基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机.pdf

基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，本发明提供一种适用于激光共聚焦显微镜平台的加载实验机，该实验机包括固定基板、电机驱动的拉压加载装置、压电陶瓷驱动的疲劳加载装置、力传感器、夹持装置和相移装置等部分。本发明可以实现对宏观尺度单轴向应力下的金属或非金属材料的典型试样、薄膜进行拉压和疲劳加载的测试，该装置为光学测试方法设计了相移装置，用于提高测试精度和自动化程度。该实验机结构紧凑，试件紧靠实验机下底面，能够实现在激光共聚焦显微镜平台下的加载，并使用该显微镜采集加载图像，通过光学方法处理图像得到试件材料的力学参数。系统测量灵敏度高，结果可靠，适用范围广。

1.  一种基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：它包括固定基板(1)，拉压加载装置，夹持装置，疲劳加载装置、力传感器(13)以及相移装置；所述的拉压加载装置包括步进电机(2)及其控制器，蜗轮蜗杆传动机构以及丝杠螺母机构；所述的夹持装置包括移动端夹座(10)、固定端夹座(11)和导轨滑块机构，移动端夹座设置在滑块(18)上，所述的力传感器(13)固定在固定基板上；所述的疲劳加载装置包括第二压电陶瓷(15b)和连接板(8)，所述的第二压电陶瓷(15b)通过连接板(8)与移动端夹座(10)连接；所述的相移装置包括悬臂支架和第一压电陶瓷(15a)，所述的悬臂支架由固定板(17)和悬臂杆(16)构成，所述的第一压电陶瓷(15a)设置在悬臂杆(16)的顶端，并与固定基板(1)固定；在固定基板的中部设置显微镜观测窗(14)，所述的移动端夹座(10)和固定端夹座(11)位于显微镜观测窗(14)内。

2.  根据权利要求1所述的基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：移动端夹座(10)和固定端夹座(11)所在的水平面和丝杠螺母的中心线不在同一水平面内，移动端夹座(10)和固定端夹座(11)的底面距固定基板(1)的下底面为1～3毫米。

3.  根据权利要求1或2所述的基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：所述导轨滑块机构中的滑块(18)采用阶梯形，所述的移动端夹座(10)设置在阶梯的下平面，阶梯的上部与丝杠螺母机构中的螺母(9)活连接；所述的力传感器(13)通过折形板(19)与固定端夹座(11)连接。

4.  根据权利要求1所述的基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：所述的疲劳驱动装置和相移装置共享一块可拆卸的压电陶瓷。

5.  根据权利要求1所述的基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：所述的移动端夹座(10)和固定端夹座(11)采用压板式结构。

