本发明专利技术公开了一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台，包括安装于底板上与光学显微镜的载物台连接的温湿度控制单元、调平单元、力学测试单元和夹持单元，以及控制单元。本发明专利技术结合光学显微镜的成像特点，对特征尺度在厘米级的样品进行精确拉伸控制；利用光学三自由度位移平台保证样品水平，成像对准精度高，与显微镜相机成像相结合，从微/介观尺度对材料进行拉伸加载的原位力学测试；广泛适用于普通光学显微镜、倒置荧光显微镜和共聚焦显微镜等成像系统；特别适用于软材料、生物组织材料的微观原位力学测试；通过集成式的快速按钮操作，具有质量轻、体积小、工作稳定、操作灵活方便的特点。便的特点。便的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台
[0001]本专利技术属于细观实验力学测试
，尤其涉及一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台。
技术介绍
[0002]力学加载装置与直接成像观察相结合的微细观原位力学测试方法，对理解材料变形机制具有重要的意义。原位力学测试方法是利用显微成像仪器对被测试件在进行力学性能测试的同时对试件进行连续的实时分析，将样品的力学性能参数与显微成像仪器收集的微观形貌结果相结合，研究材料力学性能参数与微观形貌之间的关系，可对材料发生的微观变形、损伤和失效破坏的过程进行实时动态测量,从而进行材料的力学行为和变形损伤机制的研究。
[0003]原位力学加载装置通常集成度高、体积小、与其他成像装置结合进行力学表征，比如光学显微镜，扫描电子显微镜(SEM)，投射电子显微镜(TEM)和计算机断层扫描(CT)等仪器。其中，光学显微镜因具有较高的成像速度和大视场范围，同时适用于观察活细胞和生物组织，对操作环境要求低等特点，在原位力学测试领域得到了广泛的应用，特别是共聚焦显微镜具有良好的空间分辨率及对光学透明材料的三维成像能力，拓宽了光学成像方法在原位力学测试和分析领域的应用范围。结合以上成像仪器，得到样品在加载和失效演变过程的图像，进而运用数字图像相关(DIC)等非接触测量分析技术对样品的进一步表征。
[0004]国内已经有不少使用原位拉伸装置对材料的力学性能进行测试并同时对材料微观结构进行实时观察和分析的论文发表，基于原位拉伸的力学装置在已经有了一定的发展和应用，当前的大多数进展将测试样品的范围扩展到前沿学科领域，从而测试诸生物组织、水凝胶、柔性电子器件等软材料样品。其中荧光显微镜是目前应用最为广泛的用于软材料原位力学观察的工具之一，在医学、生物学、材料学等学科中得到了广泛的使用。
[0005]与光学显微镜相结合的原位拉伸力学测试实验中，最重要的挑战之一是：光学显微镜成像对样品的夹持的水平度较高，尤其软材料在夹持的过程中发生厚度方向的形变，软材料由于夹持变形引起对成像质量的干扰难以抵消，同时活细胞等生物样品需要在一定的温度和适度范围内被观察和检测，因此对拉伸系统有着恒温恒湿的技术要求。常规的倒置荧光显微镜的实验平台无法满足。
[0006]综上所述，研发能够与光学显微成像装置相结合的原位力学性能测试平台，满足光学成像要求，实现温度湿度等环境因素的控制，在微细观尺度上得到高质量图像，对软材料力学性能的原位测试研究具有重要意义。
技术实现思路
[0007]为了解决现有光学成像的原位加载装置无法消除软材料样品夹持微小变形对成像的影响，难以在狭小的空腔内进行较高精度的温湿度控制的难题，本专利技术提出一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台，用于在光学显微镜下对软材料样品进行单轴拉伸和
