本發(fā)明涉及一種薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域的微納材料的力學(xué)性能測試裝置，具體的說是一種具有夾持對中引導(dǎo)的柔性鉸鏈微構(gòu)件拉伸測試裝置。

背景技術(shù)：

隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種材料的微構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于微器件中。MEMS微構(gòu)件的尺寸一般在毫米級到微米級，受加工工藝，尺寸效應(yīng)，表面缺陷等因素影響，微尺寸下材料的力學(xué)性能與宏觀尺寸下的力學(xué)性能可能發(fā)生較大的變化。因此微構(gòu)件力學(xué)性能是研究MEMS重要的理論基礎(chǔ)，對MEMS器件的可靠性設(shè)計十分重要。單軸拉伸試驗是測量材料彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度等參數(shù)最直接的方法，但由于微構(gòu)件的尺寸小，傳統(tǒng)拉伸測試設(shè)備存在試樣的夾持，對中和加載等不足，需要設(shè)計出適應(yīng)微構(gòu)件力學(xué)性能測量的拉伸試驗系統(tǒng)。

目前，上海交通大學(xué)劉瑞等通過UV-LIGA技術(shù)制備了具有蛇形支撐彈簧的薄膜測試系統(tǒng)，清華大學(xué)溫詩鑄等采用動磁驅(qū)動方式，通過對激勵電流的精確控制實現(xiàn)對驅(qū)動力的控制，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周琴等采用步進電機驅(qū)動特制的左-右旋絲杠螺母副進行拉伸加載，車琳等在構(gòu)件上施加拉壓復(fù)合載荷，結(jié)合動靜態(tài)測試實現(xiàn)對疲勞特性研究。這些測試技術(shù)還存在難以實現(xiàn)微力微位移加載，對中性差，試樣制備復(fù)雜等缺點，不能適應(yīng)各種薄膜材料的夾持和拉伸測試。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作方便、成本低的具有夾持對中引導(dǎo)的柔性鉸鏈微構(gòu)件拉伸測試裝置，以期能克服現(xiàn)有測試方法中夾持不對中引起的測量誤差，實現(xiàn)微力微位移的微納米級精確加載，保證夾持和拉伸過程中良好的對中性，從而適應(yīng)各種材料的微構(gòu)件力學(xué)性能測試。

為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種具有夾持對中引導(dǎo)的柔性鉸鏈微構(gòu)件拉伸測試裝置的特點是包括：活動端夾持機構(gòu)、固定端夾持機構(gòu)、加載機構(gòu)、對中機構(gòu)、拉力傳感器、光柵傳感器、活動端支承機構(gòu)和固定端支承機構(gòu)；

所述活動端支承機構(gòu)包括：加載機構(gòu)工作臺、底座、活動端夾持機構(gòu)工作臺和精密直線導(dǎo)軌；

所述固定端支承機構(gòu)包括：固定端夾持機構(gòu)工作臺和五維微動臺；

所述對中機構(gòu)包括：半導(dǎo)體激光器、半透半反鏡、反射光線接收屏、第一透鏡組、第一攝像機、折射光線接收屏、第二透鏡組和第二攝像機；

在所述底座上分別設(shè)置有所述加載機構(gòu)工作臺和精密直線導(dǎo)軌，且所述加載機構(gòu)工作臺與所述精密直線導(dǎo)軌的對稱軸在同一豎直面上；在所述精密直線導(dǎo)軌上設(shè)置有所述活動端夾持機構(gòu)工作臺；在所述活動端夾持機構(gòu)工作臺上設(shè)置有活動端夾持機構(gòu)，在所述活動端夾持機構(gòu)工作臺的一側(cè)設(shè)置有所述光柵傳感器；在所述加載機構(gòu)工作臺上設(shè)置有所述加載機構(gòu)，在朝向所述加載機構(gòu)工作臺一側(cè)的活動端夾持機構(gòu)工作臺上設(shè)置有所述拉力傳感器；且所述拉力傳感器與所述加載機構(gòu)螺紋連接；

