本發(fā)明涉及對彈性體材料在不同拉伸狀態(tài)下進行表面形貌變化觀察時使用的光學(xué)顯微鏡上的小型拉伸儀。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的普通拉伸儀器只能對樣品進行宏觀力學(xué)測試，而高分子彈性體材料的力學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)變化等密切相關(guān)，因此將材料力學(xué)性能變化過程與材料結(jié)構(gòu)等結(jié)合起來進行研究，有利于對高分子材料進行更加深入的研究。雖然也有一些將材料力學(xué)性能與微觀尺度結(jié)合起來進行研究的測試裝置，例如下表中的發(fā)明：

但主要都是針對紅外光譜測量儀、掃描電鏡這種樣品池空間極其有限的儀器，高分子彈性體材料在拉伸過程中形變量較大，受限于樣品池的容積限制，上表中的裝置并不能完整的觀察到材料從拉伸至拉斷的整個變化過程，而且使用掃描電鏡觀察樣品前需要對樣品表面進行噴金等處理，也會影響對材料真實形貌的觀察。光學(xué)顯微鏡可以在開放式的環(huán)境中使用，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于樣品的尺寸要求等并不十分嚴格，對樣品的橫向尺寸沒有限制，而且隨著技術(shù)發(fā)展，光學(xué)顯微鏡也能夠達到很高的分辨率，特別是超景深光學(xué)顯微鏡和激光共聚焦掃描顯微鏡，不僅可以滿足對材料微觀形貌結(jié)構(gòu)的觀察要求，而且可以進行材料表面形貌的三維幾何測量，為材料表面形貌觀察研究提供了全新的視野。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決材料在拉伸過程中用光學(xué)顯微鏡的觀測分析問題，不改變現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡的任何結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒗煸囼瀮x架設(shè)在顯微鏡上，使拉伸過程中的試樣處于顯微鏡的鏡頭下，且不影響顯微鏡使用過程中的操作。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于光學(xué)顯微鏡拉伸儀上的樣品固定夾具，其與所夾持試樣接觸的夾持面為V形、圓弧形或梯形。

進一步地，所述樣品固定夾具包括上夾頭和下夾頭，所述上夾頭和下夾頭通過擰緊緊固螺絲來夾緊樣品。當(dāng)擰緊緊固螺絲時，緊固螺絲會帶動上夾頭沿著緊固螺絲的方向做靠近下夾頭的軸向移動，起到夾緊樣品的作用。所述上夾頭的夾持面和下夾頭的夾持面相適配，形成與所夾持試樣接觸的夾持面為V形、圓弧形或梯形的樣品固定夾具。

進一步地，所述樣品固定夾具的上夾頭和下夾頭的夾持面上分別設(shè)有牙紋。

本發(fā)明還提供一種適配于光學(xué)顯微鏡上的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，其包括上述的樣品固定夾具、固定架、拉力傳感器、驅(qū)動機構(gòu)和雙向拉伸機構(gòu)；

所述樣品固定夾具由樣品固定夾具Ⅰ和樣品固定夾具Ⅱ組成；所述雙向拉伸機構(gòu)包括傳動部、側(cè)板Ⅰ側(cè)板Ⅱ；所述驅(qū)動機構(gòu)連接所述傳動部，帶動所述側(cè)板Ⅰ和側(cè)板Ⅱ做相反方向的位移移動；所述樣品固定夾具Ⅰ與所述側(cè)板Ⅰ固定連接，所述樣品固定夾具Ⅱ與所述側(cè)板Ⅱ固定連接，所述拉力傳感器固定連接于樣品固定夾具Ⅰ與側(cè)板Ⅰ之間或樣品固定夾具Ⅱ與側(cè)板Ⅱ之間。優(yōu)選地，所述拉力傳感器固定連接于樣品固定夾具Ⅱ與側(cè)板Ⅱ之間，即所述拉力傳感器的一端固定連接于樣品固定夾具Ⅱ，另一端固定連接于側(cè)板Ⅱ，測試樣品的拉伸載荷。

