微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，包括基座、隔振台、龙门架、上竖直方向微动平台、相机镜头组合体、下竖直方向微动平台、类桥式位移放大组件、左黏滑驱动器装配体、右黏滑驱动器装配体、压电叠堆驱动器和力传感器；左黏滑驱动器装配体设置有左微夹钳并固定于下竖直方向微动平台上，右黏滑驱动器装配体设置有右微夹钳并固定于类桥式位移放大组件上，左微夹钳与右微夹钳作为微纳纤维的两端夹持件；上竖直方向微动平台安装在龙门架上并与相机镜头组合体连接，压电叠堆驱动器设置在类桥式位移放大组件上并与力传感器连接。本发明专利技术具有效率高和通用性好的优点，可以在μN～mN尺度下间接获取微纳纤维受到的作用力。到的作用力。到的作用力。

【技术实现步骤摘要】
微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及微纳材料力学性能测量
，更具体地说，涉及一种微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]微纳纤维是指径向特征尺寸在微纳米尺度的纤维。在生物学、微机电系统传感器、材料科学等领域，微纳纤维是一种重要的基础结构或功能材料。弹性模量是描述固体材料抵抗变形能力的物理量，是影响微纳纤维应用效果的重要参数。但是，当材料的尺度缩小为微纳尺度时，其弹性模量明显偏离宏观材料的弹性模量，并且与材料尺寸有关。因此，对于不同尺寸不同材料的微纳纤维，在实际应用前都需要测量其弹性模量。
[0003]现有的微纳纤维测量系统与测量方法主要采用真空吸附、粘贴、电子束诱导沉积或冷焊固定样品等方法，然而，真空吸附方法易因密封不良影响固定的稳定性，粘贴方法固定耗时长且容易影响测量结果，电子束诱导沉积方法则对环境要求苛刻，而冷焊固定样品的方法易损害样品。
[0004]同时，在微纳纤维弹性模量测试过程中，需要获取微纳纤维受到的作用力，且该作用力处于μN～mN单位的尺度。但是，现有的力传感器在直接测量该尺度的力时，存在信噪比过低、电荷泄露、易受电磁干扰或响应速度慢等问题。因此，上述两类问题影响了微纳纤维弹性模量测量的精度、效率与通用性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，该测量系统具有效率高和通用性好的优点，可以在μN～mN尺度下间接获取微纳纤维受到的作用力，能解决力传感器信噪比过低、电荷泄露、易受电磁干扰或响应速度慢等问题，有利于多规格微纳纤维的快速弹性模量测量。本专利技术还提供一种实用性强和通用性强的微纳纤维弹性模量测量方法，从而提高微纳纤维弹性模量的测量精度和测量效率。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现：一种微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：包括基座、隔振台、龙门架、上竖直方向微动平台、相机镜头组合体、下竖直方向微动平台、类桥式位移放大组件、左黏滑驱动器装配体、右黏滑驱动器装配体、压电叠堆驱动器和力传感器；
[0007]所述基座与龙门架均固定在隔振台上，下竖直方向微动平台和类桥式位移放大组件均设置在基座上；所述左黏滑驱动器装配体设置有左微夹钳并固定于下竖直方向微动平台上，右黏滑驱动器装配体设置有右微夹钳并固定于类桥式位移放大组件上，左微夹钳的钳口与右微夹钳的钳口相对设置，且左微夹钳的对称轴与右微夹钳的对称轴共线；左微夹钳与右微夹钳作为微纳纤维的两端夹持件；
[0008]所述上竖直方向微动平台安装在龙门架上并与相机镜头组合体连接，相机镜头组
合体的轴线处于竖直方向，相机镜头组合体的轴线与右微夹钳的钳口相交；所述压电叠堆驱动器设置在类桥式位移放大组件上并与力传感器连接；类桥式位移放大组件的输出端与右黏滑驱动装配体连接；
[0009]工作时，通过调节上竖直方向调节平台和左微夹钳的位置，使得左微夹钳的钳口与右微夹钳的钳口处在相机镜头组合体的同一对焦平面内；采用左微夹钳与右微夹钳对微纳纤维进行夹持，并通过压电叠堆驱动器施加电压使类桥式位移放大组件带动右黏滑驱动器装配体运动，实现微纳纤维拉伸；此时通过相机镜头组合体采集图片以测量类桥式位移放大组件的输出端的位移，并利用力传感器获得微纳纤维的轴向拉伸力，以计算微纳纤维的弹性模量。
