一种材料微纳结构机械力学性能的测试装置的制作方法

本发明涉及材料力学性能参数的光学测试，具体的说是一种材料微纳结构机械力学性能测试装置。

背景技术：

材料微纳结构试样的特征长度一般在毫米量级，与常规尺寸相比，其力学性能会有显著变化，目前缺少对其力学性能的检测，测试所得材料微纳结构机械力学性能参数分散性很大，没有形成一个完整的检测体系和标准。对于材料微纳结构试件的检测，很多传统的测试方法和测试仪器将不再适用，试样的微小性也给实验带来了一系列的困难，包括试样的夹持、对中和加载等等。如何快速精确判断材料微纳结构机械力学性能这是材料性能检测领域的一个难题。

目前，中北大学应用拉曼光谱频移技术、西安交通大学建立基于模糊集的微构件弹性模量评价模型、清华大学对微加速度计挠性梁的动态特性进行了研究、华中科技大学研究了频闪视觉干涉三维测试系统，这些测试技术对于材料维纳结构机械力学性能检测还存在检测精度低、检测速度慢、自动化程度低、得到的数据不够全面、测试方法不具有通用性等缺点，不能满足快速、精确检测的实际需求。

技术实现要素：

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种材料微纳结构机械力学性能的测试装置，具有速度快、精度高、非接触全场测试等性能特点，从而满足各种材料的微纳结构机械力学性能指标的实际测试需求。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明一种材料微纳结构机械力学性能的测试装置的特点包括：激光散斑干涉测试单元、视觉引导与散斑图像相关测试单元、右定位滑台、微位移拉伸机、二维定位滑台、机台、左定位滑台；

所述机台是由底部台面和竖直立面构成，在所述底部台面上设置有所述二维定位滑台，在所述二维定位滑台上固定设置有所述微位移拉伸机；

在所述竖直立面上分别固定有所述右定位滑台和左定位滑台；在所述右定位滑台上设置有所述视觉引导与散斑图像相关测试单元；在所述左定位滑台上设置有所述激光散斑干涉测试单元；

所述测试装置是通过所述二维定位滑台调节所述微位移拉伸机在水平面上的横向和纵向位置，并通过所述右定位滑台调节所述立体显微镜的高度或通过左定位滑台调节所述激光散斑干涉测试单元的高度，从而使得位于所述微位移拉伸机上的试样能在所述视觉引导与散斑图像相关测试单元中或所述激光散斑干涉测试单元中清晰成像。

本发明所述的材料微纳结构机械力学性能的测试装置的特点也在于：

所述视觉引导与散斑图像相关测试单元包括：双目立体显微镜、第一摄像机和第二摄像机；所述双目立体显微镜的左右两个相机接口处分别安装所述第一摄像机和第二摄像机。

所述激光散斑干涉测试单元包括：半导体激光器、十字分光器、第一PZT移相组合、第二PZT移相组合、Y方向相移器、个反射镜、个扩束镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、成像透镜、CCD；

由所述半导体激光器发出的激光经过所述第一分光棱镜分为两束光，其中一束光依次经过第七反射镜、第一PZT移相组合、第八反射镜的反射后，通过第一扩束镜的扩束，再通过所述第二分光棱镜被所述CCD接收；

另一束光依次经过所述十字分光器、第九反射镜的反射后，通过第二扩束镜的扩束，形成测试光并照射到所述试样的表面，所述测试光再经过所述成像透镜和所述第二分光棱镜被所述CCD接收，从而实现所述试样的面外法线方向即Z方向的位移测试；

由所述半导体激光器发出的激光经过所述第一分光棱镜和所述十字分光器分为两束光，其中一束光经过所述第二PZT移相组合的反射和第三扩束镜的扩束后，照射到所述试样的表面；

另一束光经过第十反射镜的反射和第四扩束镜的扩束后照射到所述试样的表面，并在所述试样的表面形成激光散斑，所述激光散斑经过所述成像透镜和第二分光棱镜被所述CCD接收，从而实现所述试样面内一个方向即X方向的位移测试；

