一種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺的制作方法
【專利摘要】一種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，包括由計算機組成的控制系統、隔振實驗臺、力學測試儀，隔振實驗臺臺面上有點陣式分布的定位螺孔，力學測試儀通過數據線與計算機組成的控制系統連接，其特征在于一個弧形軌道橫跨隔振實驗臺臺面的兩側安裝于隔振實驗臺臺面上方，一個成像儀器安裝于弧形軌道上，成像儀器通過數據線與控制系統連接。本測試平臺裝配靈活，功能多樣，為機械、材料等學科的力學性能研究與檢測提供了科學、有效的手段和方法，檢測結果對于揭示材料或試件在多尺度下的力學行為和破壞機制具有重要意義，可被廣泛應用于航空航天、汽車工業、生物醫學、微機電等不同工程領域。
【專利說明】一種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料的力學性能試驗和檢測儀器，具體涉及一種原位力學動態信息捕捉測試平臺。
【背景技術】
[0002]通常，材料的力學性能主要通過拉壓、扭轉、壓痕、彎曲等各種試驗機來測定。傳統上，無論是動、靜載荷，還是環境條件、變動載荷下的力學性能測試，其測試結果均以實施載荷后的變化量作為測試依據，而不能實時監測載荷實施中材料微變、損傷直至破壞的動態過程。隨著航空、航天技術和材料科學與軍事科學的發展，經典的宏觀材料力學性能試驗儀器設備所測試的材料參數和性能己經不能完全表征材料在更小尺度和極限條件服役的性能特性，需要引入更加直觀、精確的測試、觀察和分析手段，以此對材料的力學行為和破壞機制進行有效分析和深入研究。
[0003]為探索和揭示固態材料在拉-壓-彎-扭等載荷下宏-微觀跨尺度的動態變形行為，國內外少數機構正致力于開發和研制結合電子顯微學技術、激光共聚焦顯微成像技術、X射線衍射技術等微觀成像手段，用于在接近服役條件下測定固態材料動態、微觀力學性能的原位測試技術。該測試技術不僅能測定材料的各種力學參數，并且可以對材料在實驗過程中的微觀變形和損傷過程進行實時、在線觀測，將圖像學定性分析與數據定量分析相結合，以更新的視野和測試角度揭示出外界載荷作用下材料變形損傷的過程，發現更為新穎的現象和規律。
[0004]目前相關領域的研究工作僅將原位力學測試儀器與靜態圖像處理設備進行了配套研究與開發，還未考慮原位力學測試儀器與能夠全程監測動態圖像與測試過程的視頻捕捉與采集設備的配套問題，特別缺乏一套與能夠拍攝常規或高速動態過程設備集成的測試平臺，并解決相關技術問題，這無疑會錯過大量有用的試驗點，影響對動態力學實驗數據的全面分析。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種能夠實現高精度力學測試，跨尺度、多頻率動態圖像捕捉，并能有效避免測試振動造成器件間相互干擾的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺。
[0006]本發明的技術方案參閱【專利附圖】
【附圖說明】如下:
[0007]—種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，包括由計算機組成的控制系統1、隔振實驗臺
[0008]3和力學測試儀2，隔振實驗臺3臺面上設有點陣式分布的定位螺孔，力學測試儀2通過固定螺栓安裝于隔振實驗臺3臺面的定位螺孔處，力學測試儀2通過數據線與計算機組成的控制系統I連接，一個弧形軌道4橫跨隔振實驗臺3臺面的兩側并安裝于隔振實驗臺3臺面上方，一個成像儀器5通過成像儀器安裝支架6安裝于弧形軌道4上，一個光源8由柔性支架7固定于弧形軌道4上，成像儀器5通過數據線與控制系統I連接。[0009]所述隔振實驗臺3臺面上安裝一個透明罩9 ;所述的隔振實驗臺3基礎支撐內部采用蜂窩結構。
