專利名稱：一種金屬纖維微拉伸力學性能測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料細觀力學性能精密測量領(lǐng)域，特別涉及一種對金屬纖維微拉伸力 學性能進行精確測量的方法與裝置。
背景技術(shù)：
細觀力學作為固體力學與材料科學的交叉學科，其發(fā)展對材料科學規(guī)律中的材料 力學行為的研究具有重要意義。近十年來新材料微米量級超細金屬纖維由于具有質(zhì)量輕、 導電、導熱、耐腐蝕、壽命長和高強度等特殊性質(zhì)，已在特種紡織、環(huán)保過濾、汽車、造紙和冶 金等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如以金屬纖維為基本單元制造的多點陣金屬纖維氈不僅質(zhì)量 輕，還具有防震吸能、電磁屏蔽的特點，在航空航天領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用前景。因此，發(fā)展具 有高分辨率的力學測試方法及裝置以及對材料內(nèi)部細觀形變、損傷、斷裂過程的非破壞式 測量技術(shù)，成為科學研究與工程實踐的迫切需求。對金屬纖維微拉伸力學性能測試儀器的 研制，將為纖維材料的細觀力學性能測量及相關(guān)理論的研究提供必要手段，也將為以金屬 纖維為基本單元制造的多點陣金屬纖維氈提供必要的力學性能測試手段。目前關(guān)于材料拉伸力學性能測量的專利主要有CN1601252、CN101196450、 CN101368894、CN101363786、CN1811373、CN101403670 等，這些專利對試件的拉伸力學性能 的測量均采用傳統(tǒng)的機械接觸式測力原理，穩(wěn)定性差，且未考慮力傳感器彈性元件自身的 變形量，因此這些專利所述方法和裝置不適用于金屬纖維微拉伸力學性能的精確測量。在紡織領(lǐng)域，纖維強伸度是決定織物使用性能的重要因素，纖維的強度、延伸率以 及反映纖維性能的載荷_伸長曲線都是纖維性能測試的重要內(nèi)容，因此采用正確的試驗方 法和精密的儀器測試這一商用指標十分必要。為了實現(xiàn)這一目標，我國自80年代初期研制 了多種類型的單纖維強力儀和強伸度儀。例如，早期使用較多的Y161型水壓式單纖維強力 儀，屬于等速牽引型(C.R.T)強力測試儀器，但是由于采用機械測力方式，誤差較大，且只 能測纖維強度；八十年代中國紡織大學研制出了等加伸長型(C.R.E)的YG001型、YG003型 電子式單纖維強力儀；九十年代初期，高精度自動式XQ-1型纖維強伸度儀研制成功，其拉 伸方式為等加伸長型(C. R. E)，結(jié)構(gòu)包括載荷測量系統(tǒng)、氣動夾持控制電路、伸長檢測和傳 動變速機構(gòu)以及微機控制系統(tǒng)等部分；近年來，東華利浦儀器研究中心又推出了 XL-1型紗 線電子強力儀。這些強伸度儀(強度儀)雖然可以檢測非金屬纖維的強度與延伸率，滿足紡 織、化工等工程應(yīng)用需求，但在微米、亞微米金屬纖的細觀力學性能測試方面有其局限性。 因為要研究微米、亞微米量級下金屬(非金屬)纖維材料的尺度效應(yīng)及相關(guān)理論等問題，需 要精確繪制材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，而傳統(tǒng)的強伸度儀一般采用機械接觸式測力傳感器， 這種測力方式不僅受接觸干擾，而且測量的位移量(單側(cè)夾頭的位移量)未減去彈性元件 的變形量，因此傳統(tǒng)的強伸度儀無法精確繪制纖維材料的拉伸力_變形曲線和應(yīng)力_應(yīng)變 曲線。另外，國內(nèi)同類產(chǎn)品由于采用機械接觸式測力原理，顯得結(jié)構(gòu)復雜并易受振動干擾。國外同類型的產(chǎn)品，如美國英斯特朗(Instron)公司生產(chǎn)的Instron5848型微力 材料試驗機、日本加多(KAT0)公司生產(chǎn)的KES-G1-SH型毛發(fā)拉伸性能測試儀以及英國亨斯菲爾德(Hoimsfield)公司生產(chǎn)的H5K-S型纖維力學性能測試儀也存在類似的問題且價格
