具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，其特征是包括：夹持机构，加载机构，对中机构，拉力传感器，光栅传感器，活动端支承机构和固定端支承机构。本发明专利技术能实现对微构件拉伸测试所需的夹持和微纳米级精度的加载，夹持和拉伸过程中有具有良好的对中性，能克服现有测试方法中夹持不对中引起的测量误差，并且操作方便，成本低。

Flexible hinge micro component tension test device with gripping centering

The invention discloses a clamping of flexible hinge guide micro component tensile test device, which comprises: a clamping mechanism, a loading mechanism, the mechanism of force sensor, grating sensor, movable end bearing mechanism and the fixed end support mechanism. The invention can achieve the required on the micro component tensile test clamp and micro nano precision loading, clamping and stretching process is good for neutral, can overcome the existing test methods of clamping the measuring error caused by the misalignment, and convenient operation, low cost.

【技术实现步骤摘要】
具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置
本专利技术涉及一种薄膜材料
的微纳材料的力学性能测试装置，具体的说是一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置。
技术介绍
随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种材料的微构件被广泛应用于微器件中。MEMS微构件的尺寸一般在毫米级到微米级，受加工工艺，尺寸效应，表面缺陷等因素影响，微尺寸下材料的力学性能与宏观尺寸下的力学性能可能发生较大的变化。因此微构件力学性能是研究MEMS重要的理论基础，对MEMS器件的可靠性设计十分重要。单轴拉伸试验是测量材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等参数最直接的方法，但由于微构件的尺寸小，传统拉伸测试设备存在试样的夹持，对中和加载等不足，需要设计出适应微构件力学性能测量的拉伸试验系统。目前，上海交通大学刘瑞等通过UV-LIGA技术制备了具有蛇形支撑弹簧的薄膜测试系统，清华大学温诗铸等采用动磁驱动方式，通过对激励电流的精确控制实现对驱动力的控制，哈尔滨工业大学周琴等采用步进电机驱动特制的左-右旋丝杠螺母副进行拉伸加载，车琳等在构件上施加拉压复合载荷，结合动静态测试实现对疲劳特性研究。这些测试技术还存在难以实现微力微位移加载，对中性差，试样制备复杂等缺点，不能适应各种薄膜材料的夹持和拉伸测试。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一种操作方便、成本低的具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，以期能克服现有测试方法中夹持不对中引起的测量误差，实现微力微位移的微纳米级精确加载，保证夹持和拉伸过程中良好的对中性，从而适应各种材料的微构件力学性能测试。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：本专利技术一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置的特点是包括：活动端夹持机构、固定端夹持机构、加载机构、对中机构、拉力传感器、光栅传感器、活动端支承机构和固定端支承机构；所述活动端支承机构包括：加载机构工作台、底座、活动端夹持机构工作台和精密直线导轨；所述固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台和五维微动台；所述对中机构包括：半导体激光器、半透半反镜、反射光线接收屏、第一透镜组、第一摄像机、折射光线接收屏、第二透镜组和第二摄像机；在所述底座上分别设置有所述加载机构工作台和精密直线导轨，且所述加载机构工作台与所