本申請依據(jù)35U.S.C.119(e)主張2014年8月7日遞交的美國臨時(shí)申請第62/034,243號(hào)的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)申請的內(nèi)容在此全部以引用的方式且出于所有目的而并入本申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及一種用于在材料測試中的具有被動(dòng)垂直系統(tǒng)的應(yīng)變伸長計(jì)，所述被動(dòng)垂直系統(tǒng)使用線性光學(xué)編碼器。

背景技術(shù)：

應(yīng)變伸長計(jì)是一種儀器，其準(zhǔn)確地測量測試樣本在施加的負(fù)荷下的尺寸改變以便更好地捕獲樣本的材料性質(zhì)。最常見類型的應(yīng)變伸長計(jì)測量軸向應(yīng)變，其表示當(dāng)在負(fù)荷下拉伸樣本時(shí)樣本長度的改變。這是通過追蹤沿著樣本長度始于精確初始間隔或標(biāo)距的兩個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行的。那兩個(gè)點(diǎn)之間的初始與最終間隔之間的百分比差為軸向應(yīng)變。

另外，存在通常結(jié)合軸向應(yīng)變伸長計(jì)工作的橫向應(yīng)變伸長計(jì)。當(dāng)測試樣本軸向拉伸時(shí)，橫向應(yīng)變伸長計(jì)追蹤其側(cè)向邊緣。在材料測試期間，樣本的橫截面積將在拉伸負(fù)荷下變得更小。這種寬度或直徑的改變?yōu)閼?yīng)變伸長計(jì)測得的橫向應(yīng)變。橫向應(yīng)變伸長計(jì)的準(zhǔn)確度要求由測試標(biāo)準(zhǔn)決定，且可嚴(yán)苛得為需要一微米(微米或美光)的一半的準(zhǔn)確度(0.5μm)。在正由軸向應(yīng)變伸長計(jì)追蹤的軸向標(biāo)距點(diǎn)之間的中點(diǎn)處測量橫向應(yīng)變。

如同軸向應(yīng)變伸長計(jì)那樣，存在接觸式和非接觸式橫向應(yīng)變伸長計(jì)。接觸式應(yīng)變伸長計(jì)在測試期間用兩個(gè)臂物理追蹤樣本邊緣，而非接觸式應(yīng)變伸長計(jì)通常依賴于成像來追蹤樣本的尺寸改變。

對(duì)于自動(dòng)接觸式應(yīng)變伸長計(jì)，通常需要將接觸臂附接到樣本和從測試樣本移除接觸臂。使用足夠復(fù)雜以提供所需要的準(zhǔn)確度的測量系統(tǒng)通常也是必要的。

儀器通常被設(shè)計(jì)以達(dá)到作為完整系統(tǒng)的必要準(zhǔn)確度。

橫向應(yīng)變伸長計(jì)與軸向應(yīng)變伸長計(jì)一起操作，且其接觸點(diǎn)通常必須保持在兩個(gè)軸向接觸點(diǎn)的中點(diǎn)。難題在于，軸向點(diǎn)都在測試樣本的移動(dòng)端的方向上移動(dòng)，且精確的垂直位置是未知的。因此，裝置通常必須從來自軸向應(yīng)變伸長計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算垂直位置，且將其驅(qū)動(dòng)到那里，或者附接到樣本，且讓樣本在其拉伸時(shí)攜帶該裝置。如果不這么做，那么應(yīng)變伸長計(jì)將相對(duì)于樣本滑動(dòng)，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

重要的是，要注意，標(biāo)本實(shí)際上必須不受來自應(yīng)變伸長計(jì)的作用于樣本的任何外部負(fù)荷影響，以使從測試得到的材料性質(zhì)數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上不受影響。這種要求通常適用于任一種類的應(yīng)變伸長計(jì)。雖然受大負(fù)荷作用的較大樣本可基本上不受應(yīng)變伸長計(jì)(例如，輕型手動(dòng)夾持式應(yīng)變伸長計(jì)的質(zhì)量)影響，但經(jīng)受較小負(fù)荷作用的較小樣本將在測試期間記錄此外部力且產(chǎn)生不良數(shù)據(jù)。

結(jié)果，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常使用復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和敏感的傳感器，它們確保準(zhǔn)確的垂直位置且防止不想要的外部負(fù)荷。較簡單且優(yōu)選的方法是，使用仔細(xì)平衡、低摩擦、被動(dòng)追蹤系統(tǒng)，其中樣本運(yùn)動(dòng)使得應(yīng)變伸長計(jì)移動(dòng)。倘若給定橫向應(yīng)變伸長計(jì)測量單元的典型尺寸，那么這可能是有難度的。