[0010]所述弧形軌道4中間有導槽14，成像儀器5通過一個儀器支架安裝在弧形軌道4上，所述儀器支架由橫支架10、縱支架緊固螺栓11、縱支架12、成像儀器安裝螺栓13組成，攝像機通過成像儀器安裝螺栓13固定在縱支架12上，縱支架12穿過橫支架10前端的套管與橫支架10套接，并由縱支架緊固螺栓11固定，橫支架10后端通過緊固螺母安裝在導槽14中。
[0011]所述成像儀器安裝支架6通過緊固螺母安裝在弧形滑道4上的導槽14中，并通過緊固螺母調節成像儀器安裝支架6的位置，從而進行不同角度的原位觀測，所述成像儀器安裝支架6由縱橫支架組成，縱支架12通過成像儀器安裝螺栓13與成像儀器5固定，縱支架12與橫支架10紙件通過縱支架緊固螺栓11固定、調節。
[0012]所述的柔性支架7通過緊固螺母安裝在導槽14的任意位置，通過移動或彎曲任意調節外用光源8的照射位置。
[0013]所述的力學測試儀器2是拉伸/壓縮精密力學測試儀。
[0014]所述的力學測試儀器2是扭轉精密力學測試儀。
[0015]所述的力學測試儀器3是壓痕精密力學測試儀。
[0016]所述的力學測試儀器2是彎曲精密力學測試儀。
[0017]本發明的有益效果在于，針對高精度力學測試的不同需求，在實現對小型試件常規力學性能數據進行獲取的同時，可通過測試平臺內拍攝器件與力學測試儀器的合理選配，可實現不同放大倍數和不同運動速度動態圖像的實時拍攝；通過拍攝器件在弧形軌道的自由定位，可實現多角度視場的任意選擇；通過自由選換力學測試儀器，可實現包括拉伸/壓縮、扭轉、壓痕、彎曲及各種疲勞等多種力學性能的原位測試。同時，各器件分別在隔振實驗臺上獨立安裝，可緩沖并降低因試件變形、斷裂等造成的沖擊振動，從而提高了圖像捕捉質量與測試數據精度。本測試平臺瞄準力學研究前沿，裝配靈活，功能多樣，創新性強，為機械、材料等學科的力學性能研究與檢測提供了科學、有效的手段和方法，檢測結果對于揭示材料或試件在多尺度下的力學行為和破壞機制具有重要意義。同時，本測試平臺還可被廣泛應用于航空航天、汽車工業、生物醫學、微機電等不同工程領域，具有較高的科研價值和良好的商業化前景。
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的整體外觀結構示意圖；
[0020]圖2為本發明的成像儀器調節機構的結構示意圖；
[0021]圖3為本發明的成像儀器與臺面呈O度角時的結構示意圖；
[0022]圖4為本發明使用的拉伸/壓縮精密力學測試儀結構示意圖；
[0023]圖5為本發明使用的扭轉精密力學測試儀結構示意圖；
[0024]圖6為本發明使用的壓痕精密力學測試儀結構示意圖；
[0025]圖7為本發明的彎曲精密力學測試儀結構示意圖。
[0026]圖中:1、控制系統；2、力學測試儀；3、隔振實驗臺；4、弧形軌道；5、成像儀器；6、成像儀器安裝支架；7、柔性支架；8、光源；9、透明罩；10、橫支架；11、縱支架緊固螺栓；12、縱支架；13、成像儀器安裝螺栓；14、導槽。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖所示實施例進一步說明本發明的具體內容及其實施方式。
[0028]一種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，包括由計算機組成的控制系統1、隔振實驗臺3和力學測試儀2，隔振實驗臺3臺面上有點陣式分布的定位螺孔，力學測試儀2通過固定螺栓安裝于隔振實驗臺3臺面的適當定位螺孔處，力學測試儀2通過數據線與計算機組成的控制系統I連接，一個弧形軌道4橫跨隔振實驗臺3臺面的兩側并安裝于隔振實驗臺3臺面上方，一個成像儀器5安裝于弧形軌道4上，一個光源8由柔性支架7固定于弧形軌道4上，成像儀器5通過數據線與控制系統I連接。
[0029]參見圖1至圖6，本發明的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，包括控制系統1、精密力學測試儀2、隔振實驗臺3、弧形軌道4、成像儀器5、成像儀器安裝支架6、柔性支架7、外用光源8、透明罩9及附屬零件等部分。
[0030]所述的控制系統I經數據線與力學測試儀2和成像儀器5連接，通過軟件實現對上述二種器件的控制，并實時獲取由此二器件工作形成的信號或數據。
