力學性能測試裝置及用該裝置測試微構件固有頻率的方法
【專利摘要】力學性能測試裝置及用該裝置測試微構件固有頻率的方法，涉及力學性能測試裝置及測試微構件固有頻率的方法。能夠簡單準確的測得微構件的固有頻率。X-Y二維運動平臺設置在大理石隔振平臺上，X-Y二維運動平臺設置在X向運動平臺上，微拉伸測試系統安裝在Y向運動平臺上面，動態測試系統安裝在大理石橫梁上，大理石橫梁通過大理石立柱固定在大理石隔振平臺上，原位觀測系統安裝在動態測試系統上。通過微拉伸測試系統對水平精密驅動單元的壓電陶瓷驅動電源進行控制，調整金剛石壓頭位置，使其與微構件中心目標位置接觸；通過動態測試系統對豎直精密驅動單元的壓電陶瓷驅動電源進行控制，本發明用于測試微構件固有頻率。
【專利說明】力學性能測試裝置及用該裝置測試微構件固有頻率的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種力學性能測試裝置及測試微構件固有頻率的方法。
【背景技術】
[0002]慣導系統高彈性合金微構件在地面加載測試中極易斷裂失效，慣性傳感器中微構件的特征尺寸大致在亞微米到毫米的范圍內。當細微到微米/納米尺度后，由于尺寸效應，微構件材料本身的物理性質及其受環境影響的程度等都會發生很大改變，其力學特性以及所受體積力和表面力的相對關系等也會發生顯著的變化。宏觀條件下材料的力學性能參數已遠遠不能滿足MEMS系統結構的設計要求，而由微小試件帶來的一系列等技術問題使得傳統的測試方法和裝置也已不再適用。
[0003]近年來，國內外學者越來越重視微構件材料力學性能的研究，提出了一些新的測試方法和測試裝置。但是，各種方法測得的數據分散性較大，甚至連最基礎的彈性模量都沒有一個一致公認的結果。在微構件設計和進行可靠性分析時，由于缺乏有關微構件材料力學性能的基礎數據，目前還沒有建立起一個有效的設計準則，導致成品率低，可靠性差，這嚴重阻礙了 MEMS的發展。
[0004]微構件的力學性能測試分為靜態測試和動態測試兩大類。靜態特性測試是測量微構件在靜止狀態的特性參數，常用的方法包括單軸拉伸法、納米壓痕法、鼓膜法、微梁彎曲法和襯底曲率法等。其中，最常用的方法是單軸拉伸法，微拉伸實驗是測量微米級材料彈性模量、泊松比、屈服強度和斷裂強度最直接的方法，拉伸實驗的數據容易解釋，測試結果比彎曲實驗可靠。動態特性測試則是采用激勵裝置對器件施加特定激勵信號，使器件運動起來，在器件運動過程中，測量處于運動狀態的器件的動態特性變化。動態特性決定了微構件的基本性能，可以反映出微構件的材料屬性、固有頻率、可靠性、機械力學參數、器件失效模式以及失效機理等關鍵問題。
[0005]但是由于試樣尺寸微小，無論是在靜態測試還是動態測試中，微構件的對中、裝夾、微位移驅動以及微小載荷和微位移的測量等一系列技術難題使得傳統的測試方法和裝置也已不再適用。目前測試裝置還沒有統一的標準，而且大部分測試裝置結構都比較復雜，所需儀器都很昂貴，測試數據分散性很大。如何最大限度的減少測試誤差，保證獲得精確一致的測試結果，提高測試效率，使測試數據能夠迅速加以處理而進行反饋監控或直接應用于生產實踐，這些問題對科研人員來說是亟待突破的難關也是挑戰。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提供一種力學性能測試裝置及用該裝置測試微構件固有頻率的方法，能夠簡單準確的測得微構件的固有頻率。
[0007]本發明解決上述問題采取的技術方案是:
本發明的力學性能測試裝置，它包括原位觀測系統、微拉伸測試系統、輔助機械系統和動態測試系統；所述的機械輔助系統包括X-Y 二維運動平臺、大理石隔振平臺、大理石橫梁和兩個大理石立柱，所述的X-Y 二維運動平臺設置在大理石隔振平臺上面，且X-Y 二維運動平臺的Y向運動平臺設置在X向運動平臺上面，所述的微拉伸測試系統安裝在Y向運動平臺上面，所述的動態測試系統安裝在大理石橫梁前側面上，所述的大理石橫梁的兩端各通過一個所述的大理石立柱支撐，且兩個大理石立柱的下端固定在大理石隔振平臺上面，所述的原位觀測系統安裝在動態測試系統的豎直高精度電移臺上；
