專利名稱：一種微扭矩力學試驗機及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微尺度材料或結(jié)構(gòu)力學性能測試的儀器及其測試方法，特別 涉及一種用扭轉(zhuǎn)方式對微尺度試樣的力學性能進行測試的儀器及其測試方法。
背景技術(shù)：
目前對材料進行扭轉(zhuǎn)力學性能測試，一般采用扭轉(zhuǎn)材料試驗機進行。根據(jù)匹配的 扭矩傳感器不同，這類試驗機扭矩量程從10°Nm至IO3Nm不等，可滿足工程界對宏觀尺度試 樣扭轉(zhuǎn)測試的需求。但是由于傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)材料試驗機采用應變式扭矩傳感器測量扭矩，即通 過應變片測量彈性元件的變形來計量扭矩，從原理上講，分辨力難些繼續(xù)提高。目前國際上 最小的商業(yè)化扭轉(zhuǎn)試驗機也只能滿足IO-1Nm以上的扭轉(zhuǎn)測試需要。隨著材料微/納米化技術(shù)的發(fā)展以及微電子機械系統(tǒng)MEMS的推廣應用，對直徑 10° μ m IO2 μ m的單根細絲、微電子機械系統(tǒng)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡等的扭轉(zhuǎn)測試需求變得尤為 迫切。一方面，基礎(chǔ)研究人員在微/納尺度取得的研究成果，例如，應變梯度理論等，迫切需 要實驗手段的支持和推動；另一方面，工程技術(shù)人員不再滿足采用經(jīng)典宏觀力學知識預測 微構(gòu)件的強度，希望通過更為貼切的實驗來指導工程設(shè)計。然而，上述測試涉及的扭矩一般小于10_3Nm。傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)試驗機扭矩分辨力難以滿 足。必須采用新的原理來實現(xiàn)微尺度試樣的扭轉(zhuǎn)測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種針對微尺度試樣進行扭轉(zhuǎn)測試的儀器及其測試方法， 以獲得微尺度試樣在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的力學性能。該儀器的設(shè)計原理為載流線圈在均勻磁場中受力，力的大小與電流成正比，即 F- I0式中F為安培力，I為通過線圈的電流。試驗機產(chǎn)生的扭矩T = 2FL I (1)式中L為導線至轉(zhuǎn)軸中心的垂直距離。由此可以看出，扭矩和電流之間成線性關(guān)系。所以只要計量出驅(qū)動電流大小，就可 以準確計量扭矩大小。這種方式拋棄了應變式扭矩傳感器需要敏感元件先將變形信號轉(zhuǎn)換 為電信號的中間過程。從原理上講，這種測量扭矩的方式可以獲得很好的分辨力。為達到上述目的，本發(fā)明提供的微扭矩力學試驗機包括控制裝置和試驗機主機， 所述控制裝置用于設(shè)置試驗方法，向試驗機主機發(fā)出命令和分析處理從試驗機主機得到的 實驗數(shù)據(jù)；所述試驗機主機用于對試樣進行加載。進一步，所述試驗機主機包括主機框架，設(shè)置在主機框架下方的電磁驅(qū)動裝置、 設(shè)置在主機框架上部的夾持裝置和主機框架內(nèi)部的傳感裝置；所述夾持裝置包括用于夾持 試樣的定夾具和動夾具，所述定夾具設(shè)置在主機框架上，動夾具設(shè)置在所述電磁驅(qū)動裝置 上，并可隨電磁驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)，傳感裝置用于測試電磁驅(qū)動裝置所旋轉(zhuǎn)的角度。進一步，所述主機框架包括機架底板，機架蓋板，立柱和機架側(cè)板，機架側(cè)板設(shè)置機架底板上，機架蓋板蓋在機架側(cè)板上；所述電磁驅(qū)動裝置包括電磁驅(qū)動機構(gòu)和加載軸所述傳感裝置為非接觸式角度傳感器，包括角度傳感器活動極板和角度傳感器 定極板；其中，所述電磁驅(qū)動裝置在所述機架底板、機架側(cè)板和機架蓋板圍成的空間中；所 述立柱設(shè)置在機架蓋板上；所述電磁驅(qū)動裝置中的加載軸可隨電磁驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，并且其 上端通過機架蓋板中間的通孔伸出，在所述機架蓋板的下方設(shè)置有所述角度傳感器定極 板，角度傳感器定極板與機架蓋板相連接，角度傳感器活動極板與加載軸相連接；所述夾持 裝置中的動夾具設(shè)置在所述加載軸由機架蓋板伸出段的端部。