专利名称：压电致动型材料疲劳力学性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密驱动领域，特别涉及原位微纳米力学测试领域，尤指一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置。可与主流显微观测设备(如扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等)兼容使用，开展在高驱动频率下拉伸/压缩模式的原位疲劳测试，为揭示材料在微纳米尺度下的疲劳损伤及断裂机制提供了测试方法。
背景技术：
材料或构件在受重复或交变载荷作用时，虽然材料或构件所受载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但经反复的变形累积，最终发生断裂破坏通常是由于疲劳载荷所致。据统计，在各类机械零件的失效案例中，大约80%以上是由疲劳破坏引起的。随着大容量、大功率、高速度、高效率试验装置的出现，那些承受往复或震动载荷的工作条件更加苛刻，疲劳失效的问题更加突出，针对疲劳试验的测试装置和疲劳失效的相关研究中，早期的工作主要集中在疲劳破坏的宏观规律方面，而对疲劳微观机理的研究，由于受到试验手段的限制，大多通过金相显微镜，对材料试样表面在交变载荷下的滑移或断口等问题进行研究。20世纪50年代以后，各类电子显微镜及其他观测类仪器的出现和不断完善，大大促进了疲劳微观机理的研究。位错理论的发展则对疲劳裂纹萌生与扩展的微观研究提供了理论依据。原位微观疲劳力学测试技术可以概述为借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D高景深显微镜及光学显微镜等成像仪器对被测材料在拉伸/压缩或弯曲模式的疲劳载荷作用下微观裂纹萌生、扩展、损伤失效过程、性能演变规律等进行动态监测的技术，因低周疲劳条件下，由于外加载荷多半高过弹性极限，因此，材料的疲劳寿命多小于IO4次，交变载荷的频率可适宜观测仪器对可能萌生初始裂纹的表面进行实时的在线观测；在高周疲劳条件下，外加循环应力低于材料的屈服强度，甚至低于弹性极限，材料处于弹性变形范围，应力应变关系基本符合胡克定律，因此，观测仪器无法对裂纹萌生及扩展进行实时的观测，只适宜在一定循环周期的间隔下，暂停疲劳载荷作用，从而实现“准原位疲劳测试”。传统的疲劳试验通常是在由电液伺服装置或步进电机组成的不同类型的疲劳试验机上进行的，如拉伸/压缩疲劳试验、扭转疲劳试验、拉扭疲劳试验以及弯曲疲劳试验，其中弯曲疲劳试验还可以分成平面弯曲和旋转弯曲疲劳试验两类。电液伺服疲劳试验机为目前最常使用的疲劳试验机，主要由液压泵站、各种液压阀、力和位移传感器、工作油缸、各种试样夹具(如三点弯曲、拉伸压缩等)以及控制软件等构成。能够反映电液伺服疲劳试验机技术水平的主要为高精度力、位移传感器，控制精度与控制范围，液压元器件和频率发生器(最低频率10_5Hz以及最高频率1000Hz以上)。随着结构件的疲劳寿命极限提高到IO9次以上，超长疲劳寿命试验机亟待发展。除此之外，还存在一些特殊条件下的疲劳行为的测试装置，如工程实际中有一大类机器零件是在滚动接触条件下工作的，如滚动轴承、齿轮、蜗轮、凸轮、轧辊等。在循环接触应力作用下，这些零件的表面很容易出现接触疲劳的破坏现象，如点蚀、剥离等。在原位观测方面，相比于其他用于观测试件表面形貌的仪器，扫描电子显微镜具有成像倍率高，扫描速度快，受景深影响小等优势，而光学显微镜受其原理的影响，难以获取成像倍率超过1000倍的清晰图像，原子力显微镜则存在扫描时间过长的问题。但扫描电子显微镜下的疲劳测试仪器研发面临着诸多问题(1)因扫描电子显微镜的密闭腔体内为真空环境，需将测试装置的信号采集处理单元以及上位机控制单元等通过在真空腔体的密封挡板处打孔的方式外接出密闭腔体外，并在对接接口处做严格的密封处理，因此，需要解决测试装置与扫描电子显微镜的真空兼容性问题。(2)因电子枪激发高能电子束一般需要至少IOKV以上的高压，因此电子束轰击部位处于高强电磁场作用下，测试装置与扫描电子显微镜的电磁兼容性问题亦需要解决。(3)现有商业化扫描电子显微镜的真空腔体均有限，且成像工作距离要求严格，如Hitachi TM-1000型号的扫描电镜的真空腔体为直径140mm的圆周，其成像工作距离范围是I. 5mm至3. 5mm,较大腔体的扫描电镜,如Zeiss Evo 18型扫描电镜的真空腔体尺寸为直径360_的圆周，其最大工作距离为15_，因此，测试装置与扫描电镜的结构兼容性亦需要解决。 