述精密直线导轨的对称轴在同一竖直面上；在所述精密直线导轨上设置有所述活动端夹持机构工作台；在所述活动端夹持机构工作台上设置有活动端夹持机构，在所述活动端夹持机构工作台的一侧设置有所述光栅传感器；在所述加载机构工作台上设置有所述加载机构，在朝向所述加载机构工作台一侧的活动端夹持机构工作台上设置有所述拉力传感器；且所述拉力传感器与所述加载机构螺纹连接；在所述底座的前方设置有所述五维微动台；在所述五维微动台上设置有所述固定端夹持机构工作台；在所述固定端夹持机构工作台上设置有所述固定端夹持机构；且所述固定端夹持机构与所述活动端夹持机构相对设置，分别用于夹持拉伸试件的两端；由所述加载机构产生对所述活动端夹持机构的拉力，使得所述活动端夹持机构在所述精密直线导轨上移动，并拉伸所述拉伸试件；在所述固定端夹持机构上设置有所述半导体激光器；在所述活动端夹持机构上设置有所述半透半反镜；由所述半导体激光器发射的激光经过所述半透半反镜的处理分为折射光和反射光；在所述加载机构工作台后方的底座上，且处于所述折射光的光路上设置有所述折射光线接收屏；在所述第二摄像机上安装有所述第二透镜组，并用于采集所述折射光线接收屏上的折射光的光斑；在所述底座的一侧，且处于所述反射光的光路上设置有所述反射光线接收屏；在所述第一摄像机上安装有所述第一透镜组，并用于采集所述反射光线接收屏上的反射光的光斑。本专利技术所述的结合柔性铰链的微构件拉伸测试装置的特点也在于，加载机构包括：垫片、第一压电陶瓷驱动器和加载机构柔性铰链；所述加载机构柔性铰链是结构对称的多级放大柔性铰链机构，包括输入级放大结构、中间级放大结构和输出级放大结构；在所述输入级放大结构中设置有所述第一压电陶瓷驱动器和用于预紧的垫片；由所述第一压电陶瓷驱动器产生的位移量经过所述加载机构柔性铰链进行放大后输出。所述活动端夹持机构和所述固定端夹持机构的结构相同，均包括：第二压电陶瓷驱动器、夹持机构柔性铰链、楔形垫片组、右夹持头和左夹持头；所述夹持机构柔性铰链是结构对称的多级放大柔性铰链机构，其包括输入端放大结构和输出端放大结构；在所述输入端放大结构中设置有所述第二压电陶瓷驱动器和用于预紧的楔形垫片组；在所述输出端放大结构上设置有所述右夹持头和左夹持头；由所述第二压电陶瓷驱动器产生的位移量经过所述夹持机构柔性铰链进行放大后输出，使得所述右夹持头和左夹持头闭合夹紧。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术的加载机构和夹持机构都应用了柔性铰链机构，可通过改变每一级放大结构的杆长、铰链支点处最小厚度和铰链切口圆弧半径，来调整其整体放大比，采用压电陶瓷驱动器驱动，经柔性铰链将位移放大输出，可通过调节加载在压电陶瓷驱动器上的电压来实现微力微位移的精确加载，柔性铰链的结构对称设计，可以保证微构件的夹持对中，拉力加载方向沿着微构件伸长的轴线。2、本专利技术设计了对中机构，以激光准直特性为基础并结合折反射定律，采用正交二维相机获得包含平移和角偏移的激光光点图像信息，建立了二维位移和二维角偏移与激光器成像点变化的数学模型，依据该模型，对获取图像进行处理获得需要调整的二维平移和角偏移参数变量，可为微构件拉伸测试的对中过程提供调整参数并提高了拉伸测试数据的准确性，克服了测量中由于夹持不对中引起的实验误差。3、本专利技术选用的拉力传感器，根据被测材料的参考力学性能进行选型，可根据不同的被测材料进行替换，以适应多种不同材料的微构件力学性能测量。4、本专利技术所用器件和拉伸试件的制备工艺简单，实验操作方便，成本低，能满足多种材料的微构件力学性能的精确检测要求。附图说明图1是本专利技术测试装置的整体结构图；图2a是本专利技术活动端支承机构和光栅传感器的结构图；图2b是本专利技术固定端支承机构的结构图；图2c是本专利技术加载机构的结构图；图2d是本专利技术夹持机构的结构图；图3是本专利技术对中机构的成像光路原理图；图4是本专利技术拉伸试件的形状示意图；图中标号：1加载机构；2拉力传感器；3活动端夹持机构；4光栅传感器；5固定端夹持机构；6五维微动台；7半导体激光器；8半透半反镜；9第一透镜组；10第一摄像机；11反射光线接收屏；12第二透镜组；13第二摄像机；14折射光线接收屏；15拉伸试件；16工作台；17固定端夹持机构工作台；18底座；19精密直线导轨；20活动端夹持机构工作台；21光栅读数头；22光栅尺；23加载机构工作台；24精密角位移台；25精密旋转台；26第一精密平移台；27第二精密平移台；28精密升降台；29垫片；30第一压电陶瓷驱动器；31加载机构柔性铰链；32第二压电陶瓷驱动器；33夹持机构柔性铰链；34楔形垫片组；35右夹持头；36左夹持头。