專利名稱：壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密驅(qū)動領(lǐng)域，特別涉及原位微納米力學測試領(lǐng)域，尤指一種壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置。可與主流顯微觀測設備(如掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學顯微鏡等)兼容使用，開展在高驅(qū)動頻率下拉伸/壓縮模式的原位疲勞測試，為揭示材料在微納米尺度下的疲勞損傷及斷裂機制提供了測試方法。
背景技術(shù)：
材料或構(gòu)件在受重復或交變載荷作用時，雖然材料或構(gòu)件所受載荷幅值遠小于其抗拉強度或屈服強度，甚至小于彈性載荷，但經(jīng)反復的變形累積，最終發(fā)生斷裂破壞通常是由于疲勞載荷所致。據(jù)統(tǒng)計，在各類機械零件的失效案例中，大約80%以上是由疲勞破壞引起的。隨著大容量、大功率、高速度、高效率試驗裝置的出現(xiàn)，那些承受往復或震動載荷的工作條件更加苛刻，疲勞失效的問題更加突出，針對疲勞試驗的測試裝置和疲勞失效的相關(guān)研究中，早期的工作主要集中在疲勞破壞的宏觀規(guī)律方面，而對疲勞微觀機理的研究，由于受到試驗手段的限制，大多通過金相顯微鏡，對材料試樣表面在交變載荷下的滑移或斷口等問題進行研究。20世紀50年代以后，各類電子顯微鏡及其他觀測類儀器的出現(xiàn)和不斷完善，大大促進了疲勞微觀機理的研究。位錯理論的發(fā)展則對疲勞裂紋萌生與擴展的微觀研究提供了理論依據(jù)。原位微觀疲勞力學測試技術(shù)可以概述為借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學顯微鏡等成像儀器對被測材料在拉伸/壓縮或彎曲模式的疲勞載荷作用下微觀裂紋萌生、擴展、損傷失效過程、性能演變規(guī)律等進行動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)，因低周疲勞條件下，由于外加載荷多半高過彈性極限，因此，材料的疲勞壽命多小于IO4次，交變載荷的頻率可適宜觀測儀器對可能萌生初始裂紋的表面進行實時的在線觀測；在高周疲勞條件下，外加循環(huán)應力低于材料的屈服強度，甚至低于彈性極限，材料處于彈性變形范圍，應力應變關(guān)系基本符合胡克定律，因此，觀測儀器無法對裂紋萌生及擴展進行實時的觀測，只適宜在一定循環(huán)周期的間隔下，暫停疲勞載荷作用，從而實現(xiàn)“準原位疲勞測試”。傳統(tǒng)的疲勞試驗通常是在由電液伺服裝置或步進電機組成的不同類型的疲勞試驗機上進行的，如拉伸/壓縮疲勞試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、拉扭疲勞試驗以及彎曲疲勞試驗，其中彎曲疲勞試驗還可以分成平面彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗兩類。電液伺服疲勞試驗機為目前最常使用的疲勞試驗機，主要由液壓泵站、各種液壓閥、力和位移傳感器、工作油缸、各種試樣夾具(如三點彎曲、拉伸壓縮等)以及控制軟件等構(gòu)成。能夠反映電液伺服疲勞試驗機技術(shù)水平的主要為高精度力、位移傳感器，控制精度與控制范圍，液壓元器件和頻率發(fā)生器(最低頻率10_5Hz以及最高頻率1000Hz以上)。隨著結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命極限提高到IO9次以上，超長疲勞壽命試驗機亟待發(fā)展。除此之外，還存在一些特殊條件下的疲勞行為的測試裝置，如工程實際中有一大類機器零件是在滾動接觸條件下工作的，如滾動軸承、齒輪、蝸輪、凸輪、軋輥等。在循環(huán)接觸應力作用下，這些零件的表面很容易出現(xiàn)接觸疲勞的破壞現(xiàn)象，如點蝕、剝離等。在原位觀測方面，相比于其他用于觀測試件表面形貌的儀器，掃描電子顯微鏡具有成像倍率高，掃描速度快，受景深影響小等優(yōu)勢，而光學顯微鏡受其原理的影響，難以獲取成像倍率超過1000倍的清晰圖像，原子力顯微鏡則存在掃描時間過長的問題。但掃描電子顯微鏡下的疲勞測試儀器研發(fā)面臨著諸多問題(1)因掃描電子顯微鏡的密閉腔體內(nèi)為真空環(huán)境，需將測試裝置的信號采集處理單元以及上位機控制單元等通過在真空腔體的密封擋板處打孔的方式外接出密閉腔體外，并在對接接口處做嚴格的密封處理，因此，需要解決測試裝置與掃描電子顯微鏡的真空兼容性問題。(2)因電子槍激發(fā)高能電子束一般需要至少IOKV以上的高壓，因此電子束轟擊部位處于高強電磁場作用下，測試裝置與掃描電子顯微鏡的電磁兼容性問題亦需要解決。