目前，针对特征尺寸毫米级以上三维宏观试件，大多数材料疲劳力学性能测试装置均依赖电液伺服或电机实现驱动加载，且存在结构较大或响应频率不足等问题，如以电机实现驱动加载的疲劳测试装置，因其传动链在换向过程中的机械惯性和冲击，难以实现高频测试。针对纳米管及薄膜材料等微尺度构件的疲劳测试，往往需要借助微机电系统工艺结合掩膜、腐蚀、沉积等化学处理方法进行材料制备，工艺复杂，且存在效应的问题，测试结果与工程实际的宏观材料存在迥异差异，因此，设计一种体积小巧，测试精度高，响应速度快，且能与扫描电镜等多种成像仪器实现结构兼容、真空兼容和电磁兼容的疲劳测试装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。其具有体积小巧、结构紧凑、测试精度高及刚度高等特点，相比现有电液伺服或电机驱动型疲劳测试装置，本发明利用四组对称式安装的压电叠堆实现较大行程的载荷/位移输出，可对被测材料的疲劳极限、持久极限、S-N曲线、磁滞回线等进行定量测定，本发明由压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元组成。本发明通过应变控制中嵌入前馈反馈综合控制方法，可提升系统响应速度，提高控制精度，并实现压电驱动单元及信号检测单元的协同工作。在此基础上，基于其小型化的总体结构，该装置可与具有真空腔体的主流扫描电子显微镜以及具有开放式载物平台的拉曼光谱仪、X射线衍射仪及各类光学显微成像系统结合使用，开展给定恒定频率或扫频下的恒应变或变应变疲劳测试，亦可对疲劳裂纹萌生及扩展现象进行在线观测，为揭示材料在微尺度下的疲劳力学性能与变形损伤的相关性提供了测试方法。本发明的上述目的通过以下技术方案实现
压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆2与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体4通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器3保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器13及轮辐式拉压力传感器3均与压电驱动单元中的框架14亦通过螺纹连接方式保持刚性连接；
所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆2、框架14及圆弧过渡型柔性铰链1，其中四组压电叠堆2并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链I与框架14实为一体，框架14通过框架紧固螺钉17与固定基座10刚性连接；
所述试件夹持单元包括夹具体4、试件夹紧螺钉5、压板6及被测试件15，其中夹具体4及压板6通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件15的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件15夹持的稳定性，试件夹紧螺钉5用于将压板6紧固在夹具体4上并提供可靠的夹持力； 所述压电叠堆预紧单元包括弧形滑动楔块I 7、固定楔块8、楔块预紧螺钉9、弧形滑动楔块II 11及固定楔块紧固螺钉16，其中固定楔块8通过固定楔块紧固螺钉16与固定基座10刚性连接，预紧力由楔块预紧螺钉9提供，并且楔块预紧螺钉9可沿被测试件15拉伸/压缩方向移动实现对压电叠堆2进行正向预紧和反向自锁；
所述信号检测单元包括轮辐式拉压力传感器3、电位器固定螺钉12及直线电位器13，其中轮辐式拉压力传感器3通过外螺纹连接方式分别与夹具体4及框架14刚性连接，直线电位器13的固定基体部分通过电位器固定螺钉12与框架14紧固连接，并整体沉附于框架14底部的凹槽内，前部回弹式推杆与夹具体4底部保持弹性接触。所述的四组圆弧过渡型柔性铰链I采用平行四边形的内包络拓扑结构排布，每组柔性铰链由四级孤形弹性单元串联组成，每两级弹性单元轴线互相垂直，其角变形弹性输出可为疲劳测试提供精确线应变；四组压电叠堆2共面排布，其空间拓扑结构为并联式，在相同电压信号驱动下，互为同轴的两组压电叠堆2输出同轴异向运动，且输出的同步响应变形量一致。