基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机
技术领域
本发明涉及一种对宏观尺度单轴向应力下的金属或非金属材料的典型试样、薄膜进行静动态力学性能测试的加载实验机，尤其适用于激光扫描共聚焦显微镜下的专用加载实验机，属于实验力学装置技术领域。
背景技术
对于材料的力学性质的研究，一直是力学、机械、土木等多种工程领域关注的问题。最为常见的力学参数测试方法是单轴拉伸法，它测量弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最为直接。随着实验力学的发展，一些典型的光学测试方法，如云纹法、数字散斑相关方法被应用到了高分辨率显微镜中，使得观测尺度、精度都已达到微纳米量级。同时为了使高分辨率显微镜和光学方法应用到材料的力学性能测试中，一些高分辨率显微镜下的加载装置被发展了。
20世纪80年代发展起来的激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscopy-LSCM)是当今生物学的研究领域中的一种先进的图像采集和分析仪器，被广泛应用于生物学的各个领域。传统的光学显微镜由于衍射极限的限制其空间分辨率受到了限制，而激光扫描共聚焦显微镜利用激光作为照明光源，在传统的光学显微镜的基础上采用了共轭聚焦的原理和扫描成像装置，大大提高了其空间分辨率，大约是普通光学显微镜的3倍。同时由于系统是在光学显微镜基础上设计完成的因此其对工作环境无特殊要求，相比其他高分辨率显微镜其测量过程的相对简单。
现有常见的高分辨率显微镜下的加载装置主要是扫描电子显微镜(一种电子显微镜)下的加载装置和原子力显微镜(一种扫描探针显微镜)下的加载装置，它们存在的问题和缺陷主要有：一是扫描电子显微镜需要在真空环境下做测量，操作过程复杂、加载的试件和加载的方式都有限制；二是扫描电子显微镜只能观测导体，对于非导体需要镀金但往往会损失试件表面的信息，如在运用云纹法测试时将损坏试件表面预置的光栅；三是原子力显微镜的观测范围非常小，物体表面的粗糙度和物体的变形只能限制在纳米级别的范围内，无法应对常见试件的加载。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，可以实现对宏观尺度单轴向应力下的金属或非金属材料的典型试样、薄膜进行静动态力学性能的测试。该装置可以实现在激光共聚焦显微镜平台下单轴拉压、高频疲劳加载，能够根据不同研究对象和目的实现不同的加载方式。
本发明的技术方案如下：
一种基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：它包括固定基板，拉压加载装置，夹持装置，疲劳加载装置、力传感器以及相移装置；所述的拉压加载装置包括步进电机及其控制器，蜗轮蜗杆传动机构以及丝杠螺母机构；所述的夹持装置包括移动端夹座、固定端夹座和导轨滑块机构，移动端夹座设置在滑块上，所述的力传感器固定在固定基板上；所述的疲劳加载装置包括第二压电陶瓷和连接板，所述的第二压电陶瓷通过连接板与移动端夹座连接；所述的相移装置包括悬臂支架和第一压电陶瓷，所述的悬臂支架由固定板和悬臂杆构成，所述的第一压电陶瓷设置在悬臂杆的顶端，并与固定基板固定；在固定基板的中部设置显微镜观测窗，所述的移动端夹座和固定端夹座位于显微镜观测窗内。
本发明的技术特征还在于：移动端夹座和固定端夹座所在的水平面和丝杠螺母的中心线不在同一水平面内，移动端夹座和固定端夹座的底面距固定基板的下底面为1～3毫米，保证试件位于垂直于固定基板且由下往上观测的显微镜镜头的焦距内，以实现显微镜的观测。
上述技术方案中，所述导轨滑块机构中的滑块采用阶梯形，所述的移动端夹座设置在阶梯的下平面，阶梯的上部与丝杠螺母机构中的螺母活连接；所述的固定端夹座通过折形板与力传感器连接。疲劳驱动装置和相移装置共享一块可拆卸的压电陶瓷，将丝杠螺母机构中的螺母和滑块固定，撤去疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的拉压加载；将丝杠螺母机构中的螺母和滑块断开连接，装上疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的疲劳加载。所述的移动端夹座和固定端夹座采用压板式结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①适用于激光共聚焦显微镜平台下作加载实验，适用于多种材料试样，在常规环境下操作。②能够实现典型试样、薄膜的拉伸、压缩加载和数万赫兹频率的疲劳加载。③通过相移装置中的压电陶瓷的驱动，可以实现显微镜平台亚微米量级的平移，从而实现光学方法的相移，提高了测试的精度和自动化程度。④采用多步步进电机和1∶40的减速齿轮，实现了高精度的拉压加载，试件加载精度可达50nm。⑤由激光共聚焦显微镜采集试件加载的图像，通过云纹法、数字散斑相关方法、位相分析方法等光学测试方法进行高精度变形计算，从而得出试件的弹性模量、泊松比、应力强度因子等力学参数。
附图说明
图1为本发明的结构示意图主视图。
图2为本发明的结构示意图俯视图。
图3为金属试样的典型形状。
图中：1-固定基板；2-步进电机；3-蜗杆；4-蜗轮；5-丝杠；6-导轨；7-蜗轮轴轴承座；8-连接板；9-螺母；10-移动端夹座；11-固定端夹座；12-试件；13-力传感器；14-显微镜观测窗；15a-第一压电陶瓷；15b-第二压电陶瓷；16-悬臂杆；17-固定板；18-滑块；19-折形板。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体结构和实施方式作进一步的详细说明。
