一種軟物質(zhì)力學(xué)性能測量方法及其測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟物質(zhì)力學(xué)性能測量方法及其測量系統(tǒng)。本發(fā)明的測量系統(tǒng)包括：壓電雙晶片梁、電動(dòng)升降臺(tái)、阻抗分析儀、應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；本發(fā)明僅通過一次加載即可完成多種力學(xué)性能表征方法的測量，并獲得待測樣品的不同力學(xué)性能，因此可以提高測試準(zhǔn)確性和測試效率；本發(fā)明能夠可獲得待測樣品的力學(xué)性能隨壓入深度的變化規(guī)律，并排除壓入針尖端部磨損和待測樣品表面效應(yīng)等因素對測量結(jié)果的影響，進(jìn)而給出更加準(zhǔn)確的結(jié)果；本發(fā)明采用梁式的加載系統(tǒng)，這是一種柔性的加載系統(tǒng)，適用于軟物質(zhì)的測量，壓電雙晶片梁在壓入過程中使用彎曲變形放大壓入信號，這種放大會(huì)使得測試過程的靈敏度更高。
【專利說明】
一種軟物質(zhì)力學(xué)性能測量方法及其測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于檢測計(jì)量領(lǐng)域，具體涉及一種軟物質(zhì)力學(xué)性能測量方法及其測量系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 軟物質(zhì)是一類與人類本身聯(lián)系密切的物質(zhì)，常見的軟物質(zhì)有生物組織、生物工程 材料和生活中的高聚物制品等。對軟物質(zhì)力學(xué)性能表征方法進(jìn)行研究，將有助于解決軟物 質(zhì)的制備和應(yīng)用難題，并有助于解決人類疾病問題、發(fā)展組織工程并提高人類生活水平。
[0003] 當(dāng)前常用的軟物質(zhì)力學(xué)性能表征方法包括基于萬能試驗(yàn)機(jī)的方法、壓入法和吸管 法?；谌f能實(shí)驗(yàn)機(jī)的方法通過制作標(biāo)準(zhǔn)形狀的試件進(jìn)行拉伸或者壓縮測試，這種方法只 能對均質(zhì)材料進(jìn)行測試，并且會(huì)對材料原本所在的體系造成損傷。壓入法通過使用固定形 狀的壓入針尖連續(xù)壓入樣品，通過接觸模型擬合所獲得的載荷位移數(shù)據(jù)即可反演材料的力 學(xué)參數(shù)，這種方法對樣品沒有損傷，但其缺點(diǎn)在于難以對材料的動(dòng)態(tài)粘彈性性能進(jìn)行測量。 吸管法通過使用空心吸管在材料表面施加負(fù)壓吸起樣品，通過建立吸起高度和吸起壓力之 間的關(guān)系來反演樣品的力學(xué)信息，這種方法存在較大的幾何非線性問題，因而會(huì)對測量準(zhǔn) 確度造成影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種軟物質(zhì)力學(xué)性能測量方法及 其測量系統(tǒng)，采用一個(gè)端部帶有壓入針尖的壓電雙晶片梁，通過使用電動(dòng)升降臺(tái)控制針尖 連續(xù)壓入樣品來進(jìn)行力學(xué)性能測量，最后獲得樣品力學(xué)性能隨深度變化的規(guī)律。
[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)包括:壓電雙晶片梁、電動(dòng)升降臺(tái)、阻抗分析 儀、應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；其中，壓電雙晶片梁包括懸臂梁、壓電片、應(yīng)變片、壓入針尖 和固定支座，懸臂梁的一端作為固定端固定在固定支座上，另一端作為自由端設(shè)置壓入針 尖，在懸臂梁的上下表面分別設(shè)置壓電片，在懸臂梁的表面設(shè)置應(yīng)變片;壓入針尖與待測樣 品接觸;待測樣品設(shè)置在電動(dòng)升降臺(tái)上；電動(dòng)升降臺(tái)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連;應(yīng) 變片與應(yīng)變儀相連;壓電片與阻抗分析儀相連;應(yīng)變儀和阻抗分析儀分別通過數(shù)據(jù)線與計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)相連。