所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置主体尺寸约为105mmX92mmX28mm,通过其固定基座10上的一组螺纹孔可安装在主流扫描电子显微镜的载物平台上，因被测试件15与轮辐式拉压力传感器3、直线电位器13等电磁敏感器件有一定的空间距离，因此所述的测试装置可实现与扫描电镜的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，同时测试装置亦可以在其他具有开放式载物结构的成像设备(如光学显微镜、激光共聚焦显微镜等)的观测下开展相应的疲劳测试。所述的弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11在空间上两两对称排布，且与固定楔块紧固螺钉16的接触面为弧形曲面，弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11的平面端与压电叠堆2保持面接触，与固定楔块紧固螺钉16保持线接触；固定楔块紧固螺钉16具有13. 5°的楔形倾角，可实现自锁功能，最大预紧力可到325. 6N。所述的夹具体4上设置宽度为3mm、高度为O. 5mm、且带有通过线切割加工出的锯齿状结构，压板6上同样设置宽度为3mm、深度为O. 5mm、且带有通过电火花加工出的锯齿状结构，被测试件15的夹持端的深度亦为3_，通过该等宽约束模式可保证不同厚度的被测试件15/压缩模式疲劳测试中的对中性。本发明的有益效果在于与现有材料疲劳性能测试装置相比，本发明体积更为小巧，主体尺寸仅为105mmX92mmX28mm，位移加载分辨率可低至200nm，交变载荷频率可调范围大，与安装于各种主流电子显微镜的真空腔体载物平台上，试用与特征尺寸毫米级试件的跨尺度原位疲劳测试，此外，本发明通过应变控制中嵌入前馈反馈综合控制方法，可提升系统响应速度，提高控制精度，并实现压电驱动单元及位移检测单元的协同工作，通过上位机软件的测试频率、幅值等参数设定。可自动获取被测试件不同循环特征下的磁滞回线等固有特征。综上所述，本发明对丰富原位微纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图I为本发明的整体外观结构示意 图2为本发明的主视示意图；
图3为本发明的俯视不意 图4为本发明的压电叠堆预紧单元的工作原理 图5为本发明的柔性铰链的工作原理 图6为本发明的试件夹持单元的工作示意图。图中1.圆弧过渡型柔性铰链、2.压电叠堆、3.轮辐式拉压力传感器、4.夹具体、5.试件夹紧螺钉、6.压板、7.弧形滑动楔块I、8.固定楔块、9.楔块预紧螺钉、10.固定基座、11.弧形滑动楔块II、12.电位器固定螺钉、13.直线电位器、14.框架、15.被测试件、16.固定楔块紧固螺钉、17.框架固定螺钉。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式
。参见图I至图6，本发明的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆2与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体4通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器3保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器13及轮辐式拉压力传感器3均与压电驱动单元中的框架14亦通过螺纹连接方式保持刚性连接。所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆2、框架14及圆弧过渡型柔性铰链1，其中四组压电叠堆2并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链I与框架14实为一体，框架14通过框架紧固螺钉17与固定基座10刚性连接；
所述试件夹持单元包括夹具体4、试件夹紧螺钉5、压板6及被测试件15，其中夹具体4及压板6通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件15的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件15夹持的稳定性，试件夹紧螺钉5用于将压板6紧固在夹具体4上并提供可靠的夹持力；
所述压电叠堆预紧单元包括弧形滑动楔块I 7、固定楔块8、楔块预紧螺钉9、弧形滑动楔块II 11及固定楔块紧固螺钉16，其中固定楔块8通过固定楔块紧固螺钉16与固定基座10刚性连接，预紧力由楔块预紧螺钉9提供，并且楔块预紧螺钉9可沿被测试件15拉伸/压缩方向移动实现对压电叠堆2进行正向预紧和反向自锁；