進一步，所述夾持裝置還包括電動平移臺，懸臂梁；所述電動平移臺安裝在所述 主機框架立柱上；所述電動平移臺上安裝有所述懸臂梁，懸臂梁的下側(cè)安裝所述定夾具，并 和所述動夾具對中安裝。進一步，所述電磁驅(qū)動機構(gòu)包括內(nèi)磁體、外磁體和線圈；所述線圈套放在所述內(nèi)磁 體外圍，所述外磁體套裝在線圈的外側(cè)，三者共軸；所述加載軸設(shè)置在線圈上；所述線圈和 內(nèi)磁體之間，線圈和外磁體之間均具有間隙；所述線圈可圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。進一步，所述角度傳感器為電感式角度傳感器、電容式角度傳感器或光學類非接 觸式角度傳感器。進一步，所述控制裝置中包括計算機，控制器；計算機用于設(shè)置測試方法和分析處 理實驗數(shù)據(jù)；控制器用于所述計算機和試驗機主機之間的數(shù)據(jù)通信，包括功率放大模塊、信 號采集模塊、信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊；其中功率放大模塊用于將信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號進行放大，然后傳輸給試驗機主機 中的線圈；信號發(fā)生模塊與計算機相連，用于產(chǎn)生電壓驅(qū)動信號；信號采集模塊與所述傳感裝置相連，用于采集試驗機主機內(nèi)的角度信號和線圈驅(qū) 動信號；信號調(diào)理模塊用于將采集到的信號進行濾波和線性變換，以適合信號采集模塊采集。使用微扭矩力學試驗機進行測試的方法其特征為，包括下列步驟1)用計算機控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一電壓信號，該信號經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動 試驗機主機工作；2)用控制器內(nèi)的信號采集模塊采集旋轉(zhuǎn)角度電壓信號和線圈的驅(qū)動電流信號；3)將采集的旋轉(zhuǎn)角度信號和線圈的驅(qū)動信號分別換算為角度和扭矩值；4)對步驟幻中得到的一系列角度值和扭矩值，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，得出 被測試樣的切應力-切應變曲線、剪切模量和剪切強度極限等參數(shù)。進一步，所述步驟4)中，包括下述子步驟41)由步驟3)中得出的角度和扭矩值，得到切應力-切應變曲線；42)根據(jù)切應力-切應變曲線，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，得出被測試樣的剪切 模量。由于采用電磁加載方式進行驅(qū)動兼扭矩計量，使得試驗機的扭矩分辨力得以大幅度提高，可以滿足IO-3Nm以下的微小扭矩測試需要。這是目前常規(guī)材料試驗機無法實現(xiàn)的。 該試驗機可以通過扭轉(zhuǎn)方式直接對微尺度試樣進行測試，真實模擬試樣在切應力狀態(tài)下的 力學工況，不僅能為微納米工程技術(shù)領(lǐng)域提供有效的檢測手段，對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也具有重
要意義。


圖1為本發(fā)明提供的電磁式微扭矩力學試驗機測試系統(tǒng)示意圖；圖2為微扭矩力學試驗機主機結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為微扭矩力學試驗機主機電磁驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為用本發(fā)明提供的微扭矩力學試驗機的扭矩和電流的標定曲線；圖5為微扭矩力學試驗機測試方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明圖1所示的是本發(fā)明提供的微扭矩力學試驗機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括控制裝置 和試驗機主機C，控制裝置中包括計算機A，控制器B。