[0007] 測試時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制電動(dòng)升降臺(tái)連續(xù)移動(dòng)待測樣品的高度，使得壓 入針尖與待測樣品發(fā)生接觸并連續(xù)逐點(diǎn)壓入待測樣品，應(yīng)變儀通過應(yīng)變片輸出的應(yīng)變信號 測量壓入針尖的接觸力的變化，在各壓入深度處，阻抗分析儀測量壓電雙晶片梁上的壓電 片的機(jī)電阻抗頻響，通過機(jī)電阻抗頻響即可獲得待測樣品在各個(gè)壓力下的力學(xué)性能。
[0008] 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括:阻抗測量模塊，用于控制阻抗分析儀對壓電雙晶片梁的機(jī) 電阻抗頻響進(jìn)行測量;應(yīng)變測量模塊，用于測量和分析應(yīng)變儀輸出的應(yīng)變信號;運(yùn)動(dòng)控制模 塊，用于控制電動(dòng)升降臺(tái)的移動(dòng)并返回電動(dòng)升降臺(tái)的移動(dòng)距離;計(jì)算分析模塊，計(jì)算待測樣 品的力學(xué)性能。
[0009] 壓入針尖采用半球形針尖或者平頭的圓柱形針尖。
[0010] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法。
[0011] 本發(fā)明通過探測壓電雙晶片梁與待測樣品在壓入過程中的響應(yīng)對待測樣品的力 學(xué)性能進(jìn)行表征，可以在一次加載過程中使用靜態(tài)載荷位移曲線方法、動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法 和粘彈性測量方法這三種方法同時(shí)對待測樣品的不同力學(xué)性能進(jìn)行表征。其中，當(dāng)待測樣 品的彈性性能占主導(dǎo)的時(shí)候，可以使用靜態(tài)載荷位移曲線原理和動(dòng)態(tài)接觸振動(dòng)原理獲得待 測樣品的彈性性質(zhì)；當(dāng)待測樣品的粘彈性性能占主導(dǎo)的時(shí)候，可以使用粘彈性測量原理對 待測樣品的粘彈性進(jìn)行測試。
[0012] 本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法，包括以下步驟：
[0013] 1)將軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)組裝完成；
[0014] 2)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制電動(dòng)升降臺(tái)連續(xù)移動(dòng)待測樣品的高度，使得壓入針尖 與待測樣品發(fā)生接觸并逐點(diǎn)壓入待測樣品，每一個(gè)壓入深度為一個(gè)測試點(diǎn)，并返回每一測 試點(diǎn)的電動(dòng)升降臺(tái)的位移值Η;
[0015] 3)應(yīng)變儀通過應(yīng)變片輸出的應(yīng)變信號測量每一測試點(diǎn)的接觸力載荷F;
[0016] 4)采用阻抗分析儀測量壓電雙晶片梁的機(jī)電阻抗頻響曲線，獲得壓入壓電雙晶片 梁的第i個(gè)測試點(diǎn)的接觸共振頻率h，其中，i = l，2,……n，n為測試點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，且η為2 2 的自然數(shù)；
[0017] 5)重復(fù)步驟2)~4 )，得到從1~η測試點(diǎn)的電動(dòng)升降臺(tái)的位移值Η、接觸力載荷F和 接觸共振頻率fi;
[0018] 6)采用靜態(tài)載荷位移曲線方法、動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法和粘彈性測量方法中的一種或 多種對待測樣品進(jìn)行力學(xué)性能表征。
[0019] 其中，在步驟6)中，當(dāng)待測樣品的彈性性能占主導(dǎo)時(shí)，采用根據(jù)靜態(tài)載荷位移曲線 原理的靜態(tài)載荷位移曲線方法和根據(jù)動(dòng)態(tài)接觸振動(dòng)原理的動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法獲得待測樣 品的彈性性質(zhì)；當(dāng)待測樣品的粘彈性占主導(dǎo)時(shí)，采用根據(jù)粘彈性測量原理的粘彈性測量方 法獲得待測樣品的粘彈性性能。