[0031]所述的原位力學測試儀2由固定螺栓安裝于隔振實驗臺3的適當定位螺孔處，可以根據實驗的需要安裝為不同類型的原位力學測試儀器，如圖6中的拉伸/壓縮原位力學測試儀、圖7中的扭轉原位力學測試儀等，還可以安裝各種測試疲勞的實驗儀器，能夠分別實現材料的拉伸/壓縮、扭轉、壓痕、彎曲及各種疲勞的原位力學測試實驗，以此來測定材料的不同力學性能參數。
[0032]所述的隔振實驗臺3基礎支撐采用復合材料固體阻尼隔振，內心采用蜂窩結構，臺面分布有不變形M6安裝螺孔，呈間距25X25或50X50mm點陣式分布，固有頻率不大于6Hz，振幅不大于5um，結構穩固可靠，能夠有效減輕各種原位力學測試儀器及其所測試件在測試過程中的機械振動，從而使得被測試件在整個測試過程中都能夠被成像系統清晰捕捉，使得測試實驗的原位觀測質量提升，便于觀測分析材料的微觀變形、損傷和斷裂過程，從而更加深入的揭示材料的力學特性和損傷機制。
[0033]所述的弧形軌道4通過緊固螺栓安裝在隔振實驗臺3的適當定位螺孔處，上面有一個半圓形的弧形軌道14，通過調節緊固螺母，可以使成像儀器安裝支架6在稻草14上無級移動，以此實現成像儀器5從不同角度的監測。
[0034]所述的成像儀器5由成像儀器安裝支架6通過緊固螺母固定于弧形軌道4上，松動緊固螺母可實現成像儀器5以任意位置在弧形軌道4上定位。成像儀器5可以實現對力學測試儀2上試件的動態、實時拍攝，其參數范圍為，拍攝頻率:30楨一 10000楨/秒；視場:
0.01X0.01— 20X20mm;分辨率:512X512—1920X 1080 像素；放大倍率:1:1—1:1000。
[0035]所述的成像儀器安裝支架6由橫支架10、縱支架緊固螺栓11、縱支架12、成像儀器安裝螺栓13等部分組成。如圖2所示，成像儀器安裝支架6通過緊固螺母安裝在弧形軌道4上的稻草14中，根據實驗具體需要和力學測試儀2的安裝狀況，可以通過緊固螺母調節成像儀器安裝支架6的位置，從而進行不同角度的原位觀測。通過縱支架緊固螺栓11還可以調節成像儀器5與被測試件的距離。[0036]所述的外用光源8由柔性支架7通過緊固螺母固定于弧形軌道4上，為成像儀器5提供足夠的光線，通過移動或彎曲柔性支架7可以任意調節外用光源8的照射位置，以實現拍攝效果達到最佳。
[0037]所述的透明罩9通過合頁安裝于隔振實驗臺3上，能夠有效減輕外界因素對測試實驗的干擾，通過透明罩9 一側的把手可以將其掀起放到隔振實驗臺3的一側。
[0038]本發明在具體的測試過程中，首先，要根據測試實驗的需要選取不同類型的力學測試儀2，打開透明罩9，用專用的固定螺栓將所選取的力學測試儀2安裝在隔振實驗臺3的適當位置；其次，按所選取的力學測試儀2的要求將所要測試的材料加工成標準尺寸的試驗樣件，并利用小型拋光機對試件進行拋光處理得到可用于高分辨率顯微成像監測的較好表面光潔度；然后，將加工好的實驗樣件安裝于力學測試儀2的夾具上，定位夾緊待測；再次，調節系統，分別打開控制系統I和成像儀器5，通過調整成像儀器安裝支架6使成像儀器5的鏡頭以合適的角度和距離正對被測試件的適當位置，通過調節柔性支架7使外用光源8處于合適的位置，打開外用光源8，再次調節成像儀器5的位置和鏡頭的焦距及光圈大小以及外用光源8的位置，使被測試件能夠呈現出清晰完整的圖像，關閉外用光源8，關閉透明罩9，準備測試；最后，開始測試:再次打開外用光源8，開始成像系統監測，打開給定載荷測試的變形或載荷控制方式，以脈沖輸出的方式驅動開始測試過程，即通過測試算法程序設定測試條件和參數，在時序脈沖控制信號作用下精密直流伺服電機輸出精確角位移，最終實現對標準試件的超低速準靜態加載，測試過程中力學測試儀2上的精密傳感器對載荷F進行檢測，并通過算法程序作必要的修正處理；同時試件的變形量h由力學測試儀2上的精密位移傳感器同步拾取，兩路信號通過模數轉換并進行必要的信號調理后送入計算機。在測試的整個過程中，被測標準試件在載荷作用下材料的變形損傷情況由成像儀器5進行動態監測，同時對此進行錄像并保存，通過上位機調試軟件亦可實時獲取表征材料力學性能的彈性模量、屈服強度、切變模量及破壞強度等重要力學參數。通過對材料組織的微觀變形及其破壞、損傷狀況視頻圖像的分析，配合表征材料力學性能的各種參數，便可對材料在載荷作用下的變形損傷機制及其力學服役行為進行深入研究，從而更加透徹的了解材料的性能。