計算機A上安裝試驗軟件，用于設(shè)置 測試方法和分析處理實驗數(shù)據(jù)；控制器B用于計算機和試驗機主機之間的數(shù)據(jù)通信，包括 功率放大模塊、信號采集模塊、信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊。功率放大模塊用于將信號發(fā) 生模塊產(chǎn)生的信號進行放大，然后傳輸給試驗機主機中的線圈；信號發(fā)生模塊與計算機相 連，用于產(chǎn)生電壓驅(qū)動信號；信號采集模塊與所述傳感裝置相連，用于采集試驗機主機內(nèi)的 角度信號和線圈驅(qū)動信號；信號調(diào)理模塊用于將采集到的信號進行濾波和線性變換，以適 合信號采集模塊采集；試驗機主機C用于對試樣進行加載測試，試驗機主機C與控制器B電 連接，受控制器的信號發(fā)生模塊的控制并將測量信號傳輸給控制器的信號采集模塊。微扭矩力學試驗機主機C的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括主機框架，設(shè)置在主機框架下 方的電磁驅(qū)動裝置、設(shè)置在主機框架上方的夾持裝置和設(shè)置在主機框架內(nèi)部的傳感裝置。 其中主機框架包括機架底板1，機架蓋板4，立柱6和機架側(cè)板15。夾持裝置包括電動平移 臺7，懸臂梁8，定夾具9和動夾具11，電磁驅(qū)動裝置包括線圈13和外磁體14、加載軸5，內(nèi) 磁體2。傳感裝置為非接觸式角度傳感器，包括角度傳感器活動極板12和角度傳感器定 極板3。其中，機架側(cè)板15設(shè)置機架底板1上，機架蓋板4蓋在機架側(cè)板15上，立柱6設(shè)置 機架蓋板4上。電磁驅(qū)動裝置設(shè)置在由機架底板1、機架側(cè)板15和機架蓋板4圍成的空間 中，并且位于機架底板1的中間位置，電磁驅(qū)動裝置中的加載軸5通過機架蓋板4的中間通 孔伸出。角度傳感器定極板3安裝在機架蓋板4下面，角度傳感器活動極板12固定安裝在 加載軸5中部，角度傳感器活動極板和定極板之間平行，存在間隙，夾持裝置中的動夾具11 設(shè)置在加載軸5從機架蓋板4伸出段的端部，電動平移臺7安裝在立柱6上部，該電動平移 臺7上安裝有懸臂梁8。懸臂梁8的下側(cè)安裝一定夾具9，和動夾具11對中安裝。電動平 移臺7可以上下調(diào)節(jié)高度，以便于測試不同長度的試樣10。電磁驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)如圖3中所示，線圈13套放在內(nèi)磁體2外圍，外磁體14套裝 在線圈13的外圍，三者共軸。在內(nèi)磁體2、外磁體14的磁隙內(nèi)形成一個近似均勻的磁場。 線圈13和內(nèi)磁體2之間，線圈2和外磁體14之間均具有一定間隙。線圈13可圍繞內(nèi)磁體2、外磁體14的中心軸旋轉(zhuǎn)。加載軸5設(shè)置在線圈13上，可隨線圈13旋轉(zhuǎn)。角度傳感器活動極板12的旋轉(zhuǎn)會引起電感量的變化，根據(jù)電感的變化可測量出 活動極板12的旋轉(zhuǎn)角。控制器B中的功率放大模塊與試驗機主機中的線圈13電連接，并 將信號發(fā)生模塊發(fā)生的驅(qū)動電信號放大后傳輸給線圈?？刂破髦蠦的信號采集模塊與試驗 機主機中的角度傳感器定極板3電連接，并通過信號采集模塊對角度傳感器定極板3中所 測量的角度電信號進行采集。本實施例中采用角度傳感器為電感式角度傳感器，其測量原理為兩電極板相對轉(zhuǎn) 動時角度隨電感量線性變化，電感量的變化可以通過電壓信號的變化測量。其他非接觸式 高分辨力位移傳感器例如，電容式或光學類非接觸式角度傳感器也可以在試驗機主機中 使用，這是本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的。另外，本發(fā)明中的控制裝置也可以由其他具有 同樣功能的裝置代替。利用本發(fā)明提供的微扭矩力學試驗機的測試方法如下在試驗時，如圖1、2所示，首先需將試樣10安裝在定夾具9和加載軸5上的動夾 具11之間，然后進行如下步驟如圖5中所示步驟101 通過軟件控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一電壓驅(qū)動信號。步驟102 步驟101中產(chǎn)生的電壓驅(qū)動信號通過控制器進行信號調(diào)理。步驟103 用調(diào)理后的信號驅(qū)動試驗機主機工作。