所述的微拉伸測試系統包括水平精密驅動單元、微力傳感器、水平直線光柵測量裝置、水平高精度電移臺、水平載物臺、力傳感器固定塊、兩個固定件，所述的水平高精度電移臺包括左載物平臺、右載物平臺、絲杠螺母副、L形底座、支撐座、步進電機、四個左滑塊、四個右滑塊、兩根導軌，所述的水平載物臺包括動載物臺和靜載物臺，所述的水平直線光柵測量裝置包括光柵尺讀數頭安裝架、讀數頭和光柵尺，所述的L形底座的長板水平且沿X向設置，所述的兩根導軌平行于L形底座的長邊并固定在L形底座的長板上；所述的左載物平臺和右載物平臺左右并列設置，所述的水平精密驅動單元固定在右載物平臺上表面，所述的動載物臺與水平精密驅動單元的左側面固定連接，所述的靜載物臺與動載物臺相鄰且相對應設置，靜載物臺與動載物臺的上表面對應位置分別加工有一用于固定微構件的定位槽；所述的靜載物臺、微力傳感器及力傳感器固定塊由右至左依次設置在左載物平臺的上表面，且靜載物臺與微力傳感器固定連接，微力傳感器與力傳感器固定塊固定連接，力傳感器固定塊與左載物平臺的上表面固定連接，所述的光柵尺安裝在水平精密驅動單元的前側面或后側面上，右載物平臺上與光柵尺位于同側的側面上固定有讀數頭安裝架，所述的度數頭與光柵尺相對設置并固定在讀數頭安裝架上；所述的右載物平臺的下表面與絲杠螺母副的螺母固定連接，絲杠螺母副的絲杠一端與支撐座轉動連接，絲杠螺母副的絲杠另一端與L形底座的短板轉動連接，支撐座與L形底座的長板固定連接，右載物平臺的下表面與呈矩形設置的四個右滑塊固定連接，四個右滑塊與兩根導軌滑動連接，所述的步進電機固定于L形底座的短板上，步進電機驅動絲杠螺母副運動；左載物平臺的下表面與呈矩形設置的四個左滑塊固定連接，四個左滑塊設置在兩根導軌上，設置在同一根導軌上的兩個左滑塊之間安裝有一與導軌固定連接的固定件，工作中左載物平臺相對導軌固定不動，右載物平臺相對導軌進行運動；
所述的水平精密驅動單元包括第一柔性鉸鏈機構、第一預緊螺釘、第一壓電陶瓷、兩個第一墊片、兩個鋼珠、三個第一安裝孔，所述的第一柔性鉸鏈機構中部設有第一凹槽，所述的第一壓電陶瓷設置于第一柔性鉸鏈機構的第一凹槽內，第一壓電陶瓷兩端分別通過鋼珠、第一墊片與第一柔性鉸鏈機構的第一凹槽內壁相接觸，第一柔性鉸鏈機構上設有三個用于與右載物平臺固定連接的第一安裝孔，第一柔性鉸鏈機構的右端面加工有第一螺紋孔，所述的第一預緊螺釘與第一柔性鉸鏈機構的第一螺紋孔螺紋連接，第一預緊螺釘通過第一墊片及鋼珠預壓緊第一壓電陶瓷；
所述的原位觀測系統包括CCD相機、夾具和變倍縮放鏡頭，所述的CCD相機與變倍縮放鏡頭由上至下設置且連接在一起，CCD相機與變倍縮放鏡頭整體通過夾具豎直安裝在動態測試系統的豎直高精度電移臺的載物臺上。
[0008]本發明的利用力學性能測試裝置測試微構件固有頻率的方法，所述的方法包括以下步驟:
步驟一:在潔凈、恒溫的實驗環境下，打開所述的力學性能測試裝置的控制系統總電源，保持第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷的驅動電源提前預熱10分鐘，調整好動載物臺和靜載物臺在X-Y方向的位置，用鑷子將微構件取出，用膠粘在動載物臺和靜載物臺的定位槽內；
步驟二:通過微拉伸測試系統對水平精密驅動單元的第一壓電陶瓷驅動電源進行控制，驅動動載物臺產生微位移，使微構件在水平方向上保持0.1-0.5MPa的初始拉應力；步驟三:調整金剛石壓頭的位置，使得金剛石壓頭剛好與所述的微構件中心的目標位置接觸；
步驟四:通過動態測試系統對豎直精密驅動單元的第二壓電陶瓷驅動電源進行控制，驅動金剛石壓頭對微構件產生給定頻率的豎直疲勞載荷激勵，激勵的頻率從低頻向高頻逐漸增加，實時監測微拉伸測試系統的微力傳感器的輸出電壓波形變化；
步驟五:當微拉伸測試系統的微力傳感器輸出的電壓波形變化產生嚴重失真時，表明微構件在豎直動態激勵下發生共振，記錄此時動態激勵的頻率，此即微構件的固有頻率值。