在所述底座的前方設(shè)置有所述五維微動臺；在所述五維微動臺上設(shè)置有所述固定端夾持機構(gòu)工作臺；在所述固定端夾持機構(gòu)工作臺上設(shè)置有所述固定端夾持機構(gòu)；且所述固定端夾持機構(gòu)與所述活動端夾持機構(gòu)相對設(shè)置，分別用于夾持拉伸試件的兩端；由所述加載機構(gòu)產(chǎn)生對所述活動端夾持機構(gòu)的拉力，使得所述活動端夾持機構(gòu)在所述精密直線導(dǎo)軌上移動，并拉伸所述拉伸試件；

在所述固定端夾持機構(gòu)上設(shè)置有所述半導(dǎo)體激光器；在所述活動端夾持機構(gòu)上設(shè)置有所述半透半反鏡；由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光經(jīng)過所述半透半反鏡的處理分為折射光和反射光；

在所述加載機構(gòu)工作臺后方的底座上，且處于所述折射光的光路上設(shè)置有所述折射光線接收屏；在所述第二攝像機上安裝有所述第二透鏡組，并用于采集所述折射光線接收屏上的折射光的光斑；

在所述底座的一側(cè)，且處于所述反射光的光路上設(shè)置有所述反射光線接收屏；在所述第一攝像機上安裝有所述第一透鏡組，并用于采集所述反射光線接收屏上的反射光的光斑。

本發(fā)明所述的結(jié)合柔性鉸鏈的微構(gòu)件拉伸測試裝置的特點也在于，

加載機構(gòu)包括：墊片、第一壓電陶瓷驅(qū)動器和加載機構(gòu)柔性鉸鏈；

所述加載機構(gòu)柔性鉸鏈?zhǔn)墙Y(jié)構(gòu)對稱的多級放大柔性鉸鏈機構(gòu)，包括輸入級放大結(jié)構(gòu)、中間級放大結(jié)構(gòu)和輸出級放大結(jié)構(gòu)；

在所述輸入級放大結(jié)構(gòu)中設(shè)置有所述第一壓電陶瓷驅(qū)動器和用于預(yù)緊的墊片；

由所述第一壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生的位移量經(jīng)過所述加載機構(gòu)柔性鉸鏈進行放大后輸出。

所述活動端夾持機構(gòu)和所述固定端夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，均包括：第二壓電陶瓷驅(qū)動器、夾持機構(gòu)柔性鉸鏈、楔形墊片組、右夾持頭和左夾持頭；

所述夾持機構(gòu)柔性鉸鏈?zhǔn)墙Y(jié)構(gòu)對稱的多級放大柔性鉸鏈機構(gòu)，其包括輸入端放大結(jié)構(gòu)和輸出端放大結(jié)構(gòu)；

在所述輸入端放大結(jié)構(gòu)中設(shè)置有所述第二壓電陶瓷驅(qū)動器和用于預(yù)緊的楔形墊片組；

在所述輸出端放大結(jié)構(gòu)上設(shè)置有所述右夾持頭和左夾持頭；

由所述第二壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生的位移量經(jīng)過所述夾持機構(gòu)柔性鉸鏈進行放大后輸出，使得所述右夾持頭和左夾持頭閉合夾緊。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的加載機構(gòu)和夾持機構(gòu)都應(yīng)用了柔性鉸鏈機構(gòu)，可通過改變每一級放大結(jié)構(gòu)的桿長、鉸鏈支點處最小厚度和鉸鏈切口圓弧半徑，來調(diào)整其整體放大比，采用壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動，經(jīng)柔性鉸鏈將位移放大輸出，可通過調(diào)節(jié)加載在壓電陶瓷驅(qū)動器上的電壓來實現(xiàn)微力微位移的精確加載，柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計，可以保證微構(gòu)件的夾持對中，拉力加載方向沿著微構(gòu)件伸長的軸線。

