专利名称：一种高分辨力变量程微尺度材料试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于微尺度材料力学性能测试的仪器。特别涉及一种可变量程，可以进行拉、压两种方式测试的材料试验机，可在10_6N IO1N范围内进行微尺度力学性能测试。
背景技术：
随着科技的发展，微机械(MEMS)技术、生物纳米技术等以其独特的优势得到愈来愈快的发展，这些技术所用材料的力学性能是决定技术能否安全、可靠使用的关键。这些材料属于微尺度材料，力学性能测试涉及10_6N KT1N范围，传统的材料试验机受到结构及原理的限制，不能满足测量要求，因而迫切需要研制出新的高精度的微尺度材料试验机。目前用于微尺度材料力学测试的仪器主要两种(I)小型化的材料试验机。这种 仪器多采用马达驱动、应变式力传感器测量力。典型代表有INSTR0N5848Micro Tester和束纤维强力仪(斯特洛仪)。其中，INSTRON 5848Micro Tester载荷量程范围在100N 103N，最小分辨率可达0.01N，位移范围在IlOmm以内；束纤维强力仪(斯特洛仪)通常量程在KT1N IO2N,最小分辨力可达0. 001N，位移测量范围较大，只能进行拉伸测试而不能进行压缩测试。以上两种小型材料试验机的共同的不足是分辨力低，不能满足微米量级力的测试要求。⑵电磁式微力学测试仪。此种测试仪采用电磁驱动兼载荷计量，利用通电线圈在磁场中受力的原理，通过测量和控制线圈中电流来测量和施加微小载荷。这类仪器量程范围在10_3N 10°N，能够实现微力的测量，但受磁场均匀性的限制，位移测量的范围收到限制，对于小力大变形的测试不能有效的实现。

发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可以实现变量程微尺度力学性能测试的材料试验机，具有高分辨力，能够方便地测量小力/小变形和小力/大变形两种极端的情况。本发明提供的一种高分辨力变量程微尺度材料试验机包括支架、升降机构、位移传感器、具有一定重量的重力块和电子天平，升降机构安装在支架上，位移传感器的一端设置在升降机构上，所述升降机构用于在高度方向上对位移传感器进行举升；位移传感器的另一端固定有第一夹具，重力块置于电子天平上，重力块上安装有第二夹具，当测量10_6N IN的载荷时,试样夹持在第一夹具和第二夹具之间。优选地，还包括力传感器，该力传感器设置在支架上，该力传感器上设置有第三夹具，当测量IN ION量级的载荷时，所述试样夹持在第一夹具和第三夹具之间。优选地，还包括信号采集器、通讯单元和计算机，所述信号采集器采集所述位移传感器测量的数据，并将采集的数据信号通过通讯单元传递给所述计算机，所述计算机再结合所述电子天平或力传感器测量的数据进行处理。本发明具有如下优点
I、可以实现微尺度测量，测量范围为10_6N IO1N量级；2、使用天平和力传感器两种方法来测量力，可以实现变量程测量。其中天平的分辨力可以很小，有些电子天平的可读性可达0. Olmg,故试验机分辨力可到10_6N量级，量程约为IN。载荷传感器则可测量IO1N范围的力。3、位移大行程，位移范围可在10° IO1mm,对于小载荷大变形和小载荷小变形两种极端情况的测量提供了解决方案。
4、变量程分别使用电子天平和力传感器，原理变化大，仪器本身变化却很小，控制部分具有良好的兼容性，实现一机多用。5、可以进行拉、压两种形式的测试。6、与强力机比较用于纤维材料的强力机(斯特洛仪)通常量程在KT1 IO2N,分辨力约为0. 001 IN，分辨力低，不能满足高分辨力，微小力的测量。且强力机只能进行拉伸测试，而不能进行压缩的测试。7、与之前电磁控制的仪器相比优势本发明不受磁场均匀性的控制，位移测量范围大大增加。


图I为本发明结构示意图。
具体实施例方式下面结合图I对本发明的一个优选实施例进行详细说明本发明的主机部分如图I所示，包括支架I、电控平移台2、位移传感器3、第一夹具71、第二夹具72、第三夹具73、重力块4、电子天平5和力传感器6。支架I由机架底座