進一步地，所述驅(qū)動機構(gòu)包括閉環(huán)式步進電機、波紋管聯(lián)軸器；

所述傳動部包括螺母Ⅰ、螺母Ⅱ和左右旋螺桿，螺母Ⅰ和螺母Ⅱ與左右旋螺桿以螺紋連接的方式連接；所述閉環(huán)式步進電機和所述左右旋螺桿通過波紋管聯(lián)軸器固定連接；所述樣品固定夾具Ⅰ通過側(cè)板Ⅰ固定連接螺母Ⅰ，所述樣品固定夾具Ⅱ通過側(cè)板Ⅱ固定連接螺母Ⅱ。優(yōu)選地，樣品固定夾具Ⅱ通過拉力傳感器和側(cè)板Ⅱ固定連接螺母Ⅱ。

進一步地，所述的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，還包括支撐座、固定座、光桿、固定架和支架；所述光桿穿連所述支撐座、固定座，與側(cè)板Ⅰ和側(cè)板Ⅱ滑動連接；所述左右旋螺桿穿過所述支撐座和固定座與所述波紋管聯(lián)軸器固定連接；所述支撐座、固定座和驅(qū)動機構(gòu)固定設(shè)置在固定架上；所述支架為方形支架，所述固定架焊接固定在所述支架上。

本發(fā)明所述的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，還包括步進電機控制器，可對步進電機驅(qū)動器按要求發(fā)出指令，控制步進電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而控制試樣的拉伸速度和拉伸距離，所以拉伸速度、拉伸位移、初始拉伸長度等參數(shù)都可以根據(jù)試樣的情況靈活調(diào)節(jié)。拉伸結(jié)束之后通過控制器的程序設(shè)定可實現(xiàn)拉伸裝置的快速回位。數(shù)據(jù)采集卡可實時高精度高頻率的采集S型拉力傳感器的模擬信號，將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后通過USB數(shù)據(jù)線導(dǎo)入到電腦上，在電腦上通過工程上常用的Labview等軟件對試驗數(shù)據(jù)進行采集處理與分析。

本發(fā)明所述的顯微鏡拉伸儀的使用原理以及方法如下：將拉伸試樣的一端固定在樣品固定夾具Ⅰ，另一端固定在樣品固定夾具Ⅱ，驅(qū)動閉環(huán)式步進電機，步進電機發(fā)生轉(zhuǎn)動，波紋管聯(lián)軸器開始旋轉(zhuǎn)，帶動與其固定連接的左右旋螺桿轉(zhuǎn)動，這又會帶動與左右旋螺桿滑動連接的兩個螺母分別向相對相反的方向等速等距移動，螺母帶動兩個側(cè)板和兩個樣品固定夾具也向相對相反方向等速等距運動，從而將拉伸試樣拉長，且試樣中心位置保持不變。

本發(fā)明專門設(shè)計了針對于光學(xué)顯微鏡(包括超景深光學(xué)顯微鏡和激光共聚焦掃描顯微鏡)使用的便攜式顯微鏡拉伸儀，克服了之前的一些測試儀器在測量材料的力學(xué)性能的同時進行材料微觀組織形貌觀察的弊端：

(1)特有的異形樣品固定夾具，能保證高分子彈性體材料在拉伸過程中不會因為變薄而脫出，對變形率很高的高分子彈性體材料進行完整的拉伸實驗；

(2)能夠適配于實驗室中的一系列光學(xué)顯微鏡，操作方便，無需對光學(xué)顯微鏡進行改動等，使用時，對好位置，水平向前將便攜式顯微鏡拉伸儀推入光學(xué)顯微鏡的鏡頭下面，使試樣處于光學(xué)顯微鏡鏡頭的觀察視野中即可。

(3)步進電機可通過程序控制其轉(zhuǎn)速和步數(shù)，從而間接控制樣品固定夾具夾著試樣進行特定拉伸速度、特定拉伸長度的拉伸試驗，拉伸過程可通過應(yīng)力傳感器與電機運轉(zhuǎn)步數(shù)換算得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并觀察到試樣在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某一點對應(yīng)的表面形貌，這對于研究材料拉伸過程的組織形貌變化和分析材料斷裂過程具有重要意義。

(4)由于步進電機控制器的可靈活編程，可將拉力傳感器和步進電機整合在一起，通過編程可以進行有特殊要求的實驗，例如讓試樣保持恒定應(yīng)變量，觀察試樣的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，讓試樣兩端加載的載荷保持恒定，觀察試樣在恒定載荷下的蠕變特性等。