[0009]本發明相對于現有技術的有益效果是:
本發明效果是將動態測試與靜態測試結合起來，通過動態測試系統對微構件的高頻疲勞激振，采用半閉環的控制方案實現壓頭在豎直方向的位置精確控制，極大的提高了對中的準確性。通過微拉伸系統對微構件進行原位拉伸測試，在原位測試系統的輔助下，實現動靜載物臺的對中，試樣加持可靠；采用該精度的力傳感器器(精度5mN)，實現載荷的精確測量(精度可達5mN);采用高精度光柵檢測試件的微位移，分辨率高(分辨率為5nm)、便于安裝調試。該裝置能夠準確獲得被測微構件的固有頻率。本方法對中加持可靠、調試方便、數據準確，有效的解決了微構件固有頻率測試困難的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明的力學性能測試裝置的測試原理示意圖，圖中丨箭頭所示方向為交變載荷方向，箭頭所示方向為拉伸載荷方向；
圖2是本發明的力學性能測試裝置總體裝配圖；
圖3是圖1中的微拉伸系統裝配圖；
圖4是圖3中的微拉伸系統的水平精密驅動單元裝配圖；
圖5是圖3的A處局部放大圖；
圖6是圖1中的動態測試系統的豎直精密驅動單元裝配圖；
圖7是圖1的B處局部放大圖。
[0011]上述圖中涉及到的部件名稱及標號分別為:
原位觀測系統1、CCD相機1-1、夾具1-2、變倍縮放鏡頭1-3、微拉伸測試系統2、水平精密驅動單元2-1、第一柔性鉸鏈機構2-1-1、第一預緊螺釘2-1-2、第一壓電陶瓷2-1-3、第一墊片2-1-4、鋼珠2-1-5、第一安裝孔2-1-6、微力傳感器2_2、水平直線光柵測量裝置2_3、光柵尺讀數頭安裝架2-3-1、讀數頭2-3-2、光柵尺2-3-3、水平高精度電移臺2_4、左載物平臺2-4-1、右載物平臺2-4-2、絲杠螺母副2-4-3、L形底座2_4_4、支撐座2_4_5、步進電機2-4-6、左滑塊2-4-7、右滑塊2-4-8、導軌2_4_9、水平載物臺2_5、動載物臺2_5_1、靜載物臺
2-5-2、力傳感器固定塊2-6、固定件2-7、輔助機械系統3、Y向運動平臺3_1、X向運動平臺
3-2、大理石隔振平臺3-3、大理石立柱3-4、大理石橫梁3-5、動態測試系統4、豎直高精度電移臺4-1、豎直精密驅動單元4-2、第二預緊螺釘4-2-1、第二柔性鉸鏈機構4-2-2、第二安裝孔4-2-3、豎直直線光柵測量裝置4-2-4、金剛石壓頭4-2-5、第二壓電陶瓷4-2-6、第二墊片4-2-7、微構件5。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:如圖2、圖3、圖4、圖5、圖7所示，力學性能測試裝置，它包括原位觀測系統1、微拉伸測試系統2、輔助機械系統3和動態測試系統4 ;所述的機械輔助系統3包括X-Y 二維運動平臺、大理石隔振平臺3-3、大理石橫梁3-5和兩個大理石立柱3-4，所述的X-Y 二維運動平臺設置在大理石隔振平臺3-3上面，且X-Y 二維運動平臺的Y向運動平臺3-1設置在X向運動平臺3-2上面，所述的微拉伸測試系統2安裝在Y向運動平臺3-1上面，所述的動態測試系統4安裝在大理石橫梁3-5前側面上，所述的大理石橫梁3-5的兩端各通過一個所述的大理石立柱3-4支撐，且兩個大理石立柱3-4的下端固定在大理石隔振平臺3-3上面，所述的原位觀測系統I安裝在動態測試系統4的豎直高精度電移臺4-1上；
