一种微扭矩力学试验机及其测试方法技术

本发明专利技术涉及一种微扭矩力学试验机及其测试方法。该试验机包括：控制装置和试验机主机，所述控制装置用于设置试验方法，向试验机主机发出命令和分析处理从试验机主机得到的实验数据；所述试验机主机用于对试样进行加载。测试方法包括：通过定制的试验软件控制信号发生模块产生一电压信号，经调理放大后驱动试验机主机工作；信号采集模块采集角度信号和线圈的驱动信号；将采集到的角度信号换算为旋转角，将采集到的线圈驱动信号换算为扭矩；按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的切应力一切应变曲线，进而可进一步计算出剪切模量和剪切强度。由于采用电磁驱动兼扭矩计量方式，使得本扭转试验机的扭矩分辨力大幅度提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于微尺度材料或结构力学性能测试的仪器及其测试方法，特别 涉及一种用扭转方式对微尺度试样的力学性能进行测试的仪器及其测试方法。
技术介绍
目前对材料进行扭转力学性能测试，一般采用扭转材料试验机进行。根据匹配的 扭矩传感器不同，这类试验机扭矩量程从10°Nm至IO3Nm不等，可满足工程界对宏观尺度试 样扭转测试的需求。但是由于传统扭转材料试验机采用应变式扭矩传感器测量扭矩，即通 过应变片测量弹性元件的变形来计量扭矩，从原理上讲，分辨力难些继续提高。目前国际上 最小的商业化扭转试验机也只能满足IO-1Nm以上的扭转测试需要。随着材料微/纳米化技术的发展以及微电子机械系统MEMS的推广应用，对直径 10° μ m IO2 μ m的单根细丝、微电子机械系统MEMS扭转微镜等的扭转测试需求变得尤为 迫切。一方面，基础研究人员在微/纳尺度取得的研究成果，例如，应变梯度理论等，迫切需 要实验手段的支持和推动；另一方面，工程技术人员不再满足采用经典宏观力学知识预测 微构件的强度，希望通过更为贴切的实验来指导工程设计。然而，上述测试涉及的扭矩一般小于10_3Nm。传统扭转试验机扭矩分辨力难以满 足。必须采用新的原理来实现微尺度试样的扭转测试。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对微尺度试样进行扭转测试的仪器及其测试方法， 以获得微尺度试样在扭转状态下的力学性能。该仪器的设计原理为载流线圈在均勻磁场中受力，力的大小与电流成正比，即 F- I0式中F为安培力，I为通过线圈的电流。试验机产生的扭矩T = 2FL I (1)式中L为导线至转轴中心的垂直距离。由此可以看出，扭矩和电流之间成线性关系。所以只要计量出驱动电流大小，就可 以准确计量扭矩大小。这种方式抛弃了应变式扭矩传感器需要敏感元件先将变形信号转换 为电信号的中间过程。从原理上讲，这种测量扭矩的方式可以获得很好的分辨力。为达到上述目的，本专利技术提供的微扭矩力学试验机包括控制装置和试验机主机， 所述控制装置用于设置试验方法，向试验机主机发出命令和分析处理从试验机主机得到的 实验数据；所述试验机主机用于对试样进行加载。进一步，所述试验机主机包括主机框架，设置在主机框架下方的电磁驱动装置、 设置在主机框架上部的夹持装置和主机框架内部的传感装置；所述夹持装置包括用于夹持 试样的定夹具和动夹具，所述定夹具设置在主机框架上，动夹具设置在所述电磁驱动装置 上，并可随电磁驱动装置旋转，传感装置用于测试电磁驱动装置所旋转的角度。进一步，所述主机框架包括机架底板，机架盖板，立柱和机架侧板，机架侧板设置机架底板上，机架盖板盖在机架侧板上；所述电磁驱动装置包括电磁驱动机构和加载轴所述传感装置为非接触式角度传感器，包括角度传感器活动极板和角度传感器 定极板；其中，所述电磁驱动装置在所述机架底板、机架侧板和机架盖板围成的空间中；所 述立柱设置在机架盖板上；所述电磁驱动装置中的加载轴可随电磁驱动机构旋转，并且其 上端通过机架盖板中间的通孔伸出，在所述机架盖板的下方设置有所述角度传感器定极 板，角度传感器定极板与机架盖板相连接，角度传感器活动极板与加载轴相连接；所述夹持 装置中的动夹具设置在所述加载轴由机架盖板伸出段的端部。进一步，所述夹持装置还包括电动平移台，悬臂梁；所述电动平移台安装在所述 主机框架立柱上；所述电动平移台上安装有所述悬臂梁，悬臂梁的下侧安装所述定夹具，并 和所述动夹具对中安装。