)，待測(cè)軟材料(7)-側(cè)的CCD攝像機(jī)(8)拍攝軟材料加壓前后的變形圖 像，并將變形圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(6)中以獲得變形數(shù)據(jù);通過(guò)位移和載荷數(shù)據(jù)并結(jié)合變形圖 像的變形數(shù)據(jù)，定量計(jì)算出軟材料的力學(xué)性能參數(shù)。9. 如權(quán)利要求8所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量方法，其特征在于，所述軟材料的力學(xué)性能 參數(shù)包括彈性模量、滯后環(huán)性能參數(shù)和疲勞性能參數(shù)。10. 如權(quán)利要求9所述的軟材料力學(xué)性能測(cè)量方法，其特征在于，所述彈性模量計(jì)算公 式如下：其中，P為施加載荷，Lo為軟材料的總長(zhǎng)，AL為軟材料的變形量，ΔΑ為軟材料測(cè)量過(guò)程 中的橫截面積。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK105865915SQ201610225141
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】朱福龍, 陶加全, 潘永軍, 藺欣欣, 何黎平, 段科
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)