压缩试验，并通过数字图像处理技术进行原位微细观力学表征，本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台，其特征在于，包括安装于底板上与光学显微镜的载物台连接的温湿度控制单元、调平单元、夹持单元、力学测试单元，以及控制单元，其中，
[0009]所述底板与所述光学显微镜的载物台结合；所述夹持单元一端与所述调平单元连接，另一端与所述力学测试单元连接；
[0010]所述温湿度控制单元用于调节样品所处环境的温度和湿度，包括温湿度传感器、陶瓷加热片、第一密封外壳、滑轨、第二密封外壳、加湿器导气管和温湿度控制器，其中，所述第一密封外壳和所述第二密封外壳与所述光学显微镜的载物台相匹配并密封形成密闭的环境箱，通过所述滑轨安装于所述底板上，能够沿所述滑轨向两侧滑动实现环境箱打开和关闭；所述温湿度传感器的传感面向上安装在所述底板上，输出信号输出至所述温湿度控制器；四个所述陶瓷加热片并联均布于所述第一密封外壳和所述第二密封外壳的顶部内壁上；所述加湿器导气管包括干燥空气进气管和湿润空气进气管，安装于所述第一密封外壳的一侧；所述温湿度控制器控制所述陶瓷加热片和所述加湿器导气管；
[0011]所述调平单元用于水平度检测及调平样品，包括三自由度平移台、微型相机，其中，所述三自由度平移台顶部和底部分别与第一夹具和所述底板连接，通过所述微型相机对样品侧面成像与光学显微镜成像相结合检查样品夹持的水平度，微调所述三自由度平移台，保证夹持样品的水平度；
[0012]所述夹持单元包括第一夹具和第二夹具，用于夹持样品；
[0013]所述力学测试单元用于对样品进行拉伸或压缩，包括第二夹具、联轴器、外置式拉力传感器和微型伺服电动缸，其中，所述第二夹具与所述外置式拉力传感器连接，通过所述联轴器连接至安装在所述底板上的所述微型伺服电动缸；所述微型伺服电动缸作为驱动元件提供精确位移，当所述微型伺服电动缸对样品进行拉伸压缩实验时，所述外置式拉力传感器能够实时采集样品受到的拉力或压力，实现原位测量；
[0014]所述控制单元包括集成于集成式控制箱中的微型伺服电动缸驱动器、直流电源、可编程逻辑控制器和快速按钮，其中，所述直流电源为所述微型伺服电动缸驱动器和所述可编程逻辑控制器供电，所述快速按钮与所述可编程逻辑控制器的输入端连接，提供控制信号，所述可编程逻辑控制器的输出端与所述微型伺服电动缸驱动器连接，提供脉冲信号；
[0015]所述力学性能测试平台的工作过程为：将所述力学性能测试平台安装于所述光学显微镜的载物台上，通过所述快速按钮复位所述微型伺服电动缸到达夹持样品的位置；将样品的两端分别夹持于所述第一夹具和所述第二夹具上，用螺丝固定；通过所述微型相机观察样品的水平度，通过调节所述三自由度平移台调平样品；关闭所述第一密封外壳和所述第二密封外壳，开启所述温度湿度控制单元调节平台内的温湿度；通过计算机控制所述可编程逻辑控制器进而控制所述微型伺服电动缸的速度和距离，按下所述快速按钮开始测试，配合所述光学显微镜成像和所述外置式拉力传感器实时获取数据实现对样品的原位力学测试；一旦所述微型伺服电动缸出现故障，能够通过所述快速按钮紧急制动，防止出现事故损坏所述光学显微镜。
[0016]进一步地，所述第一密封外壳和所述第二密封外壳的内壁设置锡纸层。
[0017]进一步地，所述第一夹具和所述第二夹具的夹持样品部位均包括上夹头和下夹头，所述上夹头和所述下夹头的表面均设置牙纹防止样品滑动，通过螺丝将样品夹持在所述第一夹具和所述第二夹具之间。
[0018]进一步地，所述外置式拉力传感器为S型传感器。
[0019]进一步地，所述外置式拉力传感器的最大量程不少于50N、精度不低于0.01N。