倘若給定裝置的測量準(zhǔn)確度和自動(dòng)化要求，那么使測量單元位置盡可能靠近樣本設(shè)置，否則，必須對(duì)設(shè)計(jì)盡較大的努力來確保從樣本到測量系統(tǒng)的測量的可信追蹤。

準(zhǔn)確度要求經(jīng)?？赡芊浅?yán)格，且正因?yàn)榇?，過去已使用高度敏感性技術(shù)。感應(yīng)傳感器、應(yīng)變儀和磁尺是所使用的技術(shù)中的一些。然而，這些技術(shù)是以有限的測量范圍(通常大約僅數(shù)毫米)為代價(jià)的。在許多情況下，分辨率也不足以達(dá)到嚴(yán)苛的準(zhǔn)確度要求。此外，它們的封裝容易形成大且重的單元，再加上使必要的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)化所需的致動(dòng)器，使設(shè)計(jì)方向朝向之前提到的用于垂直定位和追蹤的被驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。

為了滿足對(duì)于自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的要求，應(yīng)變伸長計(jì)必須進(jìn)行某些截然不同的運(yùn)動(dòng)：(1)垂直移動(dòng)到所要的位置，(2)將接觸臂附接到樣本邊緣上/從樣本邊緣移除接觸臂，且最有可能(3)移進(jìn)與移出測試區(qū)域，以便不干擾測試樣本的裝載和去除，雖然理論上可避免這樣的運(yùn)動(dòng)或使該運(yùn)動(dòng)與另一運(yùn)動(dòng)相結(jié)合。

當(dāng)前自動(dòng)化的、接觸式應(yīng)變伸長計(jì)包括Zwi ck的mu l t iXtens橫向應(yīng)變伸長計(jì)和MF的MFQ-A。現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)變伸長計(jì)包括本申請的受讓人的HRDE。所有這些裝置使用被驅(qū)動(dòng)的垂直系統(tǒng)和測量系統(tǒng)(具有有限范圍)。圖1到圖4示出各種現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)變伸長計(jì)1000。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開的實(shí)施例為一種用使用線性光學(xué)編碼器的被動(dòng)垂直系統(tǒng)測量橫向應(yīng)變的應(yīng)變伸長計(jì)。將第一和第二傳感器臂安裝于相應(yīng)的第一和第二車架上，所述第一和第二車架在相應(yīng)的第一和第二線性軌道上橫越。應(yīng)變伸長計(jì)使用低摩擦設(shè)計(jì)來使第一和第二傳感器臂的移動(dòng)的滾動(dòng)摩擦最小化。第一車架包括直接面向第二車架上的編碼器標(biāo)尺的編碼器讀取頭。在此配置中，可讀取兩個(gè)車架和因此兩個(gè)傳感器臂的準(zhǔn)確相對(duì)位置。

附圖簡述

從以下描述和從附圖，本公開的進(jìn)一步的目的和優(yōu)勢將變得顯而易見，在附圖中：

圖1為第一現(xiàn)有技術(shù)橫向應(yīng)變伸長計(jì)的立體圖。

圖2和圖3為第二現(xiàn)有技術(shù)橫向應(yīng)變伸長計(jì)的立體圖。

圖4為第三現(xiàn)有技術(shù)橫向應(yīng)變伸長計(jì)的立體圖。

圖5為結(jié)合軸向應(yīng)變伸長計(jì)展示的本公開的橫向應(yīng)變伸長計(jì)的立體圖。

圖6為在測試位置中展示的從外殼伸出的本公開的橫向應(yīng)變測量單元的立體圖。

圖7為展示其中防塵罩被去除的本公開的橫向應(yīng)變測量單元的立體圖。

圖8為展示本公開的橫向應(yīng)變測量單元的立體圖，其中壁被表示為透明的。

圖9為展示其中壁被去除的本公開的橫向應(yīng)變測量單元的正視圖。

圖10為本公開的橫向應(yīng)變測量單元的立體圖。

圖11為本公開的橫向應(yīng)變測量單元的側(cè)視圖。

圖12為本公開的橫向應(yīng)變測量單元的另一實(shí)施例的立體圖。

圖13為本公開的橫向應(yīng)變測量單元的另一實(shí)施例的正視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在詳細(xì)參看附圖，其中貫穿若干視圖，相似附圖標(biāo)記指示相似元件，我們看出，圖5示出本公開的橫向應(yīng)變測量單元(TSMU)10結(jié)合軸向應(yīng)變伸長計(jì)200使用，且圖6到圖11為橫向應(yīng)變測量單元(TSMU)10的視圖。