曰蟲 印貝o綜上所述，我國自主研發(fā)的傳統(tǒng)的紡織纖維強伸度儀用于金屬纖維材料細觀力學 性能測試是不合適的。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)并能滿足科研需求的金屬纖維微拉伸 力學性能測試裝置，具有重要的科學意義和實用價值，也將為推動我國細觀實驗力學研究 的高水平發(fā)展做出較大的貢獻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬纖維微拉伸力學性能測試的方法及裝置，自動、 實時、精確地測量金屬纖維在微拉伸時的拉伸力-變形曲線，從而獲得表征金屬纖維微拉 伸力學性能的參數(shù)值。一種金屬纖維微拉伸力學性能測試方法，采用上、下夾頭夾持金屬纖維試件，其中 上夾頭與彈性元件固連，通過下夾頭持續(xù)拉伸試件，彈性元件和試件發(fā)生變形，利用光電位 移傳感器實時采集彈性元件的變形量，依據(jù)變形量計算試件所受拉伸力；并實時檢測試件 的變形量S = f^-Si，其中Si為上夾頭的位移，62為下夾頭的位移，依據(jù)試件所受拉伸 力和試件的變形量獲取試件的拉伸力-變形曲線，進而獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對應(yīng) 力_應(yīng)變曲線進行分析得到表征金屬纖維微拉伸力學性能的參數(shù)值。實現(xiàn)所述測試方法的裝置，包括機座和安放在機座上的光電位移傳感器、彈性元 件、直線電機、位移調(diào)整機構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)，彈性元件的中心處設(shè)有上夾頭，直 線電機的主軸上設(shè)有下夾頭，兩夾頭間放置試件，光電位移傳感器發(fā)出的激光束入射到上 夾頭與彈性元件的連接處，位移調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整直線電機在水平面和豎直面的位置，光 電位移傳感器和直線電機分別連接數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)用于驅(qū)動直 線電機，設(shè)置光電位移傳感器參數(shù)，接收光電位移傳感器采集的彈性元件變形量，依據(jù)變形 量計算試件所受拉伸力；從直線電機獲取電機位移量，并計算試件的變形量S =
其中上夾頭位移\為彈性元件變形量，下夾頭位移S2為電機位移量，從而獲取試件的拉 伸力-變形曲線，進而獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析得到表征金 屬纖維微拉伸力學性能的參數(shù)值。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明在測量原理上克服了傳統(tǒng)強伸度儀的缺陷(機 械接觸式測量，未計量彈性元件變形量)，采用非接觸式光電位移傳感器和簧片式彈性元件 組成測力傳感器，該力傳感器在定標后既可以測量纖維的拉伸力還可以測量纖維夾持端的 位移量，為精確測量纖維的拉伸力與變形實驗曲線奠定了基礎(chǔ)。纖維微拉伸測試系統(tǒng)在自 行開發(fā)的虛擬儀器分析軟件控制下，可實時、精確地測量并顯示纖維材料在微拉伸時的拉 伸力-變形曲線，從而獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、比例極限、屈服強度、抗拉強 度、延伸率。通過更換不同規(guī)格的力傳感器可以調(diào)整裝置的測量范圍和靈敏度，實現(xiàn)不同直 徑纖維的測量要求。另外，由于采用了光學非接觸測量的方法，避免了采用傳統(tǒng)接觸式測量 所產(chǎn)生的干擾，使測量系統(tǒng)更加穩(wěn)定。整個測量具有自動化、實時化、智能化、低成本、高精 度和寬量程的特點，且裝置結(jié)構(gòu)精巧、操作簡便、性能穩(wěn)定，適用于各種單纖維(特別是金 屬纖維)的微拉伸力學性能測試。


圖1為金屬纖維微拉伸力學性能測試裝置主視圖。圖2為金屬纖維微拉伸力學性能測試裝置左視圖。圖3為力傳感器單元結(jié)構(gòu)原理圖。圖4為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖5為銅纖維(38 u m)的拉伸力-變形曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1 5詳細說明本發(fā)明本發(fā)明測量裝置從功能上概括包括力傳感 器單元、驅(qū)動單元、位移調(diào)整機構(gòu)、試件夾具組件、機座單元以及數(shù)據(jù)采集與測試系統(tǒng)六部 分。其結(jié)構(gòu)和作用原理如下a.力傳感器單元由高精度光電位移傳感器和彈性元件11組成，光電位移傳感器 包括感測頭13 (精度為0. 1 y m，量程為士 5mm)和光電位移控制器8。光電位移傳感器采用 三角法測量原理(如附圖3所示)，能夠非接觸式地測量彈性元件激光照射點的變形量，該 變形量通過定標轉(zhuǎn)化為力值信號，從而實現(xiàn)拉伸力的測量。