其驅(qū)動原理為載流線圈在均勻 磁場中受電磁力，電磁力的大小與電流成正比，即=Focltj式中F為電磁力，I為通過線圈 的電流。試驗機主機產(chǎn)生的扭矩可通過下面的式1計算得到T = 2FL(1)式中L為導線至轉(zhuǎn)軸中心距，F(xiàn)為電磁力，I為通過線圈的電流。線圈13處于內(nèi)磁體2和外磁體14產(chǎn)生的均勻磁場中。當電流通過線圈13時，線 圈13受到一對水平的力，形成旋轉(zhuǎn)的力矩，線圈13帶動加載軸5轉(zhuǎn)動，驅(qū)動動夾具11旋轉(zhuǎn)， 從而將被測試樣10扭轉(zhuǎn)。步驟104 用信號采集模塊采集角度信號和線圈的驅(qū)動信號。其中角度信號是角 度傳感器定極板3的電壓信號，線圈的驅(qū)動信號由信號采集模塊在線圈驅(qū)動電路上采集。步驟105 步驟104中采集到的角度信號和線圈的驅(qū)動信號被傳輸至計算機，并通 過換算得到角度值和扭矩值。該換算方法將在下文中詳述。步驟106 判斷是否滿足試驗條件。該試驗條件為扭矩是否達到試驗方法中的設(shè) 定值，或角度是否達到試驗方法中的設(shè)定值，或試驗持續(xù)時間是否達到試驗方法中的設(shè)定 值。若判斷為是，進入步驟107 ；若判斷為否，回到步驟101繼續(xù)試驗。步驟107 根據(jù)步驟105中得到的一系列角度值和扭矩值，按照力學模型進行數(shù)據(jù) 處理。其原理及過程將在下文中詳述。步驟108 得出并輸出結(jié)果。步驟105、107中的數(shù)據(jù)處理的原理及過程敘述如下對采集到的角度信號和驅(qū)動信號進行處理。將采集的角度信號稱為Φν，采集的驅(qū) 動信號稱為Τν，轉(zhuǎn)化為角度和扭矩值為φ = ΦνΧ8φ(2)T = TvXSt(3)
式中φ為加載軸的旋轉(zhuǎn)角，可代表試樣的扭轉(zhuǎn)角；S41為角度靈敏度系數(shù)，通過對 角度傳感器標定獲得；T為扭矩At為扭矩靈敏度系數(shù)，通過對電磁驅(qū)動裝置標定獲得。根據(jù)材料力學知識，對于各向同性、線彈性材料、小變形時等直徑圓軸試樣的扭 轉(zhuǎn)，橫截面邊緣上各點的切應力最大，其值為
權(quán)利要求
1.一種微扭矩力學試驗機，其特征為，該試驗機包括控制裝置和試驗機主機，所述控 制裝置用于設(shè)置試驗方法，向試驗機主機發(fā)出命令和分析處理從試驗機主機得到的實驗數(shù) 據(jù)；所述試驗機主機用于對試樣進行加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述微扭矩力學試驗機，其特征為，所述試驗機主機包括主機框 架，設(shè)置在主機框架下方的電磁驅(qū)動裝置、設(shè)置在主機框架上部的夾持裝置和設(shè)置在主機 框架內(nèi)部的傳感裝置；所述夾持裝置包括用于夾持試樣的定夾具和動夾具，所述定夾具設(shè) 置在主機框架上，動夾具設(shè)置在所述電磁驅(qū)動裝置上，并可隨電磁驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)，傳感裝置 用于測試電磁驅(qū)動裝置所旋轉(zhuǎn)的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述微扭矩力學試驗機，其特征為，所述主機框架包括機架底板，機架蓋板，立柱和機架側(cè)板，機架側(cè)板設(shè)置機架底板上， 機架蓋板蓋在機架側(cè)板上；所述電磁驅(qū)動裝置包括電磁驅(qū)動機構(gòu)和加載軸所述傳感裝置為非接觸式角度傳感器，包括角度傳感器活動極板和角度傳感器定極板；其中，所述電磁驅(qū)動裝置設(shè)置由在所述機架底板機架側(cè)板和機架蓋板圍成的空間中； 所述立柱設(shè)置機架蓋板上；所述電磁驅(qū)動裝置中的加載軸可隨電磁驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，并且其 上端通過機架蓋板中間的通孔伸出，在所述機架蓋板的下方設(shè)置有所述角度傳感器，角度 傳感器的定極板與機架蓋板相連接，角度傳感器的活動極板與加載軸相連接；所述夾持裝 置中的動夾具設(shè)置在所述加載軸由機架蓋板伸出段的端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中所述微扭矩力學試驗機，其特征為，所述夾持裝置還包括電動平 