一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统及疲劳测试方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，包括压电致动单元、力传感器、试件夹持组件、支撑组件、超景深显微镜和信号采集单元；本发明专利技术采用压电促动器作为驱动源，利用桥式位移放大机构实现较大的位移载荷输出，通过超景深显微镜对被测试件进行原位观测，力传感器实时采集试件在试验过程中的力载荷信号并传递给信号采集单元的数据采集卡，数据采集卡将收到的数据传递给上位机并与预设载荷信号进行对比，通过调节改变信号输出对压电制动单元实施精确控制，通过数字图像相关法分析疲劳过程中试件的全场变形和应变变化情况，实现定量分析局部损伤演化导致试样整体及局部的应变演化规律。体及局部的应变演化规律。体及局部的应变演化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统及疲劳测试方法


[0001]本专利技术属于精密驱动领域，特别涉及材料原位疲劳测试及损伤观测领域，具体涉及一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统及测试方法。

技术介绍

[0002]疲劳是引起工程结构失效的最主要原因之一。材料的疲劳是指材料在交变载荷作用下发生的性能变化。据统计，在工程上由于疲劳失效而引起的结构破坏损失占总经济损失的80％。因此，关于材料疲劳的研究逐渐发展成为科学研究和应用研究的一个主要领域。科研人员在疲劳现象观察、疲劳规律研究、疲劳机理认识、疲劳寿命预估以及抗疲劳设计等方面都积累了非常丰富的经验，然而由于新工艺、新材料的不断涌现，以及工程结构服役环境的日益严酷，在工程设计中仍需依靠大量疲劳试验所测得的数据作为设计依据。
[0003]近年来，随着显微成像技术的发展，人们开始通过观察材料的微观变化来解释宏观现象，而现有的疲劳试验装置由于体积较大，无法很好地与原位观测技术结合，因此越来越多的试验装置开始向小型化、微型化发展。压电材料作为一种频率范围广、位移精确、响应速率快并且线性度很好的新型材料，被广泛地应用于换能器、传感器和驱动器等诸多领域。采用压电材料可以有效减小驱动装置的体积并精确快速地输出载荷，是小型试验装置的理想驱动源。
[0004]数字图像相关法作为一种无接触式的光学测量方法，通过对物体表面的天然散斑或人工喷洒的散斑状态提取灰度图像信息，比较变形前后的灰度图像信息来计算全场位移及应力应变情况。相比于传统的测量方式，其具有光路简单、速度快、精度高、环境适用性强等优越性，在材料测试领域被广泛应用。
[0005]现有的疲劳试验主要在电液伺服或电机驱动的疲劳试验机上进行，由于这类试验机的试验载荷较大，难以用于微小尺寸试样的疲劳性能测试，且试验机通常是立式结构、体积较大，与现有光学观测设备要求的小尺寸卧式试样难以兼容，限制了数字图像相关法的适用性与稳定性。另外，当前常用的微小疲劳试验装置未能较好地与数字图像相关法结合，其主要难点在于疲劳试验装置与光学观测装置的匹配性设计、试样表面观测区域的图像稳定性等问题。因此，研制一款能良好的结合数字图像相关法的压电制动原位疲劳测试系统具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：为解决现有疲劳试验装置实用性低的问题，本专利技术提供一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，包括压电致动单元、力传感器3、试件夹持组件、支撑组件、超景深显微镜14和信号采集单元；
[0008]所述试件夹持组件一端固定连接在支撑组件一端，且靠近超景深显微镜14，试件夹持组件另一端能够沿支撑组件线性运动；试件夹持组件另一端与力传感器3一端同轴固定连接，力传感器3另一端与压电致动单元一端同轴固定连接，压电制动单元另一端与支撑组件另一端固定连接；
[0009]所述压电致动单元、力传感器3和试件夹持组件安装在支撑组件上，支撑组件安装在超景深显微镜14的底座上；
[0010]所述压电致动单元包括压电促动器1和位移放大机构2，压电促动器安装在位移放大机构2上，位移放大机构2一端与力传感器3同轴固定连接，另一端与支撑组件固定连接；压电促动器1的载荷输入方向与试件长度方向垂直，并能够引起位移放大机构2沿试件长度方向发生位移，使得力传感器3获得施加载荷，施加载荷通过试件夹持组件传递到试件6上；
[0011]所述信号采集单元包括数据采集卡、信号放大器、压电控制器和上位机；力传感器3用于采集试件在试验过程中的力载荷信号并传递给数据采集卡，数据采集卡将收到的数据传递给上位机并与预设载荷信号进行对比，通过调节改变信号输出实现对压电制动单元实施精确的控制。
[0012]进一步的，所述压电促动器1由压电叠堆封装而成，位移放大机构2采用加入了柔性铰链的桥式位移放大机构。
[0013]进一步的，所述支撑组件包括U型垫板9、滚珠滑块10、线性导轨11和底部基座12；两条线性导轨11与底部基座12螺纹连接，线性导轨11用于保障传动平行，避免试件发生面外弯曲和扭转；两块滚珠滑块10分别与线性导轨11滑动配合连接，U型垫板9与试件夹持单元一端连接，保证结构的传载路径保持水平；底部基座12一侧与位移放大机构2固定连接，另一侧通过U型垫板9、滚珠滑块10和线性导轨11与试件夹持单元另一端连接。