彈性元件11中心點與上夾頭10 固連，彈性元件11采用兩端固定的安裝方式，其中固定端靠壓板12壓緊。力傳感器單元的 測量范圍為0 5N，分辨率高于0. lmN。b.位移調(diào)整機構(gòu)包括Z向(豎直方向)移動組件和X/Y向(水平方向)平移組 件。Z向(豎直方向)移動組件由滾珠絲杠組件14、15、16、直線導軌組件18、20、限位 銷17組成。滾珠絲杠組件和直線導軌組件分別裝于機座支板2的正反兩側(cè)，二者之間用連 接板19連接。該單元可以完成Z向位移的粗調(diào)和細調(diào)，并用來施加預(yù)加張力。X/Y平移組件包括X/Y精密平移臺6和L型支架5，X/Y精密平移臺組件6通過L 型支架5固定在Z向移動單元上，X/Y精密平移臺上安放有驅(qū)動單元c、驅(qū)動單元采用精密直線電機7實現(xiàn)，精密直線電機7固定在X/Y精密平移臺6 上，精密直線電機7的主軸上固定有下夾頭9。精密直線電機7可以實現(xiàn)等速加載，拉伸速 度在0. 01 50mm/min范圍內(nèi)可調(diào)。上下夾頭間固定試件，試件裝夾完畢后，處于松弛狀態(tài)， 通過調(diào)節(jié)X/Y精密平移臺6使試件的上、下夾持點沿Z向?qū)R，滿足同軸拉伸條件。d.試件夾具組件包括上夾頭10和下夾頭9，其中上夾頭10和彈性元件11固連， 下夾頭9與精密直線電機7固連。所述上、下夾頭10、9均采用機械夾緊方式，其內(nèi)表層覆 蓋一層高聚物，既可夾緊纖維狀物，又不損傷試樣。e.機座單元由底盤1、支板2、調(diào)平螺釘3及水平珠4組成。其中調(diào)平螺釘3和水 平珠4結(jié)合組成水平調(diào)整機構(gòu)使裝置處于水平狀態(tài)。f.數(shù)據(jù)采集與測試系統(tǒng)包括A/D多通道數(shù)據(jù)采集卡、伺服控制器以及測試軟件與 計算機系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。A/D采集卡用于力傳感器信號及上夾頭位移信 號的采集，并完成數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理；伺服控制器用于控制精密直線電機7的行程和速度。 測試軟件包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊、驅(qū)動控制模塊、數(shù)據(jù)存儲與分析模塊，還包括力傳感器 定標、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、材料參數(shù)設(shè)置、拉伸力-變形曲線與載荷-時間曲線實時顯示窗口、實 驗參數(shù)(如試驗力、試件變形量等)實時顯示窗口等功能模塊，可以進行材料力學特征參數(shù)分析，如彈性模量、彈性極限、屈服強度、抗拉強度、延伸率、應(yīng)變率的提取和計算。測試時， 用戶通過計算機給出試驗運行參數(shù)，通過RS232通訊接口傳遞給伺服控制器，伺服控制器 解釋后由直線電機7執(zhí)行拉伸操作，同時直線電機7通過伺服控制器反饋給計算機系統(tǒng)相 應(yīng)的位移量。與此同時，光電位移傳感器13、8檢測到力傳感器彈性元件12的變形后，經(jīng)過 放大、濾波后輸出對應(yīng)的電壓信號，該信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)后，結(jié)合位移 反饋信號進行數(shù)據(jù)分析和處理。本發(fā)明的工作過程如下a.力傳感器的標定綜合對比多種方案后，本發(fā)明采用兩端固定的變截面薄梁作為力傳感器的彈性元 件11。通過改變變截面薄梁的厚度及光電位移傳感器8、13的位移量程來獲得不同分辨率、 不同量程的力傳感器。每種量程的力傳感器的標定是這樣進行的首先進入測試軟件的標 定界面，確定光電位移傳感器8、13的量程(如0. 4mm/V、0. 2mm/V等)，并輸入對應(yīng)量程的相 關(guān)參數(shù)；將砝碼托盤懸掛于上夾頭10，待系統(tǒng)穩(wěn)定后按清零鍵，然后在托盤里放入標準 砝碼，并輸入標準砝碼的數(shù)值，再待系統(tǒng)穩(wěn)定后按確定鍵，完成力傳感器的標定。b.試件的裝夾與調(diào)整按照測量要求，截取一定長度無損傷的金屬纖維，用軟基材料(如紙膠帶等)作襯 墊粘貼纖維的兩端，完成試件的制作。用鑷子夾持試件的一端，將之放入上夾頭10的鉗口， 夾緊試件的一端，然后用下夾頭9夾緊試件的另一端，并使試件處于松弛狀態(tài)。