【權利要求】
1.一種跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，包括由計算機組成的控制系統(I)、隔振實驗臺(3)和力學測試儀(2)，隔振實驗臺(3)臺面上設有點陣式分布的定位螺孔，力學測試儀(2)通過固定螺栓安裝于隔振實驗臺(3)臺面的定位螺孔處，力學測試儀(2)通過數據線與計算機組成的控制系統(I)連接，其特征在于: 一個弧形軌道(4)橫跨隔振實驗臺(3)臺面的兩側并安裝于隔振實驗臺(3)臺面上方，一個成像儀器(5 )通過成像儀器安裝支架(6 )安裝于弧形軌道(4 )上，一個光源(8 )由柔性支架(7)固定于弧形軌道(4)上，成像儀器(5)通過數據線與控制系統(I)連接。
2.根據權利要求1所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述隔振實驗臺(3)臺面上安裝一個透明罩(9);所述的隔振實驗臺(3)基礎支撐內部采用蜂窩結構。
3.根據權利要求1或2所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述弧形軌道(4)中間有導槽(14)，成像儀器(5)通過一個儀器支架安裝在弧形軌道(4)上，所述儀器支架由橫支架(10)、縱支架緊固螺栓(11)、縱支架(12)、成像儀器安裝螺栓(13)組成，攝像機通過成像儀器安裝螺栓(13)固定在縱支架(12)上，縱支架(12)穿過橫支架(10)前端的套管與橫支架(10)套接，并由縱支架緊固螺栓(11)固定，橫支架(10)后端通過緊固螺母安裝在導槽(14)中。
4.根據權利要求3所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述成像系統安裝支架(6)通過緊固螺母安裝在弧形滑道(4)上的導槽(14)中，并通過緊固螺母調節成像系統安裝支架(6)的位置，從而進行不同角度的原位觀測，所述成像儀器安裝支架(6)由縱橫支架組成，縱支架(12)通過成像系統安裝螺栓(13)與成像儀器(5)固定，縱支架(12)與橫支架(10)紙件通過縱支架緊固螺栓(11)固定、調節。
5.根據權利要求3所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于:所述的柔性支架(7)通過緊固螺母安裝在導槽(14)的任意位置，通過移動或彎曲任意調節外用光源(8)的照射位置。
6.根據權利要求1所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述的力學測試儀器(2)是拉伸/壓縮精密力學測試儀。
7.根據權利要求1所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述的力學測試儀器(2)是扭轉精密力學測試儀。
8.根據權利要求1所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于: 所述的力學測試儀器(3)是壓痕精密力學測試儀。
9.根據權利要求1所述的跨尺度原位力學動態捕捉測試平臺，其特征在于:所述的力學測試儀器(2)是彎曲精密力學測試儀。
【文檔編號】G01N3/00GK103543061SQ201310478178
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月13日 優先權日:2013年6月19日
【發明者】張志輝, 王書鵬, 任露泉, 趙宏偉, 梁云虹, 朱冰, 李凌, 余軒 申請人:吉林大學
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