移臺，懸臂梁；所述電動平移臺安裝在所述主機框架上部，并可以上下移動；所述電動平移 臺上安裝有所述懸臂梁，懸臂梁的下側(cè)安裝所述定夾具，并和所述動夾具對中安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求3中微扭矩力學試驗機，其特征為，所述電磁驅(qū)動機構(gòu)包括內(nèi)磁體、外 磁體和線圈；所述線圈套放在所述內(nèi)磁體外圍，所述外磁體套裝在線圈的外側(cè)，三者共軸； 所述加載軸設(shè)置在線圈上；所述線圈和內(nèi)磁體之間，線圈和外磁體之間均具有間隙；所述 線圈可圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2中所述微扭矩力學試驗機，其特征為，所述角度傳感器為電感式角 度傳感器、電容式角度傳感器或光學類非接觸式角度傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述微扭矩力學試驗機，其特征為，所述控制裝置中包括計算機， 控制器；計算機用于設(shè)置試驗方法和分析處理實驗數(shù)據(jù)；控制器用于所述計算機和試驗機 主機之間的數(shù)據(jù)通信，包括功率放大模塊、信號采集模塊、信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊；其 中功率放大模塊用于將信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號進行放大，然后傳輸給試驗機主機中的 線圈；信號發(fā)生模塊與計算機相連，用于產(chǎn)生一電壓驅(qū)動信號；信號采集模塊與所述傳感裝置相連，用于采集試驗機主機內(nèi)的角度信號和線圈驅(qū)動信號；信號調(diào)理模塊用于將采集到的信號進行濾波和線性變換，以適合信號采集模塊采集。
8.使用權(quán)利要求1中所述微扭矩力學試驗機進行測試的方法其特征為，包括下列步驟1)用計算機控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一電壓信號，該信號經(jīng)功率放大模塊放大后驅(qū)動試 驗機主機工作；2)用控制器內(nèi)的信號采集模塊采集旋轉(zhuǎn)角度電壓信號和線圈的驅(qū)動電流信號；3)將采集的旋轉(zhuǎn)角度信號和線圈的驅(qū)動信號分別換算為角度和扭矩值；4)對步驟幻中得到的一系列角度值和扭矩值，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，得出被測 試樣的切應力一切應變曲線、剪切模量和剪切強度極限等參數(shù)。
9.使用權(quán)利要求8中所述測試方法其特征為，所述步驟4)中，包括下述子步驟41)由步驟3)中得出的角度和扭矩值，得到切應力-切應變曲線；42)根據(jù)切應力-切應變曲線，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，得出被測試樣的剪切模量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微扭矩力學試驗機及其測試方法。該試驗機包括控制裝置和試驗機主機，所述控制裝置用于設(shè)置試驗方法，向試驗機主機發(fā)出命令和分析處理從試驗機主機得到的實驗數(shù)據(jù)；所述試驗機主機用于對試樣進行加載。測試方法包括通過定制的試驗軟件控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一電壓信號，經(jīng)調(diào)理放大后驅(qū)動試驗機主機工作；信號采集模塊采集角度信號和線圈的驅(qū)動信號；將采集到的角度信號換算為旋轉(zhuǎn)角，將采集到的線圈驅(qū)動信號換算為扭矩；按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，得出被測試樣的切應力一切應變曲線，進而可進一步計算出剪切模量和剪切強度。由于采用電磁驅(qū)動兼扭矩計量方式，使得本扭轉(zhuǎn)試驗機的扭矩分辨力大幅度提高。
文檔編號G01L3/00GK102128752SQ201010560900
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者張?zhí)┤A, 郇勇 申請人:中國科學院力學研究所