[0020] 靜態(tài)載荷位移曲線方法包括以下步驟：
[0021] a)在每一測試點(diǎn)上，根據(jù)接觸力載荷F和電動(dòng)升降臺(tái)的位移值H，得到壓入針尖的 壓入位移h:
[0022] h = H-F/kc
[0023] 其中，k。為壓電雙晶片梁的剛度，是壓電雙晶片梁的基本屬性，在壓電雙晶片梁制 備完成后標(biāo)定得到；
[0024] b)在得到整個(gè)壓入過程的每個(gè)測試點(diǎn)的F-h數(shù)據(jù)之后，通過擬合F-h數(shù)據(jù)獲得待測 樣品的力學(xué)性能。
[0025]其中，在步驟b)中，根據(jù)不同的材料模型采用相應(yīng)的力學(xué)模量表征力學(xué)性能，當(dāng)采 用辛虎克neo-Hookean模型來描述軟材料的力學(xué)性能時(shí)，采用初始剪切模量μ〇進(jìn)行表征：
,其中，R為半球形針尖的半徑，
中，a為圓柱形針尖的半徑；當(dāng)采用線彈性材料模型來描述材料的力學(xué)性能時(shí)，則依據(jù)赫茲 接觸模型對材料的楊氏模量進(jìn)行表征。
[0026] 動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法包括以下步驟：
[0027] a)根據(jù)每一測試點(diǎn)i處的接觸力載荷F和接觸共振頻率fi，計(jì)算待測樣品的初始剪 切模量μ〇:
[0029] 其中，kt為接觸剛度且
，R為半球 形針尖的半徑，L為壓電雙晶片梁的長度，mt為壓入針尖的質(zhì)量，ω,為接觸共振角頻率且ωι = 為壓電雙晶片梁的等效剛度且其可通過標(biāo)定得到，Abl為等效波長且
為壓電雙晶片梁的單位長度的質(zhì)量且可通過標(biāo)定得到；
[0030] b)初始剪切模量μ〇隨著壓入深度的增加區(qū)域穩(wěn)定，取穩(wěn)定的數(shù)值作為力學(xué)性能 值。
[0031] 粘彈性測量方法包括以下步驟：
[0032] a)阻抗分析儀測量得到壓電雙晶片梁的導(dǎo)納的機(jī)電阻抗頻響曲線GMP，壓電雙晶 片梁的導(dǎo)納G的頻響公式為：
[0034]
,Cc為壓電雙晶片梁的電容，ω為壓電雙晶片梁的振動(dòng)角頻率且ω = 2Jif，f為壓電雙晶片梁的振動(dòng)頻率，Ν為壓電雙晶片梁表征機(jī)電耦合性能大小的轉(zhuǎn)換系數(shù)，
，參數(shù) c = cosAbL，參數(shù)s = s inAbL，參數(shù) m=coshAbL，參數(shù)n = s inhAbL，參數(shù)
[0035] b)通過導(dǎo)納的頻響公式擬合實(shí)驗(yàn)獲得的導(dǎo)納的機(jī)電阻抗頻響曲線GMP，直接獲得 接觸剛度kt和接觸阻尼C t，進(jìn)一步得到損耗接觸剛度?=ωΑ，其中，ωι為第i個(gè)測試點(diǎn)的接 觸共振角頻率；
[0036] c)待測樣品的粘彈性性能的表達(dá)式：
[0040] 其中，E'為待測樣品的存儲(chǔ)模量，E"為待測樣品的損耗模量，II為待測樣品的損耗 因子，Et為壓入針尖材料的楊氏模量，v t為壓入針尖材料的泊松比，^為待測樣品的泊松比；
[0041] d)通過連續(xù)的壓入獲得不同深度處待測樣品的粘彈性性能，進(jìn)一步獲得其隨著壓 入深度的變化規(guī)律，最后取穩(wěn)定的數(shù)值作為待測樣品的粘彈性性能。
[0042] 本發(fā)明使用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的壓電雙晶片梁和加載系統(tǒng)，通過壓電雙晶片梁連續(xù)的 壓入待測樣品來對待測樣品的力學(xué)性能進(jìn)行表征。相較于其他傳統(tǒng)的測量方法，本發(fā)明的 優(yōu)勢在于：
[0043] 1、僅通過一次加載即可完成多種力學(xué)性能表征方法的測量，并獲得待測樣品的不 同力學(xué)性能，因此可以提高測試準(zhǔn)確性和測試效率；
[0044] 2、本發(fā)明能夠在壓入針尖連續(xù)壓入待測樣品的過程中對待測樣品的力學(xué)性能進(jìn) 行連續(xù)的測量，因此可獲得待測樣品的力學(xué)性能隨壓入深度的變化規(guī)律，并排除壓入針尖 端部磨損和待測樣品表面效應(yīng)等因素對測量結(jié)果的影響，進(jìn)而給出更加準(zhǔn)確的結(jié)果；