11、机架立板12和横梁13组成，位移传感器3的一端安装在电控平移台2上，另一端安装第一夹具71 ；电子平台5放置在机架底座11上，重力块4放置在电子天平5上，第二夹具72安装在重力块4上，当需要测量10_6N IN的载荷时，试样8夹持在第一夹具71和第二夹具72之间。另外，在机架底座11上还设置有力传感器9，第三夹具73设置在力传感器3上，当测量IN ION量级的载荷时，试样8夹持在第一夹具71和第三夹具73之间。在本发明实施例中，驱动器为卓立汉光公司的TSA30-C系列电控平移台2，平移台2的驱动为步进电机驱动。位移传感器3为Schaevitz Sensors公司生产的DC-EC125MC电感式位移传感器，量程为±3mm。测力包含两种形式，一种是使用电子天平5，另一种是力传感器9。本发明实施例使用一种Sartorius系列电子天平BSA124S-CW,可读性为0. Img ;另一种是用高精度的力传感器，本发明使用FUTEK公司生产的LSB200系列力传感器，量程为251b (约为 111. 25N)。信号采集单元与通信模块包括两部分，电感式位移传感器以及LSB200系列力传感器所得的标准电信号通过数据采集卡进入计算机，数据采集卡使用中泰研创公司的USB7325B多功能数据采集卡；BSA124S_CW电子天平数据与计算机间使用VISA串口通信模式。驱动控制部分使用SC300-2A平移台控制箱，SC300-2A通过串口与计算机相连，用软件界面实现对驱动器的控制。计算机部分使用LabVIEW语言进行软件编程，实现数据采集及处理，并将多路信号保存于同一文件，为后续数据分析提供方便。
其中，为保证整个仪器的水平性，支架I放在光学平台上。机架立板12通过螺栓或销钉连接在机架底座11上，机架立板12与机架底座11相互垂直。横梁13通过销接并用螺栓连接至机架立板12上，横梁13与机架立板12相互垂直。电控平移台2的外壳固定在横梁13上，保证电控平移台2的运动方向与机架立板12平行，即在竖直方向运动。电感式位移传感器拉伸头的一端与电控平移台2固定在一起，另一端通过第一夹具71与样品8相连，这样位移传感器3则可测得样品8的位移。本发明实施例利用天平测力的基本原理，将样品8与重力块4相连，重力块4放在电子天平5上，当有拉力或压力作用在样品上时，重力块4的重力会发生变化，天平5的示数即发生变化，将天平5示数的变化量乘以当地的重力加速度即为施加载荷大小，F =Am. go由于天平5的可读性可以达到0. Olmg甚至更小，因而力的分辨力可以达到10_7N，这样即可实现10_7N量级微小力的测量。因此，通过电子天平5和力传感器9，本发明可以实现微尺度测量，测量范围为 10_6N IO1N量级。此外，本发明位移范围可在10° IO1mm,对于小载荷大变形和小载荷小变形两种极端情况的测量提供了解决方案。
权利要求
1.一种高分辨力变量程微尺度材料试验机，其特征在于，包括支架、升降机构、位移传感器、具有一定重量的重力块和电子天平，升降机构安装在支架上，位移传感器的一端设置在升降机构上，所述升降机构用于在高度方向上对位移传感器进行举升；位移传感器的另一端固定有第一夹具，重力块置于电子天平上，重力块上安装有第二夹具，当测量10_6N IN的载荷时,试样夹持在第一夹具和第二夹具之间。
2.如权利要求I所述的试验机，其特征在于，还包括力传感器，该力传感器设置在支架上，该力传感器上设置有第三夹具，当测量IN ION量级的载荷时，所述试样夹持在第一夹具和第二夹具之间。
3.如权利要求2所述的试验机，其特征在于，还包括信号采集器、通讯单元和计算机，所述信号采集器采集所述位移传感器测量的数据，并将采集的数据信号通过通讯单元传递给所述计算机，所述计算机再结合所述电子天平或力传感器测量的数据进行处理。
全文摘要
本发明公开了一种高分辨力变量程微尺度材料试验机，包括支架、升降机构、位移传感器、具有一定重量的重力块和电子天平，升降机构安装在支架上，位移传感器的一端设置在升降机构上，所述升降机构用于在高度方向上对位移传感器进行举升；位移传感器的另一端固定有第一夹具，重力块置于电子天平上，重力块上安装有第二夹具，当测量10-6N～1N的载荷时，试样夹持在第一夹具和第二夹具之间。本发明可以实现微尺度测量，测量范围为10-6N～101N量级。
文档编号G01L1/00GK102636390SQ20121012233
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者代玉静, 邵亚琪, 郇勇 申请人:中国科学院力学研究所