所述信号检测单元包括轮辐式拉压力传感器3、电位器固定螺钉12及直线电位器13，其中轮辐式拉压力传感器3通过外螺纹连接方式分别与夹具体4及框架14刚性连接，直线电位器13的固定基体部分通过电位器固定螺钉12与框架14紧固连接，并整体沉附于框架14底部的凹槽内，前部回弹式推杆与夹具体4底部保持弹性接触。所述的四组圆弧过渡型柔性铰链I采用平行四边形的内包络拓扑结构排布，每组柔性铰链由四级孤形弹性单元串联组成，每两级弹性单元轴线互相垂直，其角变形弹性输出可为疲劳测试提供精确线应变；四组压电叠堆2共面排布，其空间拓扑结构为并联式，在相同电压信号驱动下，互为同轴的两组压电叠堆2输出同轴异向运动，且输出的同步响应 变形量一致。所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置的主体尺寸约为105mmX92mmX28mm,通过其固定基座10上的一组螺纹孔可安装在主流扫描电子显微镜的载物平台上，因被测试件15与轮辐式拉压力传感器3、直线电位器13等电磁敏感器件有一定的空间距离，因此所述的测试装置可实现与扫描电镜的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，同时测试装置亦可以在其他具有开放式载物结构的成像设备(如光学显微镜、激光共聚焦显微镜等)的观测下开展相应的疲劳测试。所述的弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11在空间上两两对称排布，且与固定楔块紧固螺钉16的接触面为弧形曲面，弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11的平面端与压电叠堆2保持面接触，与固定楔块紧固螺钉16保持线接触；固定楔块紧固螺钉16具有13. 5°的楔形倾角，可实现自锁功能，最大预紧力可到325. 6N。所述的夹具体4上设置宽度为3mm、高度为O. 5mm、且带有通过线切割加工出的锯齿状结构，压板6上同样设置宽度为3mm、深度为O. 5mm、且带有通过电火花加工出的锯齿状结构，被测试件15的夹持端的深度亦为3_，通过该等宽约束模式可保证不同厚度的被测试件15在拉伸/压缩模式疲劳测试中的对中性。参见图I至图6，本发明所涉及的对称式压电致动型微疲劳装置主体部分的整体尺寸为105mmX92mmX28mm,与目前主流商业化扫描电子显微镜中真空腔体较小的HitachiTM-1000型扫描电镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可保证与具有更大尺寸真空腔体的扫描电镜兼容使用，同时可与其他类具有开放式载物形式的观测仪器结合使用，本发明中涉及到的购置件的具体型号可为压电叠堆2型号为XMT PST-150、直线电位器13型号为Sakae 13FLP25A-5K、轮辐式拉压力传感器3型号为JLBM-3。框架14、弧形滑动楔块I 7、固定楔块8均采用线切割加工，在框架14的试件夹持端采用电火花方式加工出锯齿状结构，固定基座10采用精铣加工，并在定位表面做磨削平坦化处理。针对本发明中压电叠堆2的控制，涉及的元器件及仪器有数据采集卡、处理器、比例积分算法、功率放大器、接口电路，据此可获取压电叠堆电压/位移数据关系构成，并以此作为疲劳测试中应变控制方法的基础，在此基础上，通过对压电叠堆元件进行稳态激励的电源电路设计与试制，电压波形与频率的跟踪、反馈和补偿，以及对电压信号的波形、激励方式、压电元件激励的时序控制、相位与频率等对机械单元影响的试验研究，可有效解决压电叠堆迟滞及蠕变问题。对压电叠堆2的控制方法为前馈反馈综合控制方法，可有效提升系统响应速度，提高控制精度。与此同时，考虑到压电叠堆2需在合适的预紧力作用下放可产生稳定的变形量和载荷输出，且由于在高频激励信号作用下，压电叠堆2会产生松动甚至与连接部件形成间隙，致使传动失效，与传动的楔形预紧方式相比，采用弧面平面形式的线接触预紧方式可进一步增加预紧的可靠性，且由于线接触预紧方式相对于面预紧方式可有效减小摩擦阻力，因此，此预紧方式提高了预紧力输出能力和预紧效率。具体设计中，固定楔块8具有楔形角为α，弧形滑动楔块I 7、弧形滑动楔块II 11与固定楔块8之间线接触的摩擦系数为μ。如图4所示，楔块预紧螺钉9向弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11预紧力及，推动弧形滑动楔块I 7及弧形滑动楔块II 11沿同轴异向运动，实现对压电叠堆2的预紧，预紧力大小为/