[0045] 3、本發(fā)明采用梁式的加載系統(tǒng)，這是一種柔性的加載系統(tǒng)，適用于軟物質(zhì)的測量， 壓電雙晶片梁在壓入過程中使用彎曲變形放大壓入信號，這種放大會(huì)使得測試過程的靈敏 度更高。
【附圖說明】
[0046] 圖1為本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)的示意圖；
[0047] 圖2為本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的壓電雙晶片梁的示意圖，其中，（a)為立體圖， (b)為正視圖；
[0048] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法得到的壓入過程中各個(gè)測試點(diǎn)F-h變化曲線圖；
[0049]圖4為本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法的壓電雙晶片梁接觸振動(dòng)的力學(xué)模 型；
[0050] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法的一個(gè)實(shí)施例得到的材料力學(xué)性 能隨壓入深度變化的連續(xù)剛度測試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0052] 如圖1所示，本實(shí)施例的軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)包括:壓電雙晶片梁1、電動(dòng)升 降臺(tái)2、阻抗分析儀3、應(yīng)變儀4和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5;其中，壓電雙晶片梁如圖2所示包括懸臂 梁11、壓電片12、應(yīng)變片13、壓入針尖14和固定支座15,懸臂梁11的一端作為固定端固定在 固定支座15上，另一端作為自由端設(shè)置壓入針尖14,在懸臂梁的上下表面分別設(shè)置壓電片 12,在懸臂梁的固定端的表面上設(shè)置應(yīng)變片13;壓入針尖14與待測樣品0接觸;待測樣品0設(shè) 置在電動(dòng)升降臺(tái)2上；電動(dòng)升降臺(tái)2通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5相連;應(yīng)變片13與應(yīng)變儀 4相連;壓電片12與阻抗分析儀3相連;應(yīng)變儀4和阻抗分析儀3分別通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)5相連。懸臂梁11為長條形的鋼梁;壓入針尖為半球形針尖。
[0053] 本發(fā)明通過探測壓電雙晶片梁與待測樣品在壓入過程中的響應(yīng)對待測樣品的力 學(xué)性能進(jìn)行表征，可以在一次加載過程中同時(shí)使用靜態(tài)載荷位移曲線方法、動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度 方法和粘彈性測量方法這三種方法同時(shí)對待測樣品的不同力學(xué)性能進(jìn)行表征。其中，當(dāng)待 測樣品的彈性性能占主導(dǎo)的時(shí)候，可以使用靜態(tài)載荷位移曲線原理和動(dòng)態(tài)接觸振動(dòng)原理獲 得待測樣品的彈性性質(zhì)；當(dāng)待測樣品的粘彈性性能占主導(dǎo)的時(shí)候，可以使用粘彈性測量原 理對待測樣品的粘彈性進(jìn)行測試。
[0054]接下來分別闡述本發(fā)明表征材料力學(xué)性能的靜態(tài)載荷位移曲線方法、動(dòng)態(tài)連續(xù)剛 度方法和粘彈性測量方法。
[0055]靜態(tài)載荷位移曲線方法：
[0056] 在測試過程中，在電動(dòng)升降臺(tái)的作用下，壓入針尖連續(xù)的壓入待測樣品的表面，圖 3給出了一個(gè)典型的壓入過程測試點(diǎn)的F-h曲線，其中F為接觸力載荷，h為壓入針尖的壓入 位移，1，2,3, .. .η為各個(gè)測試點(diǎn)的編號。接觸力載荷F可以直接由應(yīng)變片的應(yīng)變信號測得， 壓入針尖的壓入位移h可以采用下式計(jì)算：
[0057] h = H-F/kc