由所述半导体激光器发出的激光经过所述第一分光棱镜和所述十字分光器分为另外两束光，其中一束光经过所述Y方向相移器的反射和第二扩束镜的扩束后，照射到所述试样的表面；

另一束光经过第十反射镜的反射和第五扩束镜的扩束后照射到所述试样的表面，并在所述试样的表面形成激光散斑，所述激光散斑经过所述成像透镜和第二分光棱镜被所述CCD接收，从而实现所述试样面内另一个方向即Y方向的位移测试。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明属于非接触式光学测试方法，利用激光散斑干涉测试单元、视觉引导与散斑图像相关测试单元、右定位滑台、微位移拉伸机、二维定位滑台、机台和左定位滑台的有机组合以实现微拉伸结合光学测试法，是测试材料微纳结构的弹性模量、泊松比、屈服强度等最直接的测试方法，克服了现有测试装置和技术对于材料微纳结构机械力学性能的测试参数不完整、数据难于分析处理等问题，本发明不仅可以得到包括塑性变形在内的拉伸应力应变曲线的全过程，实验数据也易于分析说明，从而满足了材料力学性能的快速精确检测的要求。

2、本发明激光散斑干涉测试单元具有高度的集成性，通过对其光学成像系统和相移结构的优化，克服了现有测试单元结构复杂、集成度低等问题，使得整个测试单元结构非常紧凑、操作简单，能够快速得到试件在加载过程中的三维微位移和变形过程。

3、由于试样尺寸很小，通常在毫米级，本发明视觉引导与散斑图像相关测试单元很好的解决了微试样难以定位和对中等难题。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构图；

图2a是本发明激光散斑干涉测试单元的结构图；

图2b是本发明视觉引导与散斑图像相关测试单元的结构图；

图2c是本发明右定位滑台、二维定位滑台、机台和左定位滑台的结构图；

图2d是本发明微位移拉伸机的结构图；

图3是本发明立体显微镜的成像光路原理图；

图4是本发明激光散斑干涉测试单元的面外变形光路原理图；

图5是本发明激光散斑干涉测试单元的面内变形光路原理图(X方向)；

图中标号：1激光散斑干涉测试单元；2视觉引导与散斑图像相关测试单元；3右定位滑台1；4微位移拉伸机；5二维定位滑台；6机台；7左定位滑台；8双目立体显微镜；9第一摄像机；10第一反射镜；11分光镜；12第一透镜组；13第二透镜组；14试样；15第三透镜组；16第二反射镜；17第二摄像机；18第三反射镜；19第四反射镜；20第五反射镜；21第六反射镜；22半导体激光器；23第一分光棱镜；24第七反射镜；25第一PZT移相组合；26第八反射镜；27第一扩束镜；28成像透镜；29十字分光器；30第九反射镜；31CCD；32第二分光棱镜；33第二扩束镜；34第二PZT移相组合；35第三扩束镜；36第十反射镜；37第四扩束镜。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中，一种材料微纳结构机械力学性能的测试装置，包括：激光散斑干涉测试单元1、视觉引导与散斑图像相关测试单元2、右定位滑台3、微位移拉伸机4、二维定位滑台5、机台6、左定位滑台7；

如图2c所示，机台6是由底部台面和竖直立面构成，在底部台面上设置有二维定位滑台5，并固定在机台6上，在二维定位滑台5上固定设置有微位移拉伸机4，并固定在机台6上；

在竖直立面上分别固定有右定位滑台3和左定位滑台7；在右定位滑台3上设置有视觉引导与散斑图像相关测试单元2，并固定在右定位滑台3的载物台上；在左定位滑台7上设置有激光散斑干涉测试单元1，并固定在左定位滑台7的载物台上；