整理上述关系得到机构输出力与预紧力的关系为
Fc - Fs (cos α - μ sin α ) / (sin α + μ cos α )
有此可至，当α < arctan μ时,楔形块具有自锁功能,进一步,通过优化设计，固定楔块8具有13. 5°的楔形倾角，可实现自锁功能，最大预紧力可到325. 6Ν。压电叠堆电压/位移数据关系的获取是通过预紧状态下利用LK-G100型激光测微仪(测量行程为1mm，分辨率为O. 01 μ m)检测不同恒值输入时框架14的试件夹持部分的输出位移所实现的，由于恒定电场作用时压电晶体电筹缓慢排列，压电叠堆2会表现出蠕变现象，即电压加载及卸载过程中，同一电压下，压电叠堆2的变形量并不一致，但总体趋势上看，其变形/电压曲线在电压加载卸载全程会保持基本线性规律。在预紧状态下，给定峰值电压150V时，框架14的试件夹持部分的位移输出值为28 μ m，当单步电压为O. 5V时，压电叠堆的实际伸长量约为O. 056 μ m,因本发明采用四组对称排布的压电叠堆2实现单轴双向的疲劳测试，同时考虑到给定单步电压值可在较理想条件下稳定与O. 5V以下，因此，本发明的加载分辨率优于O. 11 μ m。电压加载及卸载过程中,输出位移的最大差值为2. 6 μ m,因此本发明的迟滞量为O. 0928。据此，可构建压电叠堆电压-位移数据关系为前馈控制提供数据模型。此外，本发明中采用的柔性铰链为正圆柔性铰链具有结构紧凑、无机械摩擦、无噪声、无装配误差、无间隙、无需润滑、运动平稳、分辨率高、零迟滞等各种优点，且具有较好的抗疲劳性能。本发明选用调质到ΗΒ22(Γ240后的65Μη作为圆弧过渡性柔性铰链I及框架14的加工材料。本发明中采用的控制方法为前馈反馈综合控制方法，用于削弱压电叠堆2的固有迟滞及蠕变特性所引起的系统误差，压电叠堆电压-位移数据关系为前馈控制提供数据模型，反馈控制方法为优化的比例、积分控制模型。本发明的具体工作过程如下
本发明在具体的测试过程中，首先，被测试件15在进行疲劳测试及原位观测前，针对金属材料或合金材料，需采用线切割加工方法试制出具有应力薄弱区域或预制缺口的被测试件15，即保证其结构尺寸，对于非金属材料，亦需通过激光切割等方法保证被测试件15的尺寸，必要时，采用电解抛光、机械抛光等方法对被测试件15进行平坦化处理，以获取原位观测需要的较好光洁度的表面形貌。将被测试件15安装于框架14的试件夹持端以及夹具体4的锯齿形凸台上，之后利用试件夹紧螺钉5将压板6固定，压板6底部的凹槽宽度与夹具体4上部的锯齿形凸台的宽度以及被测试件15的夹持端的厚度均一致，以此保证被测试件15的对中性要求，进一步，通过调整夹具的位置及利用水平仪和千分表的检测来保证试件测试过程中的共面性和准确位置。直线电位器14用于检测夹具体4与框架14的试件夹持端之间的变形量，该位移信号为模拟信号，并通过放大、滤波、降噪及模数转换，与上位机(PC机)软件中给定参考数字信号比较，给定信号的依据为前述压电叠堆2输出电压位移关系，比较信号通过PID参数整定得到用于补偿压电叠堆2变形量的电压信号，最终控制系统实现对压电叠堆2输出位移的准确控制.给运动分辨率，从而实现微纳米级的表面车削，即可实现切深的精密伺服控制。与此同时，轮辐式拉压力传感器3分别与框架14及夹具体4通过螺纹方式连接，其受载方向与被测试件15受拉伸/压缩交变载荷的方向相同。在原位测试过程中，在确定观测仪器(如扫描电子显微镜)对被测试件15薄弱区域的拟定观测点后，采用应变控制方法，通过上位机软件给定初始测试的应变值以及测试频率，即通过设定施加在压电叠堆2上的交变电压信号的幅值及频率来实现这一功能，在完成一定循环周数(如IO2)后，可停止压电叠堆2的运动，并通过扫描电镜对拟定观测点进行裂纹萌生(或扩展)现象的观测，即通过具有特定间隔时间的准连续观测方式实现该原位测试模式，该模式可同时记录被测试件15的形貌图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征被测材料力学性能的S-N曲线、持久极限、应力应变磁滞回线力学特性。