[0058] 其中，Η為電動(dòng)升降臺(tái)的位移，該值由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給定，k。為壓電雙晶片梁的 剛度，該值為壓電雙晶片梁的基本屬性，可以在壓電雙晶片梁制備完成之后通過標(biāo)定得到。
[0059] 在得到整個(gè)壓入過程每個(gè)測試點(diǎn)的F-h數(shù)據(jù)之后，即可通過下式擬合F-h數(shù)據(jù)點(diǎn)獲 得樣品的力學(xué)性能，這里使用neo-Hookean模型來描述軟材料的力學(xué)行為，該材料模型中材 料參數(shù)為初始剪切模量μ〇:
[0061 ] 其中，R為半球形針尖的半徑并且可通過測量得到。
[0062]以上即為通過壓入的F-h數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)性能表征的靜態(tài)載荷位移曲線原理。
[0063]需要說明的是，本實(shí)施例在這里使用neo-Hookean模型來描述軟材料的力學(xué)行為， 因此所得到的為neo-Hookean材料的初始剪切模量μ〇，但本發(fā)明中給出的方法亦可用于 neo-Hookean模型之外的其他材料模型。例如，若使用線彈性材料模型來描述材料的力學(xué)行 為，則可以依據(jù)赫茲接觸模型對材料的楊氏模量進(jìn)行表征。
[0064]動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法：
[0065]在壓入過程中，在每個(gè)測試點(diǎn)i處，采用應(yīng)變儀通過應(yīng)變信號測得針尖的接觸力載 荷為F，采用阻抗分析儀測量壓電雙晶片梁的機(jī)電阻抗頻響曲線，通過追蹤壓電雙晶片梁的 接觸共振頻率h，即可依據(jù)圖4所示的壓電雙晶片梁接觸振動(dòng)模型計(jì)算樣品的初始剪切模 量。在圖4中，L為壓電雙晶片梁的長度，m t為壓入針尖的質(zhì)量，^為懸臂梁的一半厚度，心為 壓電晶片的厚度，kt為接觸剛度，C t為接觸阻尼，對于彈性樣品有Ct = 0。此時(shí)可得待測樣品 的初始剪切模量的表達(dá)式：
[0067] 其中，F(xiàn)由應(yīng)變信號測得，R為半球形針尖的半徑并且可通過測量得到，
,mt為壓入針尖的質(zhì)量且其可以通過測量 得到，ω,為接觸共振角頻率且= ?為壓電雙晶片梁的等效剛度且其可通過標(biāo)定得 到，等效波長(共振狀態(tài)下的波長）
為壓電雙晶片梁的單位長度的質(zhì)量且 可通過標(biāo)定得到。
[0068]在測量過程中，本發(fā)明通過移動(dòng)壓入針尖連續(xù)的壓入待測樣品，以獲得待測樣品 的力學(xué)性能隨著壓入深度的變化規(guī)律。圖5給出了一個(gè)典型的材料力學(xué)性能隨壓入深度變 化的連續(xù)剛度方法測試結(jié)果，一般說來，待測樣品的力學(xué)性能會(huì)隨著壓入深度的增加而趨 于穩(wěn)定。連續(xù)壓入測試時(shí)，出現(xiàn)以上是因?yàn)樵趬喝肷疃容^小時(shí)，測量結(jié)果易受到壓入針尖端 部磨損和待測樣品表面效應(yīng)等因素的影響，而這些因素會(huì)在壓入深度較大時(shí)得到排除，故 可以取材料最后穩(wěn)定的數(shù)值作為力學(xué)性能值。
[0069]粘彈性測量方法：
[0070]在每一測試點(diǎn)i處，采用應(yīng)變儀通過應(yīng)變信號測得壓入針尖的接觸力載荷為F，采 用阻抗分析儀測量壓電雙晶片梁導(dǎo)納的機(jī)電阻抗頻響曲線6_。
[0071]當(dāng)壓入針尖與粘彈性性能占主導(dǎo)的材料接觸的時(shí)候，雖然其力學(xué)模型仍然可以使 用圖5描述，但此時(shí)其接觸模型中的接觸阻尼Ct不可忽略，該壓電雙晶片梁的導(dǎo)納G的頻響 公式可為：
[0073]
，Cc為壓電雙晶片梁的電容，ω為壓電雙晶片梁的振動(dòng)角頻率且ω = 2Jif，f為壓電雙晶片梁的振動(dòng)頻率，Ν為壓電雙晶片梁表征機(jī)電耦合性能大小的轉(zhuǎn)換系數(shù)， C。和N僅僅與壓電雙晶片梁的參數(shù)有關(guān)，可以通過標(biāo)定得到，波長（任意狀態(tài)下的波長）
，參數(shù)c = cosAbL，參數(shù)s = sinAbL，參數(shù)m = coshAbL，參數(shù)n = sinhAbL，參數(shù)