(3)現(xiàn)有商業(yè)化掃描電子顯微鏡的真空腔體均有限，且成像工作距離要求嚴格，如Hitachi TM-1000型號的掃描電鏡的真空腔體為直徑140mm的圓周，其成像工作距離范圍是I. 5mm至3. 5mm,較大腔體的掃描電鏡,如Zeiss Evo 18型掃描電鏡的真空腔體尺寸為直徑360_的圓周，其最大工作距離為15_，因此，測試裝置與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性亦需要解決。 目前，針對特征尺寸毫米級以上三維宏觀試件，大多數(shù)材料疲勞力學性能測試裝置均依賴電液伺服或電機實現(xiàn)驅(qū)動加載，且存在結(jié)構(gòu)較大或響應頻率不足等問題，如以電機實現(xiàn)驅(qū)動加載的疲勞測試裝置，因其傳動鏈在換向過程中的機械慣性和沖擊，難以實現(xiàn)高頻測試。針對納米管及薄膜材料等微尺度構(gòu)件的疲勞測試，往往需要借助微機電系統(tǒng)工藝結(jié)合掩膜、腐蝕、沉積等化學處理方法進行材料制備，工藝復雜，且存在效應的問題，測試結(jié)果與工程實際的宏觀材料存在迥異差異，因此，設計一種體積小巧，測試精度高，響應速度快，且能與掃描電鏡等多種成像儀器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)兼容、真空兼容和電磁兼容的疲勞測試裝置是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。其具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高及剛度高等特點，相比現(xiàn)有電液伺服或電機驅(qū)動型疲勞測試裝置，本發(fā)明利用四組對稱式安裝的壓電疊堆實現(xiàn)較大行程的載荷/位移輸出，可對被測材料的疲勞極限、持久極限、S-N曲線、磁滯回線等進行定量測定，本發(fā)明由壓電驅(qū)動單元、試件夾持單元、壓電疊堆預緊單元及信號檢測單元組成。本發(fā)明通過應變控制中嵌入前饋反饋綜合控制方法，可提升系統(tǒng)響應速度，提高控制精度，并實現(xiàn)壓電驅(qū)動單元及信號檢測單元的協(xié)同工作。在此基礎上，基于其小型化的總體結(jié)構(gòu)，該裝置可與具有真空腔體的主流掃描電子顯微鏡以及具有開放式載物平臺的拉曼光譜儀、X射線衍射儀及各類光學顯微成像系統(tǒng)結(jié)合使用，開展給定恒定頻率或掃頻下的恒應變或變應變疲勞測試，亦可對疲勞裂紋萌生及擴展現(xiàn)象進行在線觀測，為揭示材料在微尺度下的疲勞力學性能與變形損傷的相關(guān)性提供了測試方法。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，包括壓電驅(qū)動單元、試件夾持單元、壓電疊堆預緊單元及信號檢測單元，其中，壓電驅(qū)動單元中的壓電疊堆2與壓電疊堆預緊單元中的弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體4通過螺紋連接方式與信號檢測單元中的輪輻式拉壓力傳感器3保持剛性連接，且檢測單元中的直線電位器13及輪輻式拉壓力傳感器3均與壓電驅(qū)動單元中的框架14亦通過螺紋連接方式保持剛性連接；
所述壓電驅(qū)動單元包括四組共面且平行對稱安裝的壓電疊堆2、框架14及圓弧過渡型柔性鉸鏈1，其中四組壓電疊堆2并聯(lián)排布，并同時在壓電驅(qū)動電源的等幅等頻電壓信號驅(qū)動下輸出同步的響應位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I與框架14實為一體，框架14通過框架緊固螺釘17與固定基座10剛性連接；
所述試件夾持單元包括夾具體4、試件夾緊螺釘5、壓板6及被測試件15，其中夾具體4及壓板6通過等寬的凸臺及凹槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對等寬的被測試件15的對中性限位，所述凸臺及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測試件15夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘5用于將壓板6緊固在夾具體4上并提供可靠的夾持力； 所述壓電疊堆預緊單元包括弧形滑動楔塊I 7、固定楔塊8、楔塊預緊螺釘9、弧形滑動楔塊II 11及固定楔塊緊固螺釘16，其中固定楔塊8通過固定楔塊緊固螺釘16與固定基座10剛性連接，預緊力由楔塊預緊螺釘9提供，并且楔塊預緊螺釘9可沿被測試件15拉伸/壓縮方向移動實現(xiàn)對壓電疊堆2進行正向預緊和反向自鎖；