以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于包括压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元，其中，压电驱动单元中的压电叠堆(2)与压电叠堆预紧单元中的弧形滑动楔块I (7)及弧形滑动楔块II (11)始终保持面接触，试件夹持单元中的夹具体(4)通过螺纹连接方式与信号检测单元中的轮辐式拉压力传感器(3)保持刚性连接，且检测单元中的直线电位器(13)及轮辐式拉压力传感器(3)均与压电驱动单元中的框架(14)亦通过螺纹连接方式保持刚性连接；所述压电驱动单元包括四组共面且平行对称安装的压电叠堆(2)、框架(14)及圆弧过渡型柔性铰链(1)，其中四组压电叠堆(2)并联排布，并同时在压电驱动电源的等幅等频电压信号驱动下输出同步的响应位移，四组圆弧过渡型柔性铰链(I)与框架(14)实为一体，框架(14)通过框架紧固螺钉(17)与固定基座(10)刚性连接；所述试件夹持单元包括夹具体(4)、试件夹紧螺钉(5)、压板(6)及被测试件(15)，其中夹具体(4)及压板(6)通过等宽的凸台及凹槽结构实现对等宽的被测试件(15)的对中性限位，所述凸台及凹槽具有密集型锯齿结构，可提高被测试件(15)夹持的稳定性，试件夹紧螺钉(5)用于将压板(6)紧固在夹具体(4)上并提供可靠的夹持力；所述压电叠堆预紧单元包括弧形滑动楔块I (7)、固定楔块(8)、楔块预紧螺钉(9)、弧形滑动楔块II (11)及固定楔块紧固螺钉(16)，其中固定楔块(8)通过固定楔块紧固螺钉(16)与固定基座(10)刚性连接，预紧力由楔块预紧螺钉(9)提供，并且楔块预紧螺钉(9)可沿被测试件(15)拉伸/压缩方向移动实现对压电叠堆(2)进行正向预紧和反向自锁；所述信号检测单元包括轮辐式拉压力传感器(3)、电位器固定螺钉(12)及直线电位器(13)，其中轮辐式拉压力传感器(3)分别与夹具体(4)及框架(14)刚性连接，直线电位器(13)的固定基体部分通过电位器固定螺钉(12)与框架(14)紧固连接，并整体沉附于框架(14)底部的凹槽内，前部回弹式推杆与夹具体(4)底部保持弹性接触。
2.根据权利要求I所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于所述的四组圆弧过渡型柔性铰链(I)采用平行四边形的内包络拓扑结构排布，每组柔性铰链由四级孤形弹性单元串联组成，每两级弹性单元轴线互相垂直，其角变形弹性输出可为疲劳测试提供精确线应变；四组压电叠堆(2)共面排布，其空间拓扑结构为并联式，在相同电压信号驱动下，互为同轴的两组压电叠堆(2)输出同轴异向运动，且输出的同步响应变形量一致。
3.根据权利要求I所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置主体尺寸为105mmX92mmX28mm，通过其固定基座(10)上的一组螺纹孔可安装在主流扫描电子显微镜的载物平台上。
4.根据权利要求I所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于所述的弧形滑动楔块I (7)及弧形滑动楔块II (11)在空间上两两对称排布，且与固定楔块紧固螺钉(16)的接触面为弧形曲面，弧形滑动楔块I (7)及弧形滑动楔块II (11)的平面端与压电叠堆(2)保持面接触，与固定楔块紧固螺钉(16)保持线接触；固定楔块紧固螺钉(16)具有13. 5°的楔形倾角，可实现自锁功能，最大预紧力可到325. 6N。
5.根据权利要求I所述的压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，其特征在于所述的夹具体(4)上设置宽度为3mm、高度为O. 5mm、且带有通过线切割加工出的锯齿状结构，压板(6)上同样设置宽度为3mm、深度为O. 5mm、且带有通过电火花加工出的锯齿状结构，被测试件(15)的 夹持端的深度亦为3_，通过该等宽约束模式可保证不同厚度的被测试件(15)在拉伸/压缩模式疲劳测试中的对中性。
全文摘要
本发明涉及一种压电致动型材料疲劳力学性能测试装置，属于精密驱动领域。由压电驱动单元、试件夹持单元、压电叠堆预紧单元及信号检测单元组成。通过四组对称式安装的压电叠堆实现较大行程的载荷/位移输出，该装置可与具有真空腔体的主流扫描电子显微镜以及具有开放式载物平台的拉曼光谱仪、X射线衍射仪及各类光学显微成像系统结合使用，可在该类观测仪器的观测下开展给定恒定频率或扫频下的恒应变或变应变疲劳测试。优点在于体积小巧，结构紧凑，测试精度高，刚度高、兼容性好、应变值及测试频率可调，通过开展针对微小尺寸试件的拉伸模式的原位疲劳测试，可对各类材料在循环载荷作用下的破坏机制及性能演变规律进行深入研究。
文档编号G01N3/02GK102928304SQ201210426539
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者赵宏伟, 马志超, 王开厅, 胡晓利, 程虹丙, 鲁帅 申请人:吉林大学