2、本發(fā)明設(shè)計了對中機構(gòu)，以激光準(zhǔn)直特性為基礎(chǔ)并結(jié)合折反射定律，采用正交二維相機獲得包含平移和角偏移的激光光點圖像信息，建立了二維位移和二維角偏移與激光器成像點變化的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)該模型，對獲取圖像進行處理獲得需要調(diào)整的二維平移和角偏移參數(shù)變量，可為微構(gòu)件拉伸測試的對中過程提供調(diào)整參數(shù)并提高了拉伸測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，克服了測量中由于夾持不對中引起的實驗誤差。

3、本發(fā)明選用的拉力傳感器，根據(jù)被測材料的參考力學(xué)性能進行選型，可根據(jù)不同的被測材料進行替換，以適應(yīng)多種不同材料的微構(gòu)件力學(xué)性能測量。

4、本發(fā)明所用器件和拉伸試件的制備工藝簡單，實驗操作方便，成本低，能滿足多種材料的微構(gòu)件力學(xué)性能的精確檢測要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測試裝置的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2a是本發(fā)明活動端支承機構(gòu)和光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2b是本發(fā)明固定端支承機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2c是本發(fā)明加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2d是本發(fā)明夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明對中機構(gòu)的成像光路原理圖；

圖4是本發(fā)明拉伸試件的形狀示意圖；

圖中標(biāo)號：1加載機構(gòu)；2拉力傳感器；3活動端夾持機構(gòu)；4光柵傳感器；5固定端夾持機構(gòu)；6五維微動臺；7半導(dǎo)體激光器；8半透半反鏡；9第一透鏡組；10第一攝像機；11反射光線接收屏；12第二透鏡組；13第二攝像機；14折射光線接收屏；15拉伸試件；16工作臺；17固定端夾持機構(gòu)工作臺；18底座；19精密直線導(dǎo)軌；20活動端夾持機構(gòu)工作臺；21光柵讀數(shù)頭；22光柵尺；23加載機構(gòu)工作臺；24精密角位移臺；25精密旋轉(zhuǎn)臺；26第一精密平移臺；27第二精密平移臺；28精密升降臺；29墊片；30第一壓電陶瓷驅(qū)動器；31加載機構(gòu)柔性鉸鏈；32第二壓電陶瓷驅(qū)動器；33夾持機構(gòu)柔性鉸鏈；34楔形墊片組；35右夾持頭；36左夾持頭。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例中，具有夾持對中引導(dǎo)的柔性鉸鏈微構(gòu)件拉伸測試裝置包括：活動端夾持機構(gòu)3、固定端夾持機構(gòu)5、加載機構(gòu)1、對中機構(gòu)、拉力傳感器2、光柵傳感器4、活動端支承機構(gòu)16和固定端支承機構(gòu)；

如圖2a所示，活動端支承機構(gòu)包括：加載機構(gòu)工作臺23、底座18、活動端夾持機構(gòu)工作臺20和精密直線導(dǎo)軌19；

在底座18上分別設(shè)置有加載機構(gòu)工作臺23和精密直線導(dǎo)軌19，且加載機構(gòu)工作臺23與精密直線導(dǎo)軌19的對稱軸在同一豎直面上；在精密直線導(dǎo)軌19上設(shè)置有活動端夾持機構(gòu)工作臺20；在活動端夾持機構(gòu)工作臺20上設(shè)置有活動端夾持機構(gòu)3，從而活動端夾持機構(gòu)20可沿精密直線導(dǎo)軌19做直線運動；在活動端夾持機構(gòu)工作臺20的一側(cè)設(shè)置有光柵傳感器4；光柵傳感器4包括光柵尺22和光柵讀數(shù)頭21，光柵尺22粘貼在活動端夾持機構(gòu)工作臺20的側(cè)壁，光柵讀數(shù)頭21安裝在距光柵尺22表面0.8mm的固定位置；在加載機構(gòu)工作臺23上設(shè)置有加載機構(gòu)1，在朝向加載機構(gòu)工作臺23一側(cè)的活動端夾持機構(gòu)工作臺20上設(shè)置有拉力傳感器2；且拉力傳感器2與加載機構(gòu)1螺紋連接；拉力傳感器2是根據(jù)被測材料的參考力學(xué)性能進行選型，可根據(jù)不同的被測材料進行替換，以適應(yīng)多種不同材料的微構(gòu)件力學(xué)性能測量；