[0074] 通過使用上述導(dǎo)納的頻響公式擬合實(shí)驗(yàn)獲得的導(dǎo)納頻響數(shù)據(jù)Gexp，即可直接獲得 接觸剛度kt和接觸阻尼C t，進(jìn)一步可得損耗接觸剛度D= onCt，其中ωι為第i個(gè)測試點(diǎn)的接 觸共振角頻率。最后，可得待測樣品的粘彈性性能的表達(dá)式：
[0078]其中，E'為待測樣品的存儲(chǔ)模量，E"為待測樣品的損耗模量，η為待測樣品的損耗 因子，Et為壓入針尖材料的楊氏模量，vt為壓入針尖材料的泊松比，^為待測樣品的泊松比， Et、vt、vs均為已知參數(shù)。
[0079] 同樣在測量過程中，可通過連續(xù)的壓入獲得不同深度處待測樣品的粘彈性性能， 進(jìn)一步即可獲得其隨著壓入深度的變化規(guī)律，最后取穩(wěn)定的數(shù)值作為待測樣品的粘彈性性 能。
[0080] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán) 利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括:壓電雙晶片梁、 電動(dòng)升降臺(tái)、阻抗分析儀、應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);其中，所述壓電雙晶片梁包括懸臂梁、 壓電片、應(yīng)變片、壓入針尖和固定支座，懸臂梁的一端作為固定端固定在固定支座上，另一 端作為自由端設(shè)置壓入針尖，在懸臂梁的上下表面分別設(shè)置壓電片，在懸臂梁的表面設(shè)置 應(yīng)變片;所述壓入針尖與待測樣品接觸;所述待測樣品設(shè)置在電動(dòng)升降臺(tái)上;所述電動(dòng)升降 臺(tái)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連;所述應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連;所述壓電片與阻抗分析 儀相連;應(yīng)變儀和阻抗分析儀分別通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連。2. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括:阻抗測量模 塊，控制阻抗分析儀對壓電雙晶片梁的機(jī)電阻抗頻響進(jìn)行測量;應(yīng)變測量模塊，測量和分析 應(yīng)變儀輸出的應(yīng)變信號;運(yùn)動(dòng)控制模塊，控制電動(dòng)升降臺(tái)的移動(dòng)并返回電動(dòng)升降臺(tái)的移動(dòng) 距離;計(jì)算分析模塊，計(jì)算待測樣品的力學(xué)性能。3. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述壓入針尖采用半球形針尖或者平頭 的圓柱形針尖。4. 一種軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟： 1) 將軟物質(zhì)力學(xué)性能的測量系統(tǒng)組裝完成； 2) 通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制電動(dòng)升降臺(tái)連續(xù)移動(dòng)待測樣品的高度，使得壓入針尖與待 測樣品發(fā)生接觸并逐點(diǎn)壓入待測樣品，每一個(gè)壓入深度為一個(gè)測試點(diǎn)，并返回每一測試點(diǎn) 的電動(dòng)升降臺(tái)的位移值H; 3) 應(yīng)變儀通過應(yīng)變片輸出的應(yīng)變信號測量每一測試點(diǎn)的接觸力載荷F; 4) 采用阻抗分析儀測量壓電雙晶片梁的機(jī)電阻抗頻響曲線，獲得壓入壓電雙晶片梁的 第i個(gè)測試點(diǎn)的接觸共振頻率h，其中，i = l，2,……n，n為測試點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，且η為2 2的自 然數(shù)； 5) 重復(fù)步驟2)~4)，得到從1~η測試點(diǎn)的電動(dòng)升降臺(tái)的位移值Η、接觸力載荷F和接觸 共振頻率fi; 6) 采用靜態(tài)載荷位移曲線方法、動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法和粘彈性測量方法中的一種或多種 對待測樣品進(jìn)行力學(xué)性能表征。