具体实施方式如图1所示，本实施例中，具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置包括：活动端夹持机构3、固定端夹持机构5、加载机构1、对中机构、拉力传感器2、光栅传感器4、活动端支承机构16和固定端支承本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，其特征是包括：活动端夹持机构(3)、固定端夹持机构(5)、加载机构(1)、对中机构、拉力传感器(2)、光栅传感器(4)、活动端支承机构(16)和固定端支承机构；所述活动端支承机构包括：加载机构工作台(23)、底座(18)、活动端夹持机构工作台(20)和精密直线导轨(19)；所述固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台(17)和五维微动台(6)；所述对中机构包括：半导体激光器(7)、半透半反镜(8)、反射光线接收屏(11)、第一透镜组(9)、第一摄像机(10)、折射光线接收屏(14)、第二透镜组(12)和第二摄像机(13)；在所述底座(18)上分别设置有所述加载机构工作台(23)和精密直线导轨(19)，且所述加载机构工作台(23)与所述精密直线导轨(19)的对称轴在同一竖直面上；在所述精密直线导轨(19)上设置有所述活动端夹持机构工作台(20)；在所述活动端夹持机构工作台(20)上设置有活动端夹持机构(3)，在所述活动端夹持机构工作台(20)的一侧设置有所述光栅传感器(4)；在所述加载机构工作台(23)上设置有所述加载机构(1)，在朝向所述加载机构工作台(23)一侧的活动端夹持机构工作台(20)上设置有所述拉力传感器(2)；且所述拉力传感器(2)与所述加载机构(1)螺纹连接；在所述底座(18)的前方设置有所述五维微动台(6)；在所述五维微动台(6)上设置有所述固定端夹持机构工作台(17)；在所述固定端夹持机构工作台(17)上设置有所述固定端夹持机构(5)；且所述固定端夹持机构(5)与所述活动端夹持机构(3)相对设置，分别用于夹持拉伸试件(15)的两端；由所述加载机构(1)产生对所述活动端夹持机构(3)的拉力，使得所述活动端夹持机构(3)在所述精密直线导轨(19)上移动，并拉伸所述拉伸试件(15)；在所述固定端夹持机构(5)上设置有所述半导体激光器(7)；在所述活动端夹持机构(3)上设置有所述半透半反镜(8)；由所述半导体激光器(7)发射的激光经过所述半透半反镜(8)的处理分为折射光和反射光；在所述加载机构工作台(23)后方的底座(18)上，且处于所述折射光的光路上设置有所述折射光线接收屏(14)；在所述第二摄像机(13)上安装有所述第二透镜组(12)，并用于采集所述折射光线接收屏(14)上的折射光的光斑；在所述底座(18)的一侧，且处于所述反射光的光路上设置有所述反射光线接收屏(11)；在所述第一摄像机(10)上安装有所述第一透镜组(9)，并用于采集所述反射光线接收屏(11)上的反射光的光斑。...

【技术特征摘要】
1.一种具有夹持对中引导的柔性铰链微构件拉伸测试装置，其特征是包括：活动端夹持机构(3)、固定端夹持机构(5)、加载机构(1)、对中机构、拉力传感器(2)、光栅传感器(4)、活动端支承机构(16)和固定端支承机构；所述活动端支承机构包括：加载机构工作台(23)、底座(18)、活动端夹持机构工作台(20)和精密直线导轨(19)；所述固定端支承机构包括：固定端夹持机构工作台(17)和五维微动台(6)；所述对中机构包括：半导体激光器(7)、半透半反镜(8)、反射光线接收屏(11)、第一透镜组(9)、第一摄像机(10)、折射光线接收屏(14)、第二透镜组(12)和第二摄像机(13)；在所述底座(18)上分别设置有所述加载机构工作台(23)和精密直线导轨(19)，且所述加载机构工作台(23)与所述精密直线导轨(19)的对称轴在同一竖直面上；在所述精密直线导轨(19)上设置有所述活动端夹持机构工作台(20)；在所述活动端夹持机构工作台(20)上设置有活动端夹持机构(3)，在所述活动端夹持机构工作台(20)的一侧设置有所述光栅传感器(4)；在所述加载机构工作台(23)上设置有所述加载机构(1)，在朝向所述加载机构工作台(23)一侧的活动端夹持机构工作台(20)上设置有所述拉力传感器(2)；且所述拉力传感器(2)与所述加载机构(1)螺纹连接；在所述底座(18)的前方设置有所述五维微动台(6)；在所述五维微动台(6)上设置有所述固定端夹持机构工作台(17)；在所述固定端夹持机构工作台(17)上设置有所述固定端夹持机构(5)；且所述固定端夹持机构(5)与所述活动端夹持机构(3)相对设置，分别用于夹持拉伸试件(15)的两端；由所述加载机构(1)产生对所述活动端夹持机构(3)的拉力，使得所述活动端夹持机构(3)在所述精密直线导轨(19)上移动，并拉伸所述拉伸试件(15)；在所述固定端夹持机构(5)上设置有所述半导体激光器(7)；在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王标，宁晓旭，王永红，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34