[0010]在上述方案中，本专利技术的测量系统可快速可靠计算微纳纤维的弹性模量，该测量系统通用性强和实用性强，具有效率高和通用性好的优点，可以在μN～mN尺度下间接获取微纳纤维受到的作用力，能解决力传感器信噪比过低、电荷泄露、易受电磁干扰或响应速度慢等问题，有利于多规格微纳纤维的快速弹性模量测量。
[0011]所述相机镜头组合体由工业摄像机、变焦镜头、定焦物镜从上之下联接而成；所述工业摄像机通过转接头与上竖直方向微动平台连接。
[0012]所述左黏滑驱动器装配体和右黏滑驱动器装配体结构相等，均包括探针、上转接板、上黏滑驱动器、中转接板和下黏滑驱动器；所述下黏滑驱动器的定子设置在下竖直方向微动平台上并与下黏滑驱动器的动子连接；所述中转接板分别与下黏滑驱动器的动子和上黏滑驱动器的定子连接；所述上黏滑驱动器的定子分别与上黏滑驱动器的动子和上转接板连接，左微夹钳/右微夹钳与上转接板连接，探针设置在上黏滑驱动器的动子上，并与左微夹钳/右微夹钳位于同一平面。
[0013]所述左微夹钳和右微夹钳结构相等，均是由框架、输入端结构、上输出端结构、下输出端结构、微夹钳左上变截面梁、微夹钳左下变截面梁、微夹钳右上变截面梁、微夹钳右下变截面梁、上夹持臂、下夹持臂、输入端结构上导向梁和输入端结构下导向梁组成的一体化上下对称结构；所述输入端结构通过输入端结构上导向梁和输入端结构下导向梁分别与框架连接，所述输入端结构上导向梁与输入端结构下导向梁均为固定
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导向柔性梁；所述输入端结构上导向梁与输入端结构下导向梁分布于输入端结构上下两侧；探针伸入左微夹钳/右微夹钳并与输入端结构的内侧面相触；
[0014]所述输入端结构、微夹钳左上变截面梁、上输出端结构、微夹钳右上变截面梁与框架依次一体化连接；所述输入端结构、微夹钳左下变截面梁、下输出端结构、微夹钳右下变截面梁与框架依次一体化连接；所述上夹持臂的一端与上输出端结构一体化连接，下夹持臂的一端与下输出端结构一体化连接，上夹持臂的另一端与下夹持臂的另一端构成夹持微纳纤维的钳口。
[0015]所述微夹钳左上变截面梁、微夹钳左下变截面梁、微夹钳右上变截面梁与微夹钳右下变截面梁结构相等，并共同组成完全对称结构；
[0016]所述微夹钳左上变截面梁由左柔顺铰链、左上等截面梁和右柔顺铰链依次一体化连接，且左柔顺铰链位于右柔顺铰链左下方；所述左柔顺铰链与输入端结构连接，右柔顺铰链与上输出端结构连接。
[0017]所述类桥式位移放大组件包括设置有类桥式位移放大机构基座和设置有内腔的
类桥式位移放大机构；所述类桥式位移放大机构通过类桥式位移放大机构基座设置在基座上；所述类桥式位移放大机构是由机构刚性框架、上刚性输入端结构、下刚性输入端结构、左刚性输出端结构、右刚性输出端结构、左上变截面梁、右上变截面梁、左下变截面梁、右下变截面梁、输入端结构导向梁组合和输出端结构导向梁组合组成的一体化结构；
[0018]所述上刚性输入端结构、左上变截面梁、左刚性输出端结构、左下变截面梁与下刚性输入端结构依次一体化连接；所述上刚性输入端结构、右上变截面梁、右刚性输出端结构、右下变截面梁与下刚性输入端结构依次一体化连接；
[0019]所述机构刚性框架与类桥式位移放大机构基座固定并与右刚性输出端结构一体化连接；所述左刚性输出端结构与右黏滑驱动装配体连接；所述上刚性输入端结构和下刚性输入端结构分别通过输入端结构导向梁组合与机构刚性框架连接；所述左刚性输出端结构通过输出端结构导向梁与机构刚性框架连接；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：包括基座、隔振台、龙门架、上竖直方向微动平台、相机镜头组合体、下竖直方向微动平台、类桥式位移放大组件、左黏滑驱动器装配体、右黏滑驱动器装配体、压电叠堆驱动器和力传感器；所述基座与龙门架均固定在隔振台上，下竖直方向微动平台和类桥式位移放大组件均设置在基座上；所述左黏滑驱动器装配体设置有左微夹钳并固定于下竖直方向微动平台上，右黏滑驱动器装配体设置有右微夹钳并固定于类桥式位移放大组件上，左微夹钳的钳口与右微夹钳的钳口相对设置，且左微夹钳的对称轴与右微夹钳的对称轴共线；左微夹钳与右微夹钳作为微纳纤维的两端夹持件；所述上竖直方向微动平台安装在龙门架上并与相机镜头组合体连接，相机镜头组合体的轴线处于竖直方向，相机镜头组合体的轴线与右微夹钳的钳口相交；所述压电叠堆驱动器设置在类桥式位移放大组件上并与力传感器连接；类桥式位移放大组件的输出端与右黏滑驱动装配体连接；工作时，通过调节上竖直方向调节平台和左微夹钳的位置，使得左微夹钳的钳口与右微夹钳的钳口处在相机镜头组合体的同一对焦平面内；采用左微夹钳与右微夹钳对微纳纤维进行夹持，并通过压电叠堆驱动器施加电压使类桥式位移放大组件带动右黏滑驱动器装配体运动，实现微纳纤维拉伸；此时通过相机镜头组合体采集图片以测量类桥式位移放大组件的输出端的位移，并利用力传感器获得微纳纤维的轴向拉伸力，以计算微纳纤维的弹性模量。