5. 如權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于，在步驟6)中，當(dāng)待測樣品的彈性性能占 主導(dǎo)時(shí)，采用根據(jù)靜態(tài)載荷位移曲線原理的靜態(tài)載荷位移曲線方法和根據(jù)動(dòng)態(tài)接觸振動(dòng)原 理的動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法獲得待測樣品的彈性性質(zhì)；當(dāng)待測樣品的粘彈性占主導(dǎo)時(shí)，采用根 據(jù)粘彈性測量原理的粘彈性測量方法獲得待測樣品的粘彈性性能。6. 如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述靜態(tài)載荷位移曲線方法包括以下步 驟： a) 在每一測試點(diǎn)上，根據(jù)接觸力載荷F和電動(dòng)升降臺(tái)的位移值H，得到壓入針尖的壓入 位移h: h = H-F/kc 其中，k。為壓電雙晶片梁的剛度； b) 在得到整個(gè)壓入過程的每個(gè)測試點(diǎn)的F-h數(shù)據(jù)之后，通過擬合F-h數(shù)據(jù)獲得待測樣品 的力學(xué)性能。7. 如權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于，在步驟b)中，根據(jù)不同的材料模型采用 相應(yīng)的力學(xué)模量表征力學(xué)性能，當(dāng)采用neo-Hookean模型來描述軟材料的力學(xué)性能時(shí)，采用\ 初始剪切模量μ〇進(jìn)行表征： ，其中，R為半球形針尖的半徑，或者 /實(shí)中，a為圓柱形針尖的半徑；當(dāng)采用線彈性材料模型來描述材料 的力學(xué)性能時(shí)，則依據(jù)赫茲接觸模型對材料的楊氏模量進(jìn)行表征。8. 如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)連續(xù)剛度方法包括以下步驟： a) 根據(jù)每一測試點(diǎn)i處的接觸力載荷F和接觸共振頻率fi，計(jì)算待測樣品的初始剪切模 量μ〇:其中，kt為接觸剛度」r，R為半球形針 尖的半徑，L為壓電雙晶片梁的長度，mt為壓入針尖的質(zhì)量，ωι為接觸共振角頻率且Wl = 23i 為壓電雙晶片梁的等效剛度，Abl為等效波長f為壓電雙晶片梁的單 位長度的質(zhì)量； b) 初始剪切模量W隨著壓入深度的增加區(qū)域穩(wěn)定，取穩(wěn)定的數(shù)值作為力學(xué)性能值。9. 如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述粘彈性測量方法包括以下步驟： a) 阻抗分析儀測量得到壓電雙晶片梁的導(dǎo)納的機(jī)電阻抗頻響曲線GMP，壓電雙晶片梁 的導(dǎo)納G的頻響公式為：其中，/ = λΠ ，Cc為壓電雙晶片梁的電容，ω為壓電雙晶片梁的振動(dòng)角頻率且ω = 2對， f為壓電雙晶片梁的振動(dòng)頻率，Ν為壓電雙晶片梁表征機(jī)電耦合性能大小的轉(zhuǎn)換系數(shù)，波長 _數(shù)〇 = cosAbL，參數(shù)s = sinAbL，參數(shù) m=coshAbL，參數(shù) \乂 n = sinhAbL，參數(shù)b) 通過導(dǎo)納的頻響公式擬合實(shí)驗(yàn)獲得的導(dǎo)納的機(jī)電阻抗頻響曲線GMP，直接獲得接觸 剛度kt和接觸阻尼C t，進(jìn)一步得到損耗接觸剛度?=ωΑ，其中，ωι為第i個(gè)測試點(diǎn)的接觸共 振角頻率； c) 待測樣品的粘彈性性能的表達(dá)式：其中，E'為待測樣品的存儲(chǔ)模量，E"為待測樣品的損耗模量，ri為待測樣品的損耗因子， Et為壓入針尖材料的楊氏模量，vt為壓入針尖材料的泊松比，^為待測樣品的泊松比； d)通過連續(xù)的壓入獲得不同深度處待測樣品的粘彈性性能，進(jìn)一步獲得其隨著壓入深 度的變化規(guī)律，最后取穩(wěn)定的數(shù)值作為待測樣品的粘彈性性能。
【文檔編號】G01N3/08GK105865923SQ201610373445
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】李法新, 付際, 夏榮煜
【申請人】北京大學(xué)