如图1和图2d所示，微位移拉伸机4是固定在二维定位滑台5的载物台上，试样14装夹在微位移拉伸机4上，测试装置是通过二维定位滑台5调节微位移拉伸机4在水平面上的横向和纵向位置，并通过右定位滑台3向上或向下调节立体显微镜2的高度或通过左定位滑台7向上或向下调节激光散斑干涉测试单元1的高度，从而使得位于微位移拉伸机4上的试样14能在视觉引导与散斑图像相关测试单元2中或激光散斑干涉测试单元1中清晰成像。

如图1和图2b所示，视觉引导与散斑图像相关测试单元2包括：双目立体显微镜8、第一摄像机9和第二摄像机17；双目立体显微镜8的左右两个相机接口处分别安装第一摄像机9和第二摄像机17；

如图3所示，成像过程如下：光照射到试样14表面，经过第二透镜组13，再分别经过第一透镜组12和第三透镜组15，形成两个同轴光路，分别为左边成像光路和右边成像光路；经过第一透镜组12的透射光被分光镜11分成两束光，其中一束光依次经过第五反射镜20和第六反射镜21供人左眼观察，另一束光经过第一反射镜10被第一摄像机9接收；经过第三透镜组15的透射光被分光镜11分成两束光，其中一束光依次经过第四反射镜19和第三反射镜18供人右眼观察，另一束光经过第二反射镜16被第二摄像机17接收；

视觉引导与散斑图像相关测试单元2是基于立体显微双目视觉原理，采用伽利略同轴分光的方式，实现双目立体成像，通过改装双目立体显微镜8，实现可视化引导成像和三维散斑图像相关变形应变全场实时测试；

如图1和图2a所示，激光散斑干涉测试单元1包括：半导体激光器22、十字分光器29、第一PZT移相组合25、第二PZT移相组合34、Y方向相移器、5个反射镜、5个扩束镜、第一分光棱镜23、第二分光棱镜32、成像透镜28、CCD31；

如图4所示，由半导体激光器22发出的激光经过第一分光棱镜23分为两束光，其中一束光依次经过第七反射镜24、第一PZT移相组合25、第八反射镜26的反射后，通过第一扩束镜27的扩束，再通过第二分光棱镜32，作为参考光被CCD31接收；

另一束光经过十字分光器29的分束后、其中一束依次经过第九反射镜30的反射后，通过第二扩束镜33的扩束，形成测试光并照射到试样14的表面，测试光再经过成像透镜28和第二分光棱镜32被CCD31接收，在第一PZT移相组合25的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相减模式得到相位条纹图，再经过滤波和相位解包裹，从而实现试样14的面外法线方向即Z方向的位移测试；

如图5所示，由半导体激光器22发出的激光经过第一分光棱镜23和十字分光器29分为两束光，其中一束光经过第二PZT移相组合34的反射和第三扩束镜35的扩束后，照射到试样14的表面；

另一束光经过第十反射镜36的反射和第四扩束镜37的扩束后照射到试样14的表面，并在试样14的表面形成激光散斑，激光散斑经过成像透镜28和第二分光棱镜32被CCD31接收，在第二PZT移相组合34的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相减模式得到相位条纹图，再经过滤波和相位解包裹，从而实现试样14面内一个方向即X方向的位移测试；

由半导体激光器22发出的激光经过第一分光棱镜23和十字分光器29分为另外两束光，其中一束光经过Y方向相移器的反射和第二扩束镜33的扩束后，照射到试样14的表面；

另一束光经过第十反射镜的反射和第五扩束镜的扩束后照射到试样14的表面，并在试样14的表面形成激光散斑，激光散斑经过成像透镜28和第二分光棱镜32被CCD31接收，在第三PZT移相组合的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相减模式得到相位条纹图，再经过滤波和相位解包裹，从而实现试样14面内另一个方向即Y方向的位移测试；这样可以测试试样14在加载过程中的三维微位移和变形过程，进而反演出材料微纳结构机械力学性能应力应变、弹性模量、泊松比等参数。