然后調(diào)節(jié)X/ Y精密平移臺組件6，使上下夾持點對齊，完成試件的裝夾與調(diào)整。c.測量進入程序軟件的纖維拉伸測試系統(tǒng)界面，首先點擊清零按鈕，其次設(shè)定加載速 度(例如5mm/min)及曲線類型(如力與變形曲線)，并輸入試件參數(shù)(如試件尺寸等)。然 后調(diào)節(jié)滾珠絲杠螺桿14 (先粗調(diào)，后細調(diào))，使絲杠螺母16帶動下夾頭9沿著直線導軌軌道 20向下移動，給試件施加一預(yù)加張力。點擊開始按鈕，精密直線電機7勻速加載進行拉 伸實驗。如圖3所示，高精度光電位移傳感器感測頭13采用三角測量法，同時檢測彈性元 件11的變形量及上夾頭10的位移，并通過數(shù)據(jù)采集卡接口輸入計算機，系統(tǒng)將變形信號轉(zhuǎn) 化為力信號，并實時顯示拉伸力-變形曲線，如圖5所示。測試完畢后，保存相關(guān)數(shù)據(jù)。d.數(shù)據(jù)處理與分析進入測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理模塊，根據(jù)拉伸力-變形曲線得到應(yīng)力-應(yīng)變 曲線，進而通過特征提取與計算獲得試件的彈性極限、屈服強度、抗拉強度、彈性模量、延伸 率、應(yīng)變率、預(yù)加張力。
權(quán)利要求
一種金屬纖維微拉伸力學性能測試方法，采用上、下夾頭夾持金屬纖維試件，其中上夾頭與彈性元件固連，通過下夾頭持續(xù)拉伸試件，彈性元件和試件發(fā)生變形，利用光電位移傳感器實時采集彈性元件的變形量，依據(jù)變形量計算試件所受拉伸力；并實時檢測試件的變形量δ＝δ2 δ1，其中δ1為上夾頭的位移，δ2為下夾頭的位移，依據(jù)試件所受拉伸力和試件的變形量獲取試件的拉伸力 變形曲線，進而獲得試件的應(yīng)力 應(yīng)變曲線，對應(yīng)力 應(yīng)變曲線進行分析得到表征金屬纖維微拉伸力學性能的參數(shù)值。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述測試方法的裝置，包括機座和安放在機座上的光電位移傳感 器、彈性元件、直線電機、位移調(diào)整機構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)，彈性元件的中心處設(shè)有 上夾頭，直線電機的主軸上設(shè)有下夾頭，兩夾頭間放置試件，光電位移傳感器發(fā)出的激光束 入射到上夾頭與彈性元件的連接處，位移調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整直線電機在水平面和豎直面的 位置，光電位移傳感器和直線電機分別連接數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)用 于驅(qū)動直線電機，設(shè)置光電位移傳感器參數(shù)，接收光電位移傳感器采集的彈性元件變形量， 依據(jù)變形量計算試件所受拉伸力；從直線電機獲取電機位移量，并計算試件的變形量S =，其中上夾頭位移Si為彈性元件變形量，下夾頭位移S2為電機位移量，從而獲取試 件的拉伸力-變形曲線，進而獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析得到 表征金屬纖維微拉伸力學性能的參數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬纖維微拉伸力學性能測試方法及裝置，不同于現(xiàn)有的強伸度儀，本發(fā)明測力傳感器由非接觸式光電位移傳感器和彈性元件組成，該測力傳感器既可以測量纖維的拉伸力，還可以測量纖維夾持端的位移量，幫助實現(xiàn)自動、實時、精確地獲取試件的拉伸力-變形曲線，進而獲得試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析得到表征金屬纖維微拉伸力學性能的參數(shù)值。本發(fā)明采用了光學非接觸測量的方法，避免了采用傳統(tǒng)接觸式測量所產(chǎn)生的干擾，使測量系統(tǒng)更加穩(wěn)定，整個裝置結(jié)構(gòu)精巧、操作簡便、性能穩(wěn)定，適用于各種單纖維(特別是金屬纖維)的微拉伸力學性能測試。
文檔編號G01L5/04GK101949797SQ20101026401
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者丁華明, 何玉明, 劉大彪, 胡鵬 申請人:華中科技大學