如圖2c所示，加載機構(gòu)1包括：墊片29、第一壓電陶瓷驅(qū)動器30和加載機構(gòu)柔性鉸鏈31；加載機構(gòu)柔性鉸鏈31是結(jié)構(gòu)對稱的多級放大柔性鉸鏈機構(gòu)，包括輸入級放大結(jié)構(gòu)、中間級放大結(jié)構(gòu)和輸出級放大結(jié)構(gòu)；

在輸入級放大結(jié)構(gòu)中設(shè)置有第一壓電陶瓷驅(qū)動器30和用于預(yù)緊的墊片29；調(diào)節(jié)加載在第一壓電陶瓷驅(qū)動器30上的電壓，使第一壓電陶瓷驅(qū)動器30伸長，輸出微納米級的微小位移量，由第一壓電陶瓷驅(qū)動器30產(chǎn)生的位移量經(jīng)過加載機構(gòu)柔性鉸鏈31進行放大后輸出，提供拉伸測試所需拉力。可通過調(diào)節(jié)加載的電壓使第一壓電陶瓷驅(qū)動器30產(chǎn)生不同的伸長量，經(jīng)放大后得到不同的輸出位移量；也可通過改變加載機構(gòu)柔性鉸鏈31的各級放大結(jié)構(gòu)的桿長、鉸鏈支點處最小厚度和鉸鏈切口圓弧半徑，來調(diào)整其整體放大比，得到不同的輸出拉力，以適應(yīng)不同材料或不同尺寸的拉伸試件15的拉伸測試。加載機構(gòu)柔性鉸鏈31的結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計，可消除側(cè)向的附加位移，保證測量時加載的拉力沿著拉伸試件15伸長的軸線。

如圖2b所示，固定端支承機構(gòu)包括：固定端夾持機構(gòu)工作臺17和五維微動臺6；

在底座18的前方設(shè)置有五維微動臺6；五維微動臺6包括精密角位移臺24，可實現(xiàn)繞x軸的旋轉(zhuǎn)；精密旋轉(zhuǎn)臺25，可實現(xiàn)繞z軸的旋轉(zhuǎn)；第一精密平移臺26，可實現(xiàn)沿y軸的平移；第二精密平移臺27，可實現(xiàn)沿x軸的平移；精密升降臺28，可實現(xiàn)沿z軸的平移；在五維微動臺6上設(shè)置有固定端夾持機構(gòu)工作臺17；在固定端夾持機構(gòu)工作臺17上設(shè)置有固定端夾持機構(gòu)5；且固定端夾持機構(gòu)5與活動端夾持機構(gòu)3相對設(shè)置，分別用于夾持拉伸試件15的兩端；由加載機構(gòu)1產(chǎn)生對活動端夾持機構(gòu)3的拉力，使得活動端夾持機構(gòu)3在精密直線導(dǎo)軌19上移動，并拉伸拉伸試件15；

如圖2d所示，活動端夾持機構(gòu)3和固定端夾持機構(gòu)5的結(jié)構(gòu)相同，均包括：第二壓電陶瓷驅(qū)動器32、夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33、楔形墊片組34、右夾持頭35和左夾持頭36；

夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33是結(jié)構(gòu)對稱的多級放大柔性鉸鏈機構(gòu)，包括輸入端放大結(jié)構(gòu)和輸出端放大結(jié)構(gòu)；

在輸入端放大結(jié)構(gòu)中設(shè)置有第二壓電陶瓷驅(qū)動器32和用于預(yù)緊的楔形墊片組34；

在輸出端放大結(jié)構(gòu)上設(shè)置有右夾持頭35和左夾持頭36；

調(diào)節(jié)加載在第二壓電陶瓷驅(qū)動器32上的電壓，使第二壓電陶瓷驅(qū)動器32伸長輸出微納米級的微小位移量，由第二壓電陶瓷驅(qū)動器32產(chǎn)生的位移量經(jīng)過夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33進行放大后輸出，使得右夾持頭35和左夾持頭36閉合夾緊。夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33的結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計，可保證拉伸試件15的夾持對中；可通過改變夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33的各級放大結(jié)構(gòu)的桿長、鉸鏈支點處最小厚度和鉸鏈切口圓弧半徑，來調(diào)整其整體放大比，從而輸出不同的夾緊力，以適應(yīng)不同尺寸拉伸試件的夾緊要求。右夾持頭35的夾持面上設(shè)計有凸臺，左夾持頭36的夾持面上設(shè)計有凹槽，保證測量時拉伸試件15被牢固夾持住，以避免滑動并夾持對中。