圖5示出一種布置，其中軸向應(yīng)變伸長計(jì)200響應(yīng)于由材料測試機(jī)(未展示)給予的軸向或拉伸負(fù)荷而測量樣本(未展示)上的軸向應(yīng)變。材料測試機(jī)通常被布置以在樣本上施加負(fù)荷，所述負(fù)荷將樣本的相對(duì)軸向端彼此相反地牽拉。這種負(fù)荷導(dǎo)致樣本上的軸向應(yīng)力，這又引發(fā)樣本的軸向應(yīng)變或軸向變形，如通過軸向應(yīng)變伸長計(jì)200的第一臂202和第二臂204測得的。這種軸向應(yīng)變同樣地通常進(jìn)一步造成樣本的橫向尺寸的減小或變薄，其可被表征為在材料測試機(jī)將負(fù)載施加于樣本的同時(shí)由橫向應(yīng)變測量單元10測得的橫向應(yīng)力。

本公開的橫向應(yīng)變測量單元10包括金屬殼體12，所述金屬殼體12具有前壁14、后壁16、第一側(cè)壁18和第二側(cè)壁20、通常充當(dāng)用于TSMU 10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底部的底壁22、以及頂壁24。第一傳感器臂30和第二傳感器臂32從第一側(cè)壁18中的槽33水平地伸出。注意，在圖5中，第二側(cè)壁20、前壁14和頂壁24是可見的。第一傳感器臂30和第二傳感器臂32向右伸出且稍微伸出到所示出的配置的后部，以便在軸向應(yīng)變伸長計(jì)200的第一臂202與第二臂204之間的空間內(nèi)。第一傳感器臂30和第二傳感器臂32的遠(yuǎn)端包括相應(yīng)的第一和第二對(duì)向刀34、36，用于接觸測試中的樣本。防塵罩37與覆蓋外壁的殼一起被示出于圖6中。防塵罩37包括槽39，第一傳感器臂30和第二傳感器臂32通過所述槽39伸出。

注意，第一對(duì)向刀34和第二對(duì)向刀36優(yōu)選地由鈦制成。鈦?zhàn)鳛榻佑|金屬具有以下優(yōu)勢：其熱導(dǎo)率為碳鋼的熱導(dǎo)率的大致八分之一和不銹鋼或工具鋼的熱導(dǎo)率的大致四分之一。在此實(shí)施例中，這是有利的，因?yàn)榈?4、36中的鈦的使用在材料測試期間將遠(yuǎn)離接觸點(diǎn)的熱傳導(dǎo)減小。這是意義重大的，因?yàn)閼?yīng)力測試常常對(duì)測試樣本進(jìn)行加熱。熱傳導(dǎo)可冷卻且因此強(qiáng)化在接觸點(diǎn)的樣本，由此改變故障的位置和最大熱應(yīng)力的位置。鈦的使用可望解決且減少這種關(guān)注問題。

如在圖9中最清楚地看出的，下部線性滑軌40的第一固定軌道被緊固到底壁22的內(nèi)部，而上部線性滑軌42的第二固定軌道被緊固到頂壁24的內(nèi)部，其中頂壁24與底壁22相對(duì)。下部線性滑軌40和上部線性滑軌42充當(dāng)固定軌道，相應(yīng)的下部車架44和上部車架46在所述固定軌道上線性地橫越。第一傳感器臂30附接或緊固到下部車架44。同樣地，第二傳感器臂32附接或緊固到上部車架46。

如在圖10和圖11中最清楚地看出的，第一輪58和第二輪60帶軸頸以圍繞實(shí)質(zhì)上平行于第一傳感器臂30和第二傳感器臂32的軸線旋轉(zhuǎn)。第一輪58配置有機(jī)動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)軸桿59，而第二輪60配置為惰輪。使正時(shí)皮帶62配合在圍繞第一輪58和第二輪60的環(huán)路中，以便包括下部皮帶區(qū)62A(正時(shí)皮帶62的在第一輪58與第二惰輪60的最下部部分之間伸展的部分)和上部皮帶區(qū)62B(正時(shí)皮帶62的在第一輪58與第二惰輪60的最下部部分之間伸展的部分)。如在圖9中最清楚地看出的，將下部驅(qū)動(dòng)托架64附接到正時(shí)皮帶62在下部皮帶區(qū)上的某一位置。類似地，將上部驅(qū)動(dòng)托架66附接到正時(shí)皮帶62在上部皮帶區(qū)62B上的某一位置。在這種配置中，下部驅(qū)動(dòng)托架64和上部驅(qū)動(dòng)托架66可通過正時(shí)皮帶62圍繞第一輪58和第二滾輪60的部分旋轉(zhuǎn)行程被驅(qū)動(dòng)以推動(dòng)或推壓下部車架44和上部車架46，以便使第一傳感器臂30與第二傳感器臂32分開。下部驅(qū)動(dòng)托架64和上部驅(qū)動(dòng)托架66在相反的方向上移動(dòng)相等的距離，因此當(dāng)下部驅(qū)動(dòng)托架64和上部驅(qū)動(dòng)托架66正推動(dòng)或推壓下部車架44和上部車架46時(shí)，下部車架44和上部車架46在相反的方向上移動(dòng)相等的距離，且第一傳感器臂30與第二傳感器臂32通過在相反的方向上移動(dòng)相等的距離而彼此分開。