(5)高分子彈性體材料在拉伸過程中形變量較大，在拉伸過程中試樣易從夾具滑出，致使所測形變量與材料真實形變量不符，而且還會出現(xiàn)試樣從夾具滑脫的現(xiàn)象，致使拉伸試驗不能正常進行，本發(fā)明對夾具進行了優(yōu)化，設(shè)計的V形夾具有效避免了高分子彈性體材料拉伸過程中從夾具滑出和滑脫的現(xiàn)象。

(6)光學(xué)顯微鏡對樣品的尺寸限制并不嚴格，在水平空間上沒有限制，有效拉伸長度較大，能夠滿足高分子彈性體材料拉伸的要求，且能夠保持高分子彈性體在拉伸過程中其中心位置相對光學(xué)顯微鏡鏡頭保持不變，滿足原位觀察的需求。采用該設(shè)備進行原位動態(tài)觀察，在進行試樣拉伸試驗的過程中，可以在顯微鏡上實時看到拉伸試樣的表面形貌變化、發(fā)生的分子取向、拉伸過程中材料出現(xiàn)結(jié)晶等現(xiàn)象，獲得高分子材料拉伸過程中每一瞬間發(fā)生的變化，并將該瞬間材料發(fā)生的變化與測量得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的某一點直接對應(yīng)起來。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的樣品固定夾具示意圖，其中A為V形樣品固定夾具，B為圓弧形樣品固定夾具，C為梯形樣品固定夾具；

圖2為本發(fā)明拉伸儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明拉伸儀步進電機控制箱；

圖4為本發(fā)明拉伸儀用于激光共聚焦顯微鏡時的示意圖；

圖5為本發(fā)明拉伸儀用于普通光學(xué)顯微鏡時的示意圖；

1、支撐座；

2、左右旋螺桿；

3、光桿；

4、側(cè)板Ⅰ；

5、夾具Ⅰ下夾頭；

6、夾具Ⅰ上夾頭；

7、夾具Ⅱ上夾頭；

8、夾具Ⅱ下夾頭；

9、拉力傳感器；

10、側(cè)板Ⅱ；

11、固定座；

12、波紋管聯(lián)軸器；

13、閉環(huán)式步進電機；

14、步進電機編碼線接口；

15、步進電機供電接口；

16、螺母Ⅰ；

17、拉力傳感器數(shù)據(jù)線接口；

18、螺母Ⅱ；

19、固定架；

20、電機支架；

21、支架；

22、拉力傳感器數(shù)據(jù)線接口；

23、步進電機編碼線接口；

24、步進電機供電接口；

25、總電源開關(guān)；

26、顯示控制區(qū)域；

27、USB數(shù)據(jù)線接口。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的適配于光學(xué)顯微鏡上的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，其包括樣品固定夾具、固定架、拉力傳感器、驅(qū)動機構(gòu)和雙向拉伸機構(gòu)；所述樣品固定夾具由樣品固定夾具Ⅰ和樣品固定夾具Ⅱ組成；所述雙向拉伸機構(gòu)包括傳動部、側(cè)板Ⅰ側(cè)板Ⅱ；所述驅(qū)動機構(gòu)連接所述傳動部，帶動所述側(cè)板Ⅰ和側(cè)板Ⅱ做相反方向的位移移動；所述樣品固定夾具Ⅰ與所述側(cè)板Ⅰ固定連接，所述樣品固定夾具Ⅱ與所述拉力傳感器固定連接，所述拉力傳感器與所述側(cè)板Ⅱ固定連接。

所述樣品固定夾具Ⅰ具有上夾頭和下夾頭，所述上夾頭和下夾頭通過擰緊緊固螺絲來夾緊樣品。當(dāng)擰緊緊固螺絲時，緊固螺絲會帶動上夾頭沿著緊固螺絲的方向做靠近下夾頭的軸向移動，起到夾緊樣品的作用。所述上夾頭的夾持面和下夾頭的夾持面相適配，形成與所夾持試樣接觸的夾持面為V形、圓弧形或梯形的樣品固定夾具。上夾頭和下夾頭的夾持面上分別設(shè)有牙紋，提高拉伸樣品的固定效果。