如圖3所示，對中機構(gòu)包括：半導(dǎo)體激光器7、半透半反鏡8、反射光線接收屏11、第一透鏡組9、第一攝像機10、折射光線接收屏14、第二透鏡組12和第二攝像機13；

在固定端夾持機構(gòu)5上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器7；在活動端夾持機構(gòu)3上設(shè)置有半透半反鏡8；由半導(dǎo)體激光器7發(fā)射的激光經(jīng)過半透半反鏡8的處理分為折射光和反射光；

在加載機構(gòu)工作臺23后方的底座18上，且處于折射光的光路上設(shè)置有折射光線接收屏14；在第二攝像機13上安裝有第二透鏡組12，并用于采集折射光線接收屏14上的折射光的光斑；

在底座18的一側(cè)，且處于反射光的光路上設(shè)置有反射光線接收屏11；在第一攝像機10上安裝有第一透鏡組9，并用于采集反射光線接收屏11上的反射光的光斑。

如圖4所示，拉伸試件15的形狀為狗骨狀，以便于夾持，其厚度可在0.02mm-0.05mm之間選取，本實施例中選做了鎳和銅兩種材料的拉伸試件，可通過精密激光切割或化學(xué)電鍍的工藝加工獲得。

使用本發(fā)明時，首先利用對中機構(gòu)對固定端夾持機構(gòu)5進行水平對中調(diào)整，對中機構(gòu)的成像光路原理如圖3所示，半導(dǎo)體激光器7發(fā)射出激光，經(jīng)過與出射光線呈45°放置的半透半反鏡8時發(fā)生折射與反射，折射光線成像于折射光線接收屏14，第二攝像機13通過第二透鏡組12獲取屏上圖像；反射光線成像于反射光線接收屏11，第一攝像機10通過第一透鏡組9獲取屏上圖像；兩臺攝像機可實時采集激光光點變化的圖像信息，并對采集到的圖像信息進行處理，獲得光點的坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，計算出半導(dǎo)體激光器7的實際偏移量，然后通過數(shù)學(xué)模型求出固定端夾持機構(gòu)5水平對中需要調(diào)整的相關(guān)參數(shù)變化量；調(diào)節(jié)五維微動臺6即可使固定端夾持機構(gòu)5和活動端夾持機構(gòu)3實現(xiàn)夾持對中，調(diào)整好后，鎖緊五維微動臺6。

測量時，將拉伸試件15的兩端分別放在活動端夾持機構(gòu)3和固定端夾持機構(gòu)5的左夾持頭36的凹槽中，然后驅(qū)動第二壓電陶瓷驅(qū)動器32使夾持機構(gòu)柔性鉸鏈33變形，使左夾持頭36和右夾持頭35閉合，夾緊拉伸試件15。

驅(qū)動第一壓電陶瓷驅(qū)動器30使加載機構(gòu)柔性鉸鏈31變形產(chǎn)生向后的拉力，帶動拉力傳感器2和活動端夾持機構(gòu)3向后運動，可調(diào)節(jié)加載在第一壓電陶瓷驅(qū)動器30上的電壓來實現(xiàn)微力微位移的精確加載，拉力作用下拉伸試件15伸長。拉力傳感器2測量的即是加載在拉伸試件15上的拉力，光柵傳感器4測得的活動端夾持機構(gòu)工作臺20的位移即是拉伸試件15的伸長量。已知拉伸試件15的初始長度和橫截面積，進而可以繪制出測量過程中拉伸試件15的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進一步可求出楊氏模量，泊松比等力學(xué)性能參數(shù)。