如在圖11中最清楚地看出的，第一托架安裝的彈簧錨定物68和第二托架安裝的彈簧錨定物70鄰近相應(yīng)的第一輪58和第二輪60地附接到底壁22。第一盤簧72具有附接到第一托架安裝的彈簧錨定物68的向外端74和附接到下部車架44的中央?yún)^(qū)域76，而第二盤簧78具有附接到第二托架安裝的彈簧錨定物70的向外端80和附接到上部車架46的中央?yún)^(qū)域82。第一盤簧72和第二盤簧78的力在相反的方向上推動(dòng)下部車架44和上部車架46，以便使第一傳感器臂30與第二傳感器臂32合在一起。如上所敘述的，第一傳感器臂30與第二傳感器臂32通過下部驅(qū)動(dòng)托架44和上部驅(qū)動(dòng)托架46響應(yīng)于正時(shí)皮帶62的行進(jìn)而推動(dòng)或推壓相應(yīng)的下部車架64和上部車架66(由此反作用于第一盤簧72和第二盤簧78的力)的力相互分開。

編碼器標(biāo)尺88定位于下部車架44的上部面上。垂直地緊鄰在編碼器標(biāo)尺88上方，編碼器讀取頭90被定位于上部車架46的下表面上。在此配置中，編碼器標(biāo)尺68向下緊鄰于鄰近對(duì)置的編碼器讀取頭90。當(dāng)下部車架44和上部車架46沿著相應(yīng)的下部線性滑軌40和上部線性滑軌42在相反的方向上水平移動(dòng)時(shí)，由此造成第一傳感器臂30與第二傳感器臂32的位置的相等平移時(shí)，編碼器讀取頭90讀取編碼器標(biāo)尺88以產(chǎn)生數(shù)據(jù)以確定下部車架44與上部車架46的相對(duì)位置，由此確定第一、第二對(duì)向刀34、36之間的距離，由此確定測試中的樣本的寬度，且提供用于側(cè)向或橫向應(yīng)變計(jì)算的數(shù)據(jù)。將來自編碼器讀取頭90的數(shù)據(jù)發(fā)送到通常包括微處理器的處理器板92，所述處理器板92可執(zhí)行初步計(jì)算且提供外部端口以傳送數(shù)據(jù)供進(jìn)一步處理。

公開的實(shí)施例的設(shè)備由此使用低摩擦設(shè)計(jì)來使傳感器臂30、32的移動(dòng)中的滾動(dòng)摩擦最小化。由于測量系統(tǒng)的小尺寸以及出自橫向應(yīng)變測量單元(TSMU)10的電導(dǎo)體的最小尺寸、數(shù)目和質(zhì)量，這種方法是成功的。

替代性實(shí)施例示出于圖12和圖13中，具有與圖5到圖11的實(shí)施例的組件類似的組件。

公開的實(shí)施例使用與在其他應(yīng)變伸長計(jì)中使用的光學(xué)編碼器類似的光學(xué)編碼器，以進(jìn)行橫向應(yīng)變測量。由于是在標(biāo)尺后的光學(xué)讀取頭，所以測量范圍只受到標(biāo)尺的指定長度限制。這種增加的范圍允許增加的功能性(相信在以前是無法提供的)，例如，在測試前測量樣本寬度的能力。這種功能，與自動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，可減少或消除對(duì)于昂貴的樣本測量系統(tǒng)的需求、許多測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外，與現(xiàn)有技術(shù)中的當(dāng)前技術(shù)相比，線性光學(xué)編碼器常提供其他優(yōu)勢，包括系統(tǒng)的耐久性和強(qiáng)健性，假定測量裝置的兩個(gè)成對(duì)的半部分不相互接觸。當(dāng)昂貴裝置如此靠近并經(jīng)常接觸激烈的樣本斷裂處時(shí)，這具有很大的重要性。