2.根据权利要求1所述的微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：所述相机镜头组合体由工业摄像机、变焦镜头、定焦物镜从上之下联接而成；所述工业摄像机通过转接头与上竖直方向微动平台连接。3.根据权利要求1所述的微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：所述左黏滑驱动器装配体和右黏滑驱动器装配体结构相等，均包括探针、上转接板、上黏滑驱动器、中转接板和下黏滑驱动器；所述下黏滑驱动器的定子设置在下竖直方向微动平台上并与下黏滑驱动器的动子连接；所述中转接板分别与下黏滑驱动器的动子和上黏滑驱动器的定子连接；所述上黏滑驱动器的定子分别与上黏滑驱动器的动子和上转接板连接，左微夹钳/右微夹钳与上转接板连接，探针设置在上黏滑驱动器的动子上，并与左微夹钳/右微夹钳位于同一平面。4.根据权利要求3所述的微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：所述左微夹钳和右微夹钳结构相等，均是由框架、输入端结构、上输出端结构、下输出端结构、微夹钳左上变截面梁、微夹钳左下变截面梁、微夹钳右上变截面梁、微夹钳右下变截面梁、上夹持臂、下夹持臂、输入端结构上导向梁和输入端结构下导向梁组成的一体化上下对称结构；所述输入端结构通过输入端结构上导向梁和输入端结构下导向梁分别与框架连接，所述输入端结构上导向梁与输入端结构下导向梁均为固定
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导向柔性梁；所述输入端结构上导向梁与输入端结构下导向梁分布于输入端结构上下两侧；探针伸入左微夹钳/右微夹钳并与输入端结构的内侧面相触；所述输入端结构、微夹钳左上变截面梁、上输出端结构、微夹钳右上变截面梁与框架依次一体化连接；所述输入端结构、微夹钳左下变截面梁、下输出端结构、微夹钳右下变截面梁与框架依次一体化连接；所述上夹持臂的一端与上输出端结构一体化连接，下夹持臂的
一端与下输出端结构一体化连接，上夹持臂的另一端与下夹持臂的另一端构成夹持微纳纤维的钳口。5.根据权利要求4所述的微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：所述微夹钳左上变截面梁、微夹钳左下变截面梁、微夹钳右上变截面梁与微夹钳右下变截面梁结构相等，并共同组成完全对称结构；所述微夹钳左上变截面梁由左柔顺铰链、左上等截面梁和右柔顺铰链依次一体化连接，且左柔顺铰链位于右柔顺铰链左下方；所述左柔顺铰链与输入端结构连接，右柔顺铰链与上输出端结构连接。6.根据权利要求1所述的微纳纤维弹性模量的快速高精度通用测量系统，其特征在于：所述类桥式位移放大组件包括设置有类桥式位移放大机构基座和设置有内腔的类桥式位移放大机构；所述类桥式位移放大机构通过类桥式位移放大机构基座设置在基座上；所述类桥式位移放大机构是由机构刚性框架、上刚性输入端结构、下刚性输入端结构、左刚性输出端结构、右刚性输出端结构、左上变截面梁、右上变截面梁、左下变截面梁、右下变截面梁、输入端结构导向梁组合和输出端结构导向梁组合组成的一体化结构；所述上刚性输入端结构、左上变截面梁、左刚性输出端结构、左下变截面梁与下刚性输入端结构依次一体化连接；所述上刚性输入端结构、右上变截面梁、右刚性输出端结构、右下变截面梁与下刚性输入端结构依次一体化连接；所述机...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈为林，范祖阳，卢清华，亢诗迪，孔垂旺，罗陆锋，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：