所述信號檢測單元包括輪輻式拉壓力傳感器3、電位器固定螺釘12及直線電位器13，其中輪輻式拉壓力傳感器3通過外螺紋連接方式分別與夾具體4及框架14剛性連接，直線電位器13的固定基體部分通過電位器固定螺釘12與框架14緊固連接，并整體沉附于框架14底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體4底部保持彈性接觸。所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I采用平行四邊形的內(nèi)包絡拓撲結(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測試提供精確線應變；四組壓電疊堆2共面排布，其空間拓撲結(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號驅(qū)動下，互為同軸的兩組壓電疊堆2輸出同軸異向運動，且輸出的同步響應變形量一致。所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置主體尺寸約為105mmX92mmX28mm,通過其固定基座10上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺上，因被測試件15與輪輻式拉壓力傳感器3、直線電位器13等電磁敏感器件有一定的空間距離，因此所述的測試裝置可實現(xiàn)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，同時測試裝置亦可以在其他具有開放式載物結(jié)構(gòu)的成像設備(如光學顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)的觀測下開展相應的疲勞測試。所述的弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11在空間上兩兩對稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘16的接觸面為弧形曲面，弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11的平面端與壓電疊堆2保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘16保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘16具有13. 5°的楔形傾角，可實現(xiàn)自鎖功能，最大預緊力可到325. 6N。所述的夾具體4上設置寬度為3mm、高度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板6上同樣設置寬度為3mm、深度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測試件15的夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測試件15/壓縮模式疲勞測試中的對中性。本發(fā)明的有益效果在于與現(xiàn)有材料疲勞性能測試裝置相比，本發(fā)明體積更為小巧，主體尺寸僅為105mmX92mmX28mm，位移加載分辨率可低至200nm，交變載荷頻率可調(diào)范圍大，與安裝于各種主流電子顯微鏡的真空腔體載物平臺上，試用與特征尺寸毫米級試件的跨尺度原位疲勞測試，此外，本發(fā)明通過應變控制中嵌入前饋反饋綜合控制方法，可提升系統(tǒng)響應速度，提高控制精度，并實現(xiàn)壓電驅(qū)動單元及位移檢測單元的協(xié)同工作，通過上位機軟件的測試頻率、幅值等參數(shù)設定?？勺詣荧@取被測試件不同循環(huán)特征下的磁滯回線等固有特征。綜上所述，本發(fā)明對豐富原位微納米力學測試內(nèi)容和促進材料力學性能測試技術(shù)及裝備具有重要的理論意義和良好的應用開發(fā)前途。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。圖I為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的主視示意圖；