图1、2为本发明的结构示意图。它包括固定基板1，拉压加载装置，夹持装置，疲劳加载装置、力传感器13以及相移装置；所述的拉压加载装置包括电机2及其控制器，蜗轮蜗杆传动机构以及丝杠螺母机构；所述的固定基板1固定于显微镜自由滑动平台，可以在平面内滑动；夹持装置包括移动端夹座10、固定端夹座11和导轨滑块机构，移动端夹座设置在滑块18上；所述的疲劳加载装置包括压电陶瓷第二和连接板8，第二压电陶瓷15b通过固定在滑块18上的连接板8与移动端夹座10连接；所述的相移装置包括悬臂支架和第一压电陶瓷15a，悬臂支架由固定板17和悬臂杆16构成，所述的压电陶瓷第一设置在悬臂杆16的顶端，并与固定基板1的固定，固定板17与显微镜基座固定，显微镜基座固定不动，通过第一压电陶瓷15a通电产生伸缩位移推动整个固定基板1的平移，从而实现光学方法的相移；在固定基板1的中部设置显微镜观测窗14，所述的移动端夹座10和固定端夹座11位于显微镜观测窗14内，移动端夹座10和固定端夹座11的底面距固定基板1的下底面为1～3毫米，显微镜镜头的焦距为1～5mm，垂直于固定基板1且位于固定基板1下方由下往上观测，试件位于的显微镜镜头的焦距内，以实现显微镜的观测。疲劳驱动装置和相移装置共享一块可拆卸的压电陶瓷，将丝杠螺母机构中的螺母9和滑块19固定，撤去疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的拉压加载；将丝杠螺母机构中的螺母9和滑块18断开连接，装上疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的疲劳加载。
上述各部件的连接关系为：步进电机2固定于固定基板1，通过蜗杆3、蜗轮4组成的蜗轮蜗杆传动机构实现运动的传递和转向，又通过丝杠5、螺母9做成的丝杠螺母机构将丝杠5的旋转运动通过固定状态下的螺母9和滑块19活连接转化为滑块18沿导轨6的直线运动，固定端夹座11固定于力传感器13上，力传感器固定于固定基板1，移动端夹座10、固定端夹座11的相对平动可以拉伸或压缩试件；疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b固定于固定基板1，疲劳加载时需要断开螺母9和滑块19的活连接，从而使第二压电陶瓷15b带动连接板8和滑块18高频往返运动，实现疲劳加载；固定基板1固定于显微镜自由滑动平台，可以在平面内滑动，由固定板17和悬臂杆16组成的悬臂支架，与显微镜基座固定，显微镜基座固定不动，压电陶瓷第一固定于悬臂支架和固定基板1之间，其通电产生伸缩位移可以推动整个固定基板1的平移。
系统中各元件的参数为：试件最大加载载荷500N，最大拉伸位移30mm，试件最大宽度15mm；力传感器的载荷量程为1000N，分辨率为1N；位移加载精度50nm；压电陶瓷线性位移范围：20nm～20um；显微镜镜头焦距1-5mm。
本装置的加载与测量过程如下：
拉伸压缩载荷加载：将螺母9和滑块19活连接固定，通过蜗杆3、蜗轮4组成的蜗轮蜗杆传动机构实现运动的传递和转向，又通过丝杠5、螺母9做成的丝杠螺母机构将丝杠5的旋转运动通过转化为滑块18沿导轨6的直线运动，从而使得移动端夹座10、固定端夹座11的实现试件的拉伸或压缩。其拉压的载荷一般工作在200N内，最大可达500N。多步步进电机和1∶40的减速齿轮使用使得试件加载精度达50nm。拉压加载过程中使用激光共聚焦显微镜采集加载图像，通过光学方法的后处理得出试件视场范围内的全场位移。
疲劳载荷加载：放置上第二压电陶瓷15b，将螺母9和滑块19活连接断开，滑块18可以自由滑动。压电陶瓷右侧固定在固定基板1上，一侧通过与固定在滑块18连接，通过压电陶瓷驱动器产生交变电流使得第二压电陶瓷15b进行数万赫兹频率，几百纳米位移的往返运动，从而实现试件12的动态加载。
力测量：通过力传感器13测量，可由与力传感器13的力载荷显示器读出结果。量程1-1000N。
变形测量：试件加载中的变形测量通过激光共聚焦显微镜采集图像，采图方便，记录信息真实可靠，并由光学测试方法计算得到试件视场范围内的全场变形。本实验机使用的光学测试方法有云纹方法、数字散斑相关方法和位相分析方法。
(1)云纹方法实现变形测量
云纹方法实现变形测量需要预先在试件表面转移粘贴1200线/mm的全息光栅。实验中以激光扫描共聚焦显微镜的扫描线作为虚拟参考栅，以1200lines/mm的全息光栅作为试件栅，调整扫描线到一定范围，由于的遮光原理，这两组栅线相干涉形成几何云纹条纹。如果试件栅为正交光栅，通过调整激光扫描共聚焦显微镜的扫描方向使之平行或垂直试件栅线可分别得到U、V场云纹条纹。由云纹条纹可以计算出视场范围内的位移和应变。
(2)数字散斑相关方法实现变形测量
数字散斑相关方法实现变形测量一般可以利用试件表面的天然斑点作为散斑，这些散斑是试件变形的载体，使用激光扫描共聚焦显微镜采集变形前、变形后两幅散斑图像进行数学相关计算，得出全场变形。
(3)位相分析方法实现变形测量
位相分析方法前处理与云纹方法类似，需要预先在试件表面转移粘贴1200线/mm的全息正交光栅。使用激光扫描共聚焦显微镜直接拍摄正交光栅，得到的正交光栅的图像即是“网格”图像，通过傅里叶光学理论分析全部“网格”的变形，即可得到变形场。
相移实现：
在所述的云纹方法中，如果将光栅平移1/4的光栅节距，那么将会产生π/2个相位移动，从而使云纹条纹整体移动1/4个条纹。通过分别将光栅平移1/4、2/4、3/4的光栅节距，可以实现4步相移，计算可用4步相移算法，即