線性光學(xué)編碼器的使用還提供超過現(xiàn)有技術(shù)中使用的磁尺和其他線性編碼器系統(tǒng)的分辨率和準(zhǔn)確度的分辨率和準(zhǔn)確度，且相比其他類似的準(zhǔn)確解決方案更簡單、更價(jià)廉和更容易封裝。

鑒于單個(gè)讀取頭的其使用，公開的TSMU 10為低成本測量選擇。在編碼器讀取頭90與第二傳感器臂32一致地移動(dòng)且編碼器標(biāo)尺88與第一傳感器臂30一致地移動(dòng)的情況下，TSMU 10使用兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行其測量。測試經(jīng)常只需要第一傳感器臂30與第二傳感器臂32之間的距離的準(zhǔn)確測量，這是此實(shí)施例的架構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的。此方法還經(jīng)常僅需要一條信號(hào)纜線以離開TSMU 10，所述信號(hào)纜線可與通常供軸向應(yīng)變伸長計(jì)使用的輕型電纜相同或類似。

公開的配置對(duì)公開的實(shí)施例的使TSMU的封裝尺寸和質(zhì)量最小化的能力有顯著的幫助，由此允許更簡單和價(jià)廉得多的被動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)以最有效率地發(fā)揮功能，與較重的移動(dòng)組合件相比，這又可望允許在更精細(xì)的樣本上的恰當(dāng)使用。

如同公開的實(shí)施例的其他方面，運(yùn)動(dòng)被設(shè)計(jì)以使尺寸、質(zhì)量和成本最小化。公開的實(shí)施例使用單一致動(dòng)器(經(jīng)由機(jī)動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)軸桿59)以打開和合攏第一傳感器臂30和第二傳感器臂32。公開的實(shí)施例使用第一盤簧72和第二盤簧78而非致動(dòng)器來將第一傳感器臂30和第二傳感器臂32推動(dòng)到樣本。公開的實(shí)施例只使用致動(dòng)器來同時(shí)改變第一盤簧72和第二盤簧78的伸長率。一旦已由反作用于第一彈簧72和第二彈簧78的致動(dòng)器推動(dòng)第一傳感器臂30和第二傳感器臂32使之分開，電動(dòng)機(jī)簡單地驅(qū)動(dòng)回到其原位置。當(dāng)此發(fā)生時(shí)，第一彈簧72和第二彈簧78也迫使傳感器臂30、32返回到其原(或合攏)位置，除了當(dāng)與樣本接觸時(shí)中斷此運(yùn)動(dòng)之外。第一彈簧72和第二彈簧78確保當(dāng)樣本應(yīng)變時(shí)，傳感器臂30、32跟隨樣本而不滑脫。第一彈簧72和第二彈簧78提供必要的接觸力以防止滑脫。每一傳感器臂30、32跨騎在高準(zhǔn)確度、低摩擦的承載組合件上以使測量應(yīng)變時(shí)的摩擦損失和粘滑副作用最小化。

公開的實(shí)施例的此機(jī)構(gòu)還通過設(shè)計(jì)允許大量的前后樣本不對(duì)準(zhǔn)，而無不利的測試結(jié)果。兩個(gè)傳感器臂30、32可在相互接觸時(shí)從其原位置沿任一方向移動(dòng)若干毫米。

最后，公開的實(shí)施例使用低質(zhì)量、低成本正時(shí)皮帶，這可望進(jìn)一步有助于垂直被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的成功。

TSMU 10的封裝足夠緊湊，使得全部單元側(cè)向移動(dòng)進(jìn)入和離開測試區(qū)域。這允許傳感器臂30、32保持格外地短，這進(jìn)而使尺寸和質(zhì)量最小化，且減少歸因于偏轉(zhuǎn)的誤差。TSMU 10的這種側(cè)向運(yùn)動(dòng)使其進(jìn)入和離開其保護(hù)殼，從而對(duì)其提供額外保護(hù)，以免受源自激烈的樣本斷裂處的物理損壞。

公開的實(shí)施例希望提出一種新穎方法，該方法提供滿足最高測試標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，同時(shí)給出簡單、健全、靈巧和功能性增加的產(chǎn)品。

因此，若干前述目標(biāo)和優(yōu)勢被最有效地獲得。雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已在本文中詳細(xì)地公開和描述，但應(yīng)理解，本發(fā)明決不由此受限制。