[发明专利]一种高精度应力测量方法

摘要

本发明涉及新材料研发领域，一种高精度应力测量方法，高精度应力测量装置包括外框架、弹性连接元件I、移动块I、弹性连接元件II、弹性连接元件III、移动块II、弹性连接元件IV、位移传感器、力学传感器、样品台I、样品、样品台II、致动器连接块、压电致动器I、压电致动器II、压电致动器III和计算机，采用基于压电致动器的位移结构，集成了力学传感器及位移传感器的用于高精度地测量材料样品所受应力，能够对样品施加高均匀性的单方向的应力，并能够测量样品的受力，能够对样品施加单方向的应力并快速测量样品上的受力实验步骤简单，测量精度高，方法包括装置校准、样品固定、对样品施加单方向的力和测量样品受到的力。

主权项

1.一种高精度应力测量方法，高精度应力测量装置包括外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)、弹性连接元件IV(7)、位移传感器(8)、力学传感器(9)、样品台I(10)、样品(11)、样品台II(12)、致动器连接块(13)、压电致动器I(14)、压电致动器II(15)、压电致动器III(16)、电缆和计算机，xyz为三维空间坐标系，外框架(1)、弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)由若干种金属材料加工成型为一体，弹性连接元件I(2)、移动块I(3)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)、移动块II(6)和弹性连接元件IV(7)沿x正方向依次排列，弹性连接元件I(2)、弹性连接元件II(4)、弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)均为长条形片状，移动块I(3)是通过弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)连接到外框架(1)的，移动块II(6)是通过弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)连接到外框架(1)的，使得移动块I(3)和移动块II(6)能够相对于外框架(1)移动，弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)将移动块I(3)的运动限制在x方向，移动块I(3)与弹性连接元件I(2)连接的一端的下侧具有一个凸起部；连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)将移动块II(6)的运动限制在x方向；样品台I(10)和样品台II(12)分别固定于移动块I(3)和移动块II(6)上，样品(11)为长条薄片状，样品(11)的两端分别通过环氧树脂固定于样品台I(10)和样品台II(12)上；致动器连接块(13)位于外框架(1)内的一侧且与外框架(1)无接触，压电致动器I(14)、压电致动器II(15)和压电致动器III(16)均为伸缩方向沿x的长条形压电陶瓷致动器、且均具有起始端和末端，压电致动器I(14)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器III(16)的起始端连接于外框架(1)、末端连接于致动器连接块(13)，压电致动器II(15)的起始端连接于移动块I(3)下侧的凸起部、末端连接于致动器连接块(13)；位移传感器(8)位于移动块I(3)与移动块II(6)之间，用于测量移动块I(3)与移动块II(6)之间的相对位移，位移传感器(8)位于样品(11)下方且与样品(11)无接触；力学传感器(9)位于移动块II(6)的x正方向一侧，用于测量移动块II(6)受到的力，位移传感器(8)和力学传感器(9)均通过电缆连接计算机；弹性连接元件I(2)和弹性连接元件II(4)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为0.8毫米、弹性系数为8牛/微米，弹性连接元件III(5)和弹性连接元件IV(7)的尺寸均是长度为20毫米、宽度为2毫米、弹性系数为20牛/微米；位移传感器(8)和力学传感器(9)均为电容式传感器；样品(11)典型尺寸长为12毫米、宽为2毫米、厚为0.2毫米；致动器连接块(13)由高刚性的碳钢材料制成，其特征是：所述一种高精度应力测量方法包括高精度应力测量装置的校准方法和高精度应力测量方法的步骤，高精度应力测量装置的校准方法为：采用激光干涉仪来确定位移传感器(8)的位移与其电容的关系，将不同的平面镜分别固定于移动块I(3)、移动块II(6)、外框架(1)，激光干涉仪的三个光纤头安装于外框架(1)上，用于测量上述各平面镜的位移；通过压电致动器II(15)使得移动块I(3)发生移动，并同时记录移动块I(3)在激光干涉仪中测得的位移及位移传感器(8)的电容，采用公式来拟合移动块I(3)的位移与位移传感器(8)的电容的关系并通过计算机对位移传感器(8)进行设置，其中ε为平行板电容中电介质的介电常数，d为平行板之间的距离，A为平行板的面积，C′代表装置中的杂散平行电容；采用同样的激光干涉方法来校准力学传感器(9)，将一块2mm厚的钛金属片的两端分别连接至移动块I(3)与移动块II(6)以使其之间没有相对位移，通过压电致动器II(15)、压电致动器I(14)及压电致动器III(16)使得移动块I(3)与移动块II(6)一起发生移动，并同时记录其在激光干涉仪中测得的位移及力学传感器(9)测得的力在计算机中的读数，并采用直线方程来拟合力学传感器(9)测得的力与移动块II(6)的位移的关系，通过计算机对力学传感器(9)进行设置，分别在大气中、真空环境的室温下和真空环境的1.5K温度下进行以上校准过程；高精度应力测量方法的步骤为：一，装置校准，采用激光干涉仪测量来确定位移传感器(8)的位移与其电容的关系，采用激光干涉仪测量来确定力学传感器(9)测得的力与移动块II(6)的位移的关系；二，样品固定，采用环氧树脂将样品(11)的两端分别固定于样品台I(10)和样品台II(12)上，并进行准直，使得样品(11)的长边严格沿着x方向；三，对样品施加单方向的力，对样品施加拉力：对压电致动器II(15)施加电压以使其伸长，使得移动块I(3)及样品台I(10)向x负方向移动，从而使得样品(11)受到拉力；对样品施加压力：对压电致动器I(14)及压电致动器III(16)施加电压以使其缩短，使得移动块I(3)及样品台I(10)向x正方向移动，从而使得样品(11)受到压力；四，测量样品受到的力，通过计算机读取力学传感器(9)测得的移动块II(6)受到的力，并结合位移传感器(8)测得的移动块I(3)与移动块II(6)之间的相对位移进行修正，最终确定样品(11)所受的力。