所述驅(qū)動機構(gòu)包括閉環(huán)式步進電機、波紋管聯(lián)軸器；所述傳動部包括螺母Ⅰ、螺母Ⅱ和左右旋螺桿，螺母Ⅰ和螺母Ⅱ與左右旋螺桿采用螺紋連接的方式連接；所述閉環(huán)式步進電機的輸出端與波紋管聯(lián)軸器固定連接，波紋管聯(lián)軸器與電機聯(lián)動，所述波紋管聯(lián)軸器與所述左右旋螺桿固定連接，可帶動左右旋螺桿旋轉(zhuǎn)；所述樣品固定夾具Ⅰ的下夾頭和螺母Ⅰ固定連接在側(cè)板Ⅰ的立面上，所述樣品固定夾具Ⅱ通過拉力傳感器固定在所述側(cè)板Ⅱ的立面上，即所述拉力傳感器的一端固定連接于樣品固定夾具Ⅱ，另一端固定連接于側(cè)板Ⅱ，測試樣品的拉伸強度。同樣所述拉力傳感器可固定連接在樣品固定夾具Ⅰ與側(cè)板Ⅰ之間。

如圖2所示，所述的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，還包括支撐座、固定座、光桿、固定架和支架；所述光桿穿連所述支撐座、固定座，與側(cè)板Ⅰ和側(cè)板Ⅱ滑動連接；所述左右旋螺桿穿過所述支撐座和固定座與所述波紋管聯(lián)軸器固定連接；所述支撐座、固定座和驅(qū)動機構(gòu)固定設(shè)置在固定架上；所述支架為方形支架，所述固定架設(shè)置在所述支架上。

本發(fā)明所述光學(xué)顯微鏡拉伸儀能夠適配于實驗室中的一系列光學(xué)顯微鏡，操作方便，無需對光學(xué)顯微鏡進行改動等，使用時，對好位置，水平向前將便攜式顯微鏡拉伸儀推入光學(xué)顯微鏡的鏡頭下面，使試樣處于光學(xué)顯微鏡鏡頭的觀察視野中即可。

利用本發(fā)明所述光學(xué)顯微鏡拉伸儀進行檢測時：將拉伸試樣的一端固定在樣品固定夾具Ⅰ，另一端固定在樣品固定夾具Ⅱ，驅(qū)動閉環(huán)式步進電機，步進電機發(fā)生轉(zhuǎn)動，波紋管聯(lián)軸器開始旋轉(zhuǎn)，帶動與其固定連接的左右旋螺桿轉(zhuǎn)動，這又會帶動與左右旋螺桿螺紋連接的兩個螺母分別向相對相反的方向等速等距移動，螺母帶動兩個側(cè)板和兩個樣品固定夾具也向相對相反方向等速等距運動，從而將拉伸試樣拉長，且試樣中心位置保持不變。

如圖3所示，本發(fā)明所述的光學(xué)顯微鏡拉伸儀，還包括步進電機控制箱，可控制步進電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而控制試樣的拉伸速度和拉伸距離，所以拉伸速度、拉伸位移、初始拉伸長度等參數(shù)都可以根據(jù)試樣的情況靈活調(diào)節(jié)。拉伸試驗結(jié)束之后通過控制器的程序設(shè)定可實現(xiàn)拉伸裝置的快速回位?？刂葡渲袃?nèi)置的數(shù)據(jù)采集卡可實時高精度高頻率的采集S型拉力傳感器的模擬信號，將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后通過USB數(shù)據(jù)線導(dǎo)入到電腦上，在電腦上通過工程上常用的Labview等軟件對試驗數(shù)據(jù)進行采集處理與分析。圖3中所標示的拉力傳感器數(shù)據(jù)線接口與圖2中的拉力傳感器數(shù)據(jù)線接口相連，步進電機編碼線接口與圖2中的步進電機編碼線接口相連，步進電機供電接口與圖2中的步進電機供電接口相連，顯示控制區(qū)域為步進電機控制器的操作面板，圖中的USB數(shù)據(jù)線接口可以連在電腦上用于輸出數(shù)據(jù)采集卡采集到的拉力傳感器的數(shù)據(jù)。

圖4為本發(fā)明拉伸儀用于激光共聚焦顯微鏡時的示意圖，圖5為本發(fā)明拉伸儀用于普通光學(xué)顯微鏡時的示意圖。如圖4和圖5，在使用便攜式顯微鏡拉伸儀時，只需將其推入到顯微鏡鏡頭下方并做調(diào)整，使試樣中心正好置于顯微鏡的鏡頭下方即可。適用于其他顯微鏡時可參照圖4和圖5中的操作方法。