圖3為本發(fā)明的俯視不意 圖4為本發(fā)明的壓電疊堆預緊單元的工作原理 圖5為本發(fā)明的柔性鉸鏈的工作原理 圖6為本發(fā)明的試件夾持單元的工作示意圖。圖中1.圓弧過渡型柔性鉸鏈、2.壓電疊堆、3.輪輻式拉壓力傳感器、4.夾具體、5.試件夾緊螺釘、6.壓板、7.弧形滑動楔塊I、8.固定楔塊、9.楔塊預緊螺釘、10.固定基座、11.弧形滑動楔塊II、12.電位器固定螺釘、13.直線電位器、14.框架、15.被測試件、16.固定楔塊緊固螺釘、17.框架固定螺釘。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖I至圖6，本發(fā)明的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置包括壓電驅(qū)動單元、試件夾持單元、壓電疊堆預緊單元及信號檢測單元，其中，壓電驅(qū)動單元中的壓電疊堆2與壓電疊堆預緊單元中的弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體4通過螺紋連接方式與信號檢測單元中的輪輻式拉壓力傳感器3保持剛性連接，且檢測單元中的直線電位器13及輪輻式拉壓力傳感器3均與壓電驅(qū)動單元中的框架14亦通過螺紋連接方式保持剛性連接。所述壓電驅(qū)動單元包括四組共面且平行對稱安裝的壓電疊堆2、框架14及圓弧過渡型柔性鉸鏈1，其中四組壓電疊堆2并聯(lián)排布，并同時在壓電驅(qū)動電源的等幅等頻電壓信號驅(qū)動下輸出同步的響應位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I與框架14實為一體，框架14通過框架緊固螺釘17與固定基座10剛性連接；
所述試件夾持單元包括夾具體4、試件夾緊螺釘5、壓板6及被測試件15，其中夾具體4及壓板6通過等寬的凸臺及凹槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對等寬的被測試件15的對中性限位，所述凸臺及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測試件15夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘5用于將壓板6緊固在夾具體4上并提供可靠的夾持力；
所述壓電疊堆預緊單元包括弧形滑動楔塊I 7、固定楔塊8、楔塊預緊螺釘9、弧形滑動楔塊II 11及固定楔塊緊固螺釘16，其中固定楔塊8通過固定楔塊緊固螺釘16與固定基座10剛性連接，預緊力由楔塊預緊螺釘9提供，并且楔塊預緊螺釘9可沿被測試件15拉伸/壓縮方向移動實現(xiàn)對壓電疊堆2進行正向預緊和反向自鎖；
所述信號檢測單元包括輪輻式拉壓力傳感器3、電位器固定螺釘12及直線電位器13，其中輪輻式拉壓力傳感器3通過外螺紋連接方式分別與夾具體4及框架14剛性連接，直線電位器13的固定基體部分通過電位器固定螺釘12與框架14緊固連接，并整體沉附于框架14底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體4底部保持彈性接觸。所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I采用平行四邊形的內(nèi)包絡拓撲結(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測試提供精確線應變；四組壓電疊堆2共面排布，其空間拓撲結(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號驅(qū)動下，互為同軸的兩組壓電疊堆2輸出同軸異向運動，且輸出的同步響應 變形量一致。所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置的主體尺寸約為105mmX92mmX28mm,通過其固定基座10上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺上，因被測試件15與輪輻式拉壓力傳感器3、直線電位器13等電磁敏感器件有一定的空間距離，因此所述的測試裝置可實現(xiàn)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，同時測試裝置亦可以在其他具有開放式載物結(jié)構(gòu)的成像設備(如光學顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)的觀測下開展相應的疲勞測試。所述的弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11在空間上兩兩對稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘16的接觸面為弧形曲面，弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11的平面端與壓電疊堆2保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘16保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘16具有13. 5°的楔形傾角，可實現(xiàn)自鎖功能，最大預緊力可到325. 6N。