[0014]进一步的，所述试件夹持组件包括第一夹具体4、第一压板5、第二压板7和第二夹具体8；第一夹具体4与第二夹具体8上对称开设台阶结构，台阶面上分别设置有用于夹持试件的凹槽；第一压板5、第二压板7分别固定安装在与第一夹具体4、第二夹具体8的台阶面上，将试件紧压在凹槽内。
[0015]基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统进行疲劳测试方法，具体包括以下步骤：
[0016]步骤一、在试件表面预制散斑；将试件放入试件夹持组件中并压紧；
[0017]步骤二、压电促动器1驱动位移放大机构2输出载荷，对试件进行循环疲劳加载；
[0018]步骤三、利用超景深显微镜对试件进行疲劳试验原位观测，实时监测裂纹的萌生与扩展情况，获取试件疲劳试验过程中的表面灰度图像；
[0019]步骤四、根据步骤三得到的试件疲劳试验过程中的表面灰度图像，结合数字图像相关法分析获得试件表面变形和应变分布。
[0020]进一步的，步骤二具体包括以下子步骤：
[0021]子步骤1、压电控制器控制压电促动器进行加载，具体加载过程为：(1)进行循环载荷的偏置加载：压电促动器位移逐步增加，直至载荷信号到达预设循环载荷峰值和谷值的平均值；(2)进行循环幅值加载：根据预设频率逐渐增加正弦波形的幅值，直至到达预设幅值载荷；(3)进行循环稳定加载：保持加载幅值；
[0022]子步骤2、在循环稳定加载阶段，压电控制器对压电促动器输出电压进行反馈调
节；
[0023]子步骤3、在稳定循环加载周次达到预定值时，暂停循环，通过压电控制器固定压电促动器的输出电压，保持峰值载荷，实现位移放大机构输出位移的固定维持。
[0024]进一步的，在循环稳定加载阶段，压电控制器对压电促动器输出电压进行反馈调节方法为：设定载荷幅值的允许误差值；在循环加载过程中，信号采集单元实时采集载荷幅值信号；当采集的载荷幅值高于或低于预设载荷幅，且实际误差值大于允许误差值时，在下一个加载循环过程中减小或增加输出位移量，减小或增加的位移量在0.05μm～1μm范围内，依据电压与输出位移的关系确定应减小或增加的输出电压；当实际误差值小于允许误差值时，则输出电压不做调整。
[0025]专利技术效果
[0026]本专利技术的有益效果在于：
[0027]1、本专利技术通过放大机构以及研制的原位疲劳试验装置，大大提高了输出载荷，能够针对多种材料进行疲劳试验，同时通过开发的控制系统可以施加多种形式的载荷，完善并拓展了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，其特征在于：包括压电致动单元、力传感器(3)、试件夹持组件、支撑组件、超景深显微镜(14)和信号采集单元；所述试件夹持组件一端固定连接在支撑组件一端，且靠近超景深显微镜(14)，试件夹持组件另一端能够沿支撑组件线性运动；试件夹持组件另一端与力传感器(3)一端同轴固定连接，力传感器(3)另一端与压电致动单元一端同轴固定连接，压电制动单元另一端与支撑组件另一端固定连接；所述压电致动单元、力传感器(3)和试件夹持组件安装在支撑组件上，支撑组件安装在超景深显微镜(14)的底座上；所述压电致动单元包括压电促动器(1)和位移放大机构(2)，压电促动器安装在位移放大机构(2)上，位移放大机构(2)一端与力传感器(3)固定连接，另一端与支撑组件固定连接；压电促动器(1)的载荷输入方向与试件长度方向垂直，并能够引起位移放大机构(2)沿试件长度方向发生位移，使得力传感器(3)获得施加载荷，施加载荷通过试件夹持组件传递到试件上；所述信号采集单元包括数据采集卡、信号放大器、压电控制器和上位机；力传感器(3)用于采集试件在试验过程中的力载荷信号并传递给数据采集卡，数据采集卡将收到的数据传递给上位机并与预设载荷信号进行对比，通过调节改变信号输出实现对压电制动单元的精确控制。2.如权利要求1所述的一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，其特征在于：所述压电促动器(1)由压电叠堆封装而成，位移放大机构(2)采用加入了柔性铰链的桥式位移放大机构。3.如权利要求1所述的一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，其特征在于：所述支撑组件包括U型垫板(9)、滚珠滑块(10)、线性导轨(11)和底部基座(12)；两条线性导轨(11)与底部基座(12)螺纹连接，线性导轨(11)用于保障传动平行，避免试件发生面完弯曲和扭转；两块滚珠滑块(10)分别与线性导轨(11)滑动配合连接，U型垫板(9)与试件夹持单元一端连接，保证结构的传载路径保持水平；底部基座(12)一侧与位移放大机构(2)固定连接，另一侧通过U型垫板(9)、滚珠滑块(10)和线性导轨(11)与试件夹持单元另一端连接。4.如权利要求1所述的一种基于数字图像相关法的压电致动原位疲劳测试系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彪，李晨，李坤鹏，陈杰，王思远，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：