进一步，所述电磁驱动机构包括内磁体、外磁体和线圈；所述线圈套放在所述内磁 体外围，所述外磁体套装在线圈的外侧，三者共轴；所述加载轴设置在线圈上；所述线圈和 内磁体之间，线圈和外磁体之间均具有间隙；所述线圈可围绕其中心轴旋转。进一步，所述角度传感器为电感式角度传感器、电容式角度传感器或光学类非接 触式角度传感器。进一步，所述控制装置中包括计算机，控制器；计算机用于设置测试方法和分析处 理实验数据；控制器用于所述计算机和试验机主机之间的数据通信，包括功率放大模块、信 号采集模块、信号发生模块、信号调理模块；其中功率放大模块用于将信号发生模块产生的信号进行放大，然后传输给试验机主机 中的线圈；信号发生模块与计算机相连，用于产生电压驱动信号；信号采集模块与所述传感装置相连，用于采集试验机主机内的角度信号和线圈驱 动信号；信号调理模块用于将采集到的信号进行滤波和线性变换，以适合信号采集模块采集。使用微扭矩力学试验机进行测试的方法其特征为，包括下列步骤1)用计算机控制信号发生模块产生一电压信号，该信号经功率放大器放大后驱动 试验机主机工作；2)用控制器内的信号采集模块采集旋转角度电压信号和线圈的驱动电流信号；3)将采集的旋转角度信号和线圈的驱动信号分别换算为角度和扭矩值；4)对步骤幻中得到的一系列角度值和扭矩值，按照力学模型进行数据处理，得出 被测试样的切应力-切应变曲线、剪切模量和剪切强度极限等参数。进一步，所述步骤4)中，包括下述子步骤41)由步骤3)中得出的角度和扭矩值，得到切应力-切应变曲线；42)根据切应力-切应变曲线，按照力学模型进行数据处理，得出被测试样的剪切 模量。由于采用电磁加载方式进行驱动兼扭矩计量，使得试验机的扭矩分辨力得以大幅度提高，可以满足IO-3Nm以下的微小扭矩测试需要。这是目前常规材料试验机无法实现的。 该试验机可以通过扭转方式直接对微尺度试样进行测试，真实模拟试样在切应力状态下的 力学工况，不仅能为微纳米工程
提供有效的检测手段，对基础研究领域也具有重要意义。附图说明图1为本专利技术提供的电磁式微扭矩力学试验机测试系统示意图；图2为微扭矩力学试验机主机结构示意图；图3为微扭矩力学试验机主机电磁驱动装置结构示意图；图4为用本专利技术提供的微扭矩力学试验机的扭矩和电流的标定曲线；图5为微扭矩力学试验机测试方法流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明图1所示的是本专利技术提供的微扭矩力学试验机的系统结构示意图，包括控制装置 和试验机主机C，控制装置中包括计算机A，控制器B。计算机A上安装试验软件，用于设置 测试方法和分析处理实验数据；控制器B用于计算机和试验机主机之间的数据通信，包括 功率放大模块、信号采集模块、信号发生模块、信号调理模块。功率放大模块用于将信号发 生模块产生的信号进行放大，然后传输给试验机主机中的线圈；信号发生模块与计算机相 连，用于产生电压驱动信号；信号采集模块与所述传感装置相连，用于采集试验机主机内的 角度信号和线圈驱动信号；信号调理模块用于将采集到的信号进行滤波和线性变换，以适 合信号采集模块采集；试验机主机C用于对试样进行加载测试，试验机主机C与控制器B电 连接，受控制器的信号发生模块的控制并将测量信号传输给控制器的信号采集模块。微扭矩力学试验机主机C的结构如图2所示，包括主机框架，设置在主机框架下 方的电磁驱动装置、设置在主机框架上方的夹持装置和设置在主机框架内部的传感装置。 其中主机框架包括机架底板1，机架盖板4，立柱6和机架侧板15。夹持装置包括电动平移 台7，悬臂梁8，定夹具9和动夹具11，电磁驱动装置包括线圈13和外磁体14、加载轴5，内 磁体2。传感装置为非接触式角度传感器，包括角度传感器活动极板12和角度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种微扭矩力学试验机，其特征为，该试验机包括：控制装置和试验机主机，所述控制装置用于设置试验方法，向试验机主机发出命令和分析处理从试验机主机得到的实验数据；所述试验机主机用于对试样进行加载。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郇勇，张泰华，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11