所述的夾具體4上設置寬度為3mm、高度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板6上同樣設置寬度為3mm、深度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測試件15的夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測試件15在拉伸/壓縮模式疲勞測試中的對中性。參見圖I至圖6，本發(fā)明所涉及的對稱式壓電致動型微疲勞裝置主體部分的整體尺寸為105mmX92mmX28mm,與目前主流商業(yè)化掃描電子顯微鏡中真空腔體較小的HitachiTM-1000型掃描電鏡具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可保證與具有更大尺寸真空腔體的掃描電鏡兼容使用，同時可與其他類具有開放式載物形式的觀測儀器結(jié)合使用，本發(fā)明中涉及到的購置件的具體型號可為壓電疊堆2型號為XMT PST-150、直線電位器13型號為Sakae 13FLP25A-5K、輪輻式拉壓力傳感器3型號為JLBM-3?？蚣?4、弧形滑動楔塊I 7、固定楔塊8均采用線切割加工，在框架14的試件夾持端采用電火花方式加工出鋸齒狀結(jié)構(gòu)，固定基座10采用精銑加工，并在定位表面做磨削平坦化處理。針對本發(fā)明中壓電疊堆2的控制，涉及的元器件及儀器有數(shù)據(jù)采集卡、處理器、比例積分算法、功率放大器、接口電路，據(jù)此可獲取壓電疊堆電壓/位移數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)成，并以此作為疲勞測試中應變控制方法的基礎，在此基礎上，通過對壓電疊堆元件進行穩(wěn)態(tài)激勵的電源電路設計與試制，電壓波形與頻率的跟蹤、反饋和補償，以及對電壓信號的波形、激勵方式、壓電元件激勵的時序控制、相位與頻率等對機械單元影響的試驗研究，可有效解決壓電疊堆遲滯及蠕變問題。對壓電疊堆2的控制方法為前饋反饋綜合控制方法，可有效提升系統(tǒng)響應速度，提高控制精度。與此同時，考慮到壓電疊堆2需在合適的預緊力作用下放可產(chǎn)生穩(wěn)定的變形量和載荷輸出，且由于在高頻激勵信號作用下，壓電疊堆2會產(chǎn)生松動甚至與連接部件形成間隙，致使傳動失效，與傳動的楔形預緊方式相比，采用弧面平面形式的線接觸預緊方式可進一步增加預緊的可靠性，且由于線接觸預緊方式相對于面預緊方式可有效減小摩擦阻力，因此，此預緊方式提高了預緊力輸出能力和預緊效率。具體設計中，固定楔塊8具有楔形角為α，弧形滑動楔塊I 7、弧形滑動楔塊II 11與固定楔塊8之間線接觸的摩擦系數(shù)為μ。如圖4所示，楔塊預緊螺釘9向弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11預緊力及，推動弧形滑動楔塊I 7及弧形滑動楔塊II 11沿同軸異向運動，實現(xiàn)對壓電疊堆2的預緊，預緊力大小為/
整理上述關(guān)系得到機構(gòu)輸出力與預緊力的關(guān)系為
Fc - Fs (cos α - μ sin α ) / (sin α + μ cos α )
有此可至，當α < arctan μ時,楔形塊具有自鎖功能,進一步,通過優(yōu)化設計，固定楔塊8具有13. 5°的楔形傾角，可實現(xiàn)自鎖功能，最大預緊力可到325. 6Ν。壓電疊堆電壓/位移數(shù)據(jù)關(guān)系的獲取是通過預緊狀態(tài)下利用LK-G100型激光測微儀(測量行程為1mm，分辨率為O. 01 μ m)檢測不同恒值輸入時框架14的試件夾持部分的輸出位移所實現(xiàn)的，由于恒定電場作用時壓電晶體電籌緩慢排列，壓電疊堆2會表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象，即電壓加載及卸載過程中，同一電壓下，壓電疊堆2的變形量并不一致，但總體趨勢上看，其變形/電壓曲線在電壓加載卸載全程會保持基本線性規(guī)律。在預緊狀態(tài)下，給定峰值電壓150V時，框架14的試件夾持部分的位移輸出值為28 μ m，當單步電壓為O. 5V時，壓電疊堆的實際伸長量約為O. 056 μ m,因本發(fā)明采用四組對稱排布的壓電疊堆2實現(xiàn)單軸雙向的疲勞測試，同時考慮到給定單步電壓值可在較理想條件下穩(wěn)定與O. 5V以下，因此，本發(fā)明的加載分辨率優(yōu)于O. 11 μ m。電壓加載及卸載過程中,輸出位移的最大差值為2. 6 μ m,因此本發(fā)明的遲滯量為O. 0928。據(jù)此，可構(gòu)建壓電疊堆電壓-位移數(shù)據(jù)關(guān)系為前饋控制提供數(shù)據(jù)模型。此外，本發(fā)明中采用的柔性鉸鏈為正圓柔性鉸鏈具有結(jié)構(gòu)緊湊、無機械摩擦、無噪聲、無裝配誤差、無間隙、無需潤滑、運動平穩(wěn)、分辨率高、零遲滯等各種優(yōu)點，且具有較好的抗疲勞性能。本發(fā)明選用調(diào)質(zhì)到ΗΒ22(Γ240后的65Μη作為圓弧過渡性柔性鉸鏈I及框架14的加工材料。本發(fā)明中采用的控制方法為前饋反饋綜合控制方法，用于削弱壓電疊堆2的固有遲滯及蠕變特性所引起的系統(tǒng)誤差，壓電疊堆電壓-位移數(shù)據(jù)關(guān)系為前饋控制提供數(shù)據(jù)模型，反饋控制方法為優(yōu)化的比例、積分控制模型。本發(fā)明的具體工作過程如下