[0020]进一步地，所述温湿度传感器为数字信号温湿度传感器，所述温湿度控制器为开源电子原型控制平台。
[0021]进一步地，所述微型相机为镜头直径小于10mm的微型相机。
[0022]进一步地，所述微型伺服电动缸为最大行程不少于50mm、运动精度不低于0.02mm的微型伺服电动缸。
[0023]进一步地，所述力学性能测试平台尺寸与所述光学显微镜的载物台尺本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光学显微镜的原位力学性能测试平台，其特征在于，包括安装于底板(1)上与光学显微镜的载物台连接的温湿度控制单元、调平单元、夹持单元、力学测试单元，以及控制单元，其中，所述底板(1)与所述光学显微镜的载物台结合；所述夹持单元一端与所述调平单元连接，另一端与所述力学测试单元连接；所述温湿度控制单元用于调节样品所处环境的温度和湿度，包括温湿度传感器(2)、陶瓷加热片(4)、第一密封外壳(5)、滑轨(8)、第二密封外壳(13)、加湿器导气管(15)和温湿度控制器，其中，所述第一密封外壳(5)和所述第二密封外壳(13)与所述光学显微镜的载物台相匹配并密封形成密闭的环境箱，通过所述滑轨(8)安装于所述底板(1)上，能够沿所述滑轨(8)向两侧滑动实现环境箱打开和关闭；所述温湿度传感器(2)的传感面向上安装在所述底板(1)上，输出信号输出至所述温湿度控制器；四个所述陶瓷加热片(4)并联均布于所述第一密封外壳(5)和所述第二密封外壳(13)的顶部内壁上；所述加湿器导气管(15)包括干燥空气进气管和湿润空气进气管，安装于所述第一密封外壳(5)的一侧；所述温湿度控制器控制所述陶瓷加热片(4)和所述加湿器导气管(15)；所述调平单元用于水平度检测及调平样品，包括三自由度平移台(3)、微型相机(14)，其中，所述三自由度平移台(3)顶部和底部分别与第一夹具(6)和所述底板(1)连接，通过所述微型相机(14)对样品侧面成像与光学显微镜成像相结合检查样品夹持的水平度，微调所述三自由度平移台(3)，保证夹持样品的水平度；所述夹持单元包括第一夹具(6)和第二夹具(9)，用于夹持样品；所述力学测试单元用于对样品进行拉伸或压缩，包括第二夹具(9)、联轴器(11)、外置式拉力传感器(10)和微型伺服电动缸(12)，其中，所述第二夹具(9)与所述外置式拉力传感器(10)连接，通过所述联轴器(11)连接至安装在所述底板(1)上的所述微型伺服电动缸(12)；所述微型伺服电动缸(12)作为驱动元件提供精确位移，当所述微型伺服电动缸(12)对样品进行拉伸压缩实验时，所述外置式拉力传感器(10)能够实时采集样品受到的拉力或压力，实现原位测量；所述控制单元包括集成于集成式控制箱(16)中的微型伺服电动缸驱动器(17)、直流电源(18)、可编程逻辑控制器(19)和快速按钮(20)，其中，所述直流电源(18)为所述微型伺服电动缸驱动器(17)和所述可编程逻辑控制器(19)供电，所述快速按钮(20)与所述可编程逻辑控制器(19)的输入端连接，提供控制信号，所述可编程逻辑控制器(19)的输出端与所述微型伺服电动缸驱动器(17)连接，提供脉冲信号；所述力学性能测试平台的工作过程为：将所述力学性能测试平台安装于所述光学显微镜的载物台上，通过所述快速按钮(20)复位所述微型伺服电动缸(12)到达夹持样品的位置；将样品的两端分别夹持于所述第一夹具(6)和所述第二夹具(9)上，用螺丝固定；通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐晔，杨绍华，陶郦祎铭，高唅，李刘合，张佩佩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。