[发明专利]一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置及方法

权利要求书

1.一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，包括水平放置的基座(1)，其特征在于：基座(1)通过两根垂直布置的支撑臂(2)和顶盖板(8)连接，顶盖板(8)连接托架框(6)，托架框(6)的底部和顶盖板(8)的中部均设有支撑主轴(17)的磁悬浮轴承(20)，主轴(17)的中部通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)与托架框(6)的内壁连接，第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)在水平支撑方向呈十字交叉布置，主轴(17)的下端连接有上夹紧装置(5-2)，上夹紧装置(5-2)和待测试样(21)的上端连接，待测试样(21)的下端和下夹紧装置(5-1)连接，下夹紧装置(5-1)连接在伺服马达(4-2)的输出轴(24)上，伺服马达(4-2)固定在位置调整装置(4-1)上，位置调整装置(4-1)连接在支撑臂(2)上的高精度垂直移动导轨(3)上；

在顶盖板(8)的顶面设有托架框调节旋钮(9)，通过托架框调节旋钮(9)能够带动托架框(6)绕托架框(6)中心旋转；顶盖板(8)的顶面靠近主轴(17)的位置设有电磁体(10)，电磁体(10)与主轴(17)上端连接的上磁盘(11)通过磁斥力作用使主轴(17)悬浮；主轴(17)的下端设有下磁盘(19)，托架框(6)底部连接的位置检测元件(18)对下磁盘(19)上下面的位置进行检测，主轴(17)的顶端连接有反射镜(12)，反射镜(12)的反射面与主轴(17)的回转中心共面安装，在顶盖板(8)的顶面的边部还设有一个平行激光发射器(15)和测量尺(14)，平行激光发射器(15)所发出的入射光线(22)通过测量尺(14)上面的小孔照射到反射镜(12)，并由反射镜(12)反射到测量尺(14)上。

2.根据权利要求1所述的一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，其特征在于：所述的顶盖板(8)的下方设有环型槽(13)，托架框(6)为圆筒型，托架框(6)上端靠近环形槽(13)处含有齿圈，三个紧固套(16)压紧该齿圈，齿圈的轮齿与托架框调节旋钮(9)下方的小齿轮连接，托架框调节旋钮(9)的转动可带动托架框(6)进行旋转。

3.根据权利要求1所述的一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，其特征在于：所述的上磁盘(11)和下磁盘(19)均由外环(11-1)和内环(11-2)组成，内环(11-2)采用非磁性材料制成，外环(11-1)为永磁体，在托架框(6)里面的下磁盘(19)较顶盖板(8)上方的上磁盘(11)大，下磁盘(19)与位置检测元件(18)共同构成主轴(17)的轴向位置检测系统。

4.根据权利要求1所述的一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，其特征在于：所述的第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)采用刚度较小的金属纤维丝/薄片制成。

5.根据权利要求1所述的一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，其特征在于：所述的下夹紧装置(5-1)和上夹紧装置(5-2)包括通过螺纹(25)联接在一起的夹具外箍(26)和夹具内芯(27)，夹具外箍(26)和夹具内芯(27)的前端均为锥形面(28)；下夹紧装置(5-1)的夹具内芯(27)的后端与伺服马达(4-2)的输出轴(24)连接，上夹紧装置(5-2)的夹具内芯(27)的后端与主轴(17)的下端连接，下夹紧装置(5-1)和上夹紧装置(5-2)的夹具内芯(26)的前端中空，分为上下两半唇(29)，并且两半唇(29)均含有用于定位的自动定心的V型槽。

6.根据权利要求1所述的一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将基座(1)放置在水平面上，启用电磁体(10)和上磁盘(11)之间的磁引力将两者吸合在一起，阻止主轴(17)的转动；

第二步，将待测试样(21)的上端锁紧在与主轴(17)连接的上夹紧装置(5-2)中，启动电磁体(10)和上磁盘(11)之间的磁斥力将主轴(17)缓慢拖起并稳定在悬浮状态，待测试样(21)的另一端在重力作用下自然垂下；

第三步，调整位置调整装置(4-1)的位置，使待测试样(21)的下端恰好垂直通过与伺服马达(4-2)的输出轴(24)连接的下夹紧装置(5-1)的回转中心轴线位置；

第四步，启动平行激光发射器(15)，使入射光线(22)垂直并通过主轴(17)的回转中心，观测反射光线(23)落在测量尺(14)上位置，通过调节托架框调节旋钮(9)，使入射光线(22)与反射光线(23)重合后，将待测试样(21)的下端锁紧在与伺服马达(4-2)的输出轴(24)相连的下夹紧装置(5-1)中；

第五步，启动伺服马达(4-2)，控制伺服马达(4-2)的转动，伺服马达(4-2)的转矩或转角通过被测试样(21)传递给主轴(17)；同时，亦通过调整主轴(17)上端部电磁斥力的大小和位置调整装置(4-1)的垂直位置，控制被测试样(21)预拉力的大小；主轴(17)带动两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)产生弹性变形，进行旋转，并通过反射镜(12)使平行激光发射器(15)发出的入射光线(22)呈一定角度反射到测量尺(14)上；

第六步，根据反射光线(23)落在测量尺(14)上位置偏移原点的距离S和反射镜(12)距测量尺(14)的距离L，即得到式(1)主轴(17)的旋转角度θ，

根据伺服马达(4-2)的转角和主轴(17)的旋转角度θ，得到式(2)待测试样(21)的扭转角度ψ，

通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)的扭转刚度k和待测试样(21)的扭转角度ψ，得到式(3)待测试样(21)的扭矩T和扭转角ψ的关系，

T＝k×ψ (3)

两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝(7-1)和第二游丝(7-2)的扭转刚度k通过计算公式(4)得到，

式中，M为作用在游丝上的转矩，E为材料的弹性模量，h为游丝的厚度，b为宽度，L为游丝工作弧线长度；

第七步，通过综合控制主轴(17)电磁斥力和伺服马达(4-2)的转动角度大小，即实现对待测试样(21)在微纳尺度的原位扭转拉伸不同性能的测试。