本發(fā)明在具體的測試過程中，首先，被測試件15在進行疲勞測試及原位觀測前，針對金屬材料或合金材料，需采用線切割加工方法試制出具有應力薄弱區(qū)域或預制缺口的被測試件15，即保證其結(jié)構(gòu)尺寸，對于非金屬材料，亦需通過激光切割等方法保證被測試件15的尺寸，必要時，采用電解拋光、機械拋光等方法對被測試件15進行平坦化處理，以獲取原位觀測需要的較好光潔度的表面形貌。將被測試件15安裝于框架14的試件夾持端以及夾具體4的鋸齒形凸臺上，之后利用試件夾緊螺釘5將壓板6固定，壓板6底部的凹槽寬度與夾具體4上部的鋸齒形凸臺的寬度以及被測試件15的夾持端的厚度均一致，以此保證被測試件15的對中性要求，進一步，通過調(diào)整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測來保證試件測試過程中的共面性和準確位置。直線電位器14用于檢測夾具體4與框架14的試件夾持端之間的變形量，該位移信號為模擬信號，并通過放大、濾波、降噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換，與上位機(PC機)軟件中給定參考數(shù)字信號比較，給定信號的依據(jù)為前述壓電疊堆2輸出電壓位移關(guān)系，比較信號通過PID參數(shù)整定得到用于補償壓電疊堆2變形量的電壓信號，最終控制系統(tǒng)實現(xiàn)對壓電疊堆2輸出位移的準確控制.給運動分辨率，從而實現(xiàn)微納米級的表面車削，即可實現(xiàn)切深的精密伺服控制。與此同時，輪輻式拉壓力傳感器3分別與框架14及夾具體4通過螺紋方式連接，其受載方向與被測試件15受拉伸/壓縮交變載荷的方向相同。在原位測試過程中，在確定觀測儀器(如掃描電子顯微鏡)對被測試件15薄弱區(qū)域的擬定觀測點后，采用應變控制方法，通過上位機軟件給定初始測試的應變值以及測試頻率，即通過設定施加在壓電疊堆2上的交變電壓信號的幅值及頻率來實現(xiàn)這一功能，在完成一定循環(huán)周數(shù)(如IO2)后，可停止壓電疊堆2的運動，并通過掃描電鏡對擬定觀測點進行裂紋萌生(或擴展)現(xiàn)象的觀測，即通過具有特定間隔時間的準連續(xù)觀測方式實現(xiàn)該原位測試模式，該模式可同時記錄被測試件15的形貌圖像，結(jié)合上位機調(diào)試軟件亦可實時獲取表征被測材料力學性能的S-N曲線、持久極限、應力應變磁滯回線力學特性。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，其特征在于包括壓電驅(qū)動單元、試件夾持單元、壓電疊堆預緊單元及信號檢測單元，其中，壓電驅(qū)動單元中的壓電疊堆(2)與壓電疊堆預緊單元中的弧形滑動楔塊I (7)及弧形滑動楔塊II (11)始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體(4)通過螺紋連接方式與信號檢測單元中的輪輻式拉壓力傳感器(3)保持剛性連接，且檢測單元中的直線電位器(13)及輪輻式拉壓力傳感器(3)均與壓電驅(qū)動單元中的框架(14)亦通過螺紋連接方式保持剛性連接；所述壓電驅(qū)動單元包括四組共面且平行對稱安裝的壓電疊堆(2)、框架(14)及圓弧過渡型柔性鉸鏈(1)，其中四組壓電疊堆(2)并聯(lián)排布，并同時在壓電驅(qū)動電源的等幅等頻電壓信號驅(qū)動下輸出同步的響應位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈(I)與框架(14)實為一體，框架(14)通過框架緊固螺釘(17)與固定基座(10)剛性連接；所述試件夾持單元包括夾具體(4)、試件夾緊螺釘(5)、壓板(6)及被測試件(15)，其中夾具體(4)及壓板(6)通過等寬的凸臺及凹槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對等寬的被測試件(15)的對中性限位，所述凸臺及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測試件(15)夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘(5)用于將壓板(6)緊固在夾具體(4)上并提供可靠的夾持力；所述壓電疊堆預緊單元包括弧形滑動楔塊I (7)、固定楔塊(8)、楔塊預緊螺釘(9)、弧形滑動楔塊II (11)及固定楔塊緊固螺釘(16)，其中固定楔塊(8)通過固定楔塊緊固螺釘(16)與固定基座(10)剛性連接，預緊力由楔塊預緊螺釘(9)提供，并且楔塊預緊螺釘(9)可沿被測試件(15)拉伸/壓縮方向移動實現(xiàn)對壓電疊堆(2)進行正向預緊和反向自鎖；所述信號檢測單元包括輪輻式拉壓力傳感器(3)、電位器固定螺釘(12)及直線電位器(13)，其中輪輻式拉壓力傳感器(3)分別與夾具體(4)及框架(14)剛性連接，直線電位器(13)的固定基體部分通過電位器固定螺釘(12)與框架(14)緊固連接，并整體沉附于框架(14)底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體(4)底部保持彈性接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，其特征在于所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈(I)采用平行四邊形的內(nèi)包絡拓撲結(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測試提供精確線應變；四組壓電疊堆(2)共面排布，其空間拓撲結(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號驅(qū)動下，互為同軸的兩組壓電疊堆(2)輸出同軸異向運動，且輸出的同步響應變形量一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，其特征在于所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置主體尺寸為105mmX92mmX28mm，通過其固定基座(10)上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，其特征在于所述的弧形滑動楔塊I (7)及弧形滑動楔塊II (11)在空間上兩兩對稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘(16)的接觸面為弧形曲面，弧形滑動楔塊I (7)及弧形滑動楔塊II (11)的平面端與壓電疊堆(2)保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘(16)保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘(16)具有13. 5°的楔形傾角，可實現(xiàn)自鎖功能，最大預緊力可到325. 6N。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，其特征在于所述的夾具體(4)上設置寬度為3mm、高度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板(6)上同樣設置寬度為3mm、深度為O. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測試件(15)的 夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測試件(15)在拉伸/壓縮模式疲勞測試中的對中性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電致動型材料疲勞力學性能測試裝置，屬于精密驅(qū)動領(lǐng)域。由壓電驅(qū)動單元、試件夾持單元、壓電疊堆預緊單元及信號檢測單元組成。通過四組對稱式安裝的壓電疊堆實現(xiàn)較大行程的載荷/位移輸出，該裝置可與具有真空腔體的主流掃描電子顯微鏡以及具有開放式載物平臺的拉曼光譜儀、X射線衍射儀及各類光學顯微成像系統(tǒng)結(jié)合使用，可在該類觀測儀器的觀測下開展給定恒定頻率或掃頻下的恒應變或變應變疲勞測試。優(yōu)點在于體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，測試精度高，剛度高、兼容性好、應變值及測試頻率可調(diào)，通過開展針對微小尺寸試件的拉伸模式的原位疲勞測試，可對各類材料在循環(huán)載荷作用下的破壞機制及性能演變規(guī)律進行深入研究。
文檔編號G01N3/02GK102928304SQ201210426539
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者趙宏偉, 馬志超, 王開廳, 胡曉利, 程虹丙, 魯帥 申請人:吉林大學