其中，I_i(x，y)为第i幅图的灰度值，i＝1，2，3，4；为待求相位场。而相位场与物体变形有着直接联系。
本装置中，放置上第一压电陶瓷15a，连接于固定基板1和显微镜支架，通过压电陶瓷通电产生位移，实现显微镜自由滑动平台和固定基板1的平移，每次平移距离一般为1/4×0.833um(1200线/mm的光栅的节距即是0.833um)，平移后立即采集云纹图像，平移3次后，即可得到4步相移所需要的4幅云纹图。对带相移的4幅云纹图进行相移计算，可以得出全场应变，相移的意义在于精度更高，计算自动化程度高。
实施例：
金属试件拉伸加载下，利用相移云纹方法测量其变形
制作典型的金属试件，其形状如图3所示，也可以根据需要稍作改变。在金属试件表面粘贴1200线/mm的全息正交光栅，放入加载装置的两个夹座上，拧紧夹座上的螺丝固定试件。将螺母9和滑块19活连接断开，放置上第一压电陶瓷15a。然后以步进电机控制器控制步进电机2加载，以力传感器13的力载荷显示器读出力载荷结果，分段加载，每次加载结束采集图像。采集图像时需要将激光扫描共聚焦显微镜扫描线线宽设置为0.833um左右，即与1200线/mm的光栅栅距接近，此时由于几何遮光原理，显微镜扫描线和试件栅线叠加，将会产生云纹条纹。通过控制第一压电陶瓷15a实现云纹法的相移，可以提高测量精度。利用几何云纹原理通过云纹条纹计算出全场变形。从而最终通过计算出的变形和读取的力载荷计算金属试件的弹性模量、泊松比。