所述的微拉伸測試系統2包括水平精密驅動單元2-1、微力傳感器2-2、水平直線光柵測量裝置2-3、水平高精度電移臺2-4、水平載物臺2-5、力傳感器固定塊2-6、兩個固定件2-7，所述的水平高精度電移臺2-4包括左載物平臺2-4-1、右載物平臺2-4-2、絲杠螺母副2-4-3、L形底座2-4-4、支撐座2_4_5、步進電機2_4_6、四個左滑塊2_4_7、四個右滑塊2-4-8、兩根導軌2-4-9，所述的水平載物臺2-5包括動載物臺2_5_1和靜載物臺2_5_2，所述的水平直線光柵測量裝置2-3包括光柵尺讀數頭安裝架2-3-1、讀數頭2-3-2和光柵尺2-3-3，所述的L形底座2-4-4的長板水平且沿X向設置，所述的兩根導軌2_4_9平行于L形底座2-4-4的長邊并固定在L形底座2-4-4的長板上；所述的左載物平臺2_4_1和右載物平臺2-4-2左右并列設置，所述的水平精密驅動單元2-1固定在右載物平臺2-4-2上表面，所述的動載物臺2-5-1與水平精密驅動單元2-1的左側面固定連接，所述的靜載物臺2-5-2與動載物臺2-5-1相鄰且相對應設置，靜載物臺2-5-2與動載物臺2_5_1的上表面對應位置分別加工有一用于固定微構件5的定位槽，利用微細銑削技術，加工出定位槽；所述的靜載物臺2-5-2、微力傳感器2-2及力傳感器固定塊2-6由右至左依次設置在左載物平臺2-4-1的上表面，且靜載物臺2-5-2與微力傳感器2-2固定連接，微力傳感器2_2與力傳感器固定塊2-6固定連接，力傳感器固定塊2-6與左載物平臺2-4-1的上表面固定連接，所述的光柵尺2-3-3安裝在水平精密驅動單元2-1的前側面或后側面上，右載物平臺2-4-2上與光柵尺2-3-3位于同側的側面上固定有讀數頭安裝架13，所述的度數頭15與光柵尺2-3-3相對設置并固定在讀數頭安裝架13上；所述的右載物平臺2-4-2的下表面與絲杠螺母副2-4-3的螺母固定連接，絲杠螺母副2-4-3的絲杠一端與支撐座2-4-5轉動連接，絲杠螺母副2-4-3的絲杠另一端與L形底座2-4-4的短板轉動連接，支撐座2_4_5與L形底座2-4-4的長板固定連接，右載物平臺2-4-2的下表面與呈矩形設置的四個右滑塊2-4-8固定連接，四個右滑塊2-4-8與兩根導軌2-4-9滑動連接，進行導向，所述的步進電機2-4-6固定于L形底座2_4_4的短板上，步進電機2_4_6驅動絲杠螺母副2_4_3運動；左載物平臺2-4-1的下表面與呈矩形設置的四個左滑塊2-4-7固定連接，四個左滑塊2-4-7設置在兩根導軌2-4-9上，設置在同一根導軌2-4-9上的兩個左滑塊2-4-7之間安裝有一與導軌2-4-9固定連接的固定件2-7，工作中左載物平臺2-4-1相對導軌2_4_9固定不動，右載物平臺2-4-2相對導軌2-4-9進行運動；
所述的水平精密驅動單元2-1包括第一柔性鉸鏈機構2-1-1、第一預緊螺釘2-1-2、第一壓電陶瓷2-1-3、兩個第一墊片2-1-4、兩個鋼珠2-1-5、三個第一安裝孔2_1_6，所述的第一柔性鉸鏈機構2-1-1中部設有第一凹槽，所述的第一壓電陶瓷2-1-3設置于第一柔性鉸鏈機構2-1-1的第一凹槽內，第一壓電陶瓷2-1-3兩端分別通過鋼珠2-1-5、第一墊片2-1-4與第一柔性鉸鏈機構2-1-1的第一凹槽內壁相接觸，第一柔性鉸鏈機構2-1-1上設有三個用于與右載物平臺2-4-2固定連接的第一安裝孔2-1-6，第一柔性鉸鏈機構2-1-1的右端面加工有第一螺紋孔，所述的第一預緊螺釘2-1-2與第一柔性鉸鏈機構2-1-1的第一螺紋孔螺紋連接，第一預緊螺釘2-1-2通過第一墊片2-1-4及鋼珠2-1-5預壓緊第一壓電陶瓷 2-1-3 ；
所述的原位觀測系統I包括CCD相機1-1、夾具1-2和變倍縮放鏡頭1-3，所述的CCD相機1-1與變倍縮放鏡頭1-3由上至下設置且連接在一起，CXD相機1-1與變倍縮放鏡頭
1-3整體通過夾具1-2豎直安裝在動態測試系統4的豎直高精度電移臺4-1的載物臺上。
[0013]本發明中米用的微力傳感器為商用傳感器，微力傳感器型號是GS0-1000-T。
[0014]【具體實施方式】二:如圖2所示，【具體實施方式】一所述的力學性能測試裝置，所述的動態測試系統4包括豎直高精度電移臺4-1和豎直精密驅動單元4-2，所述的豎直精密驅動單元4-2安裝在豎直高精度電移臺4-1的載物臺上。豎直高精度電移臺4-1為外購部件，型號為卓立漢光KSA050-13-X。
[0015]【具體實施方式】三:如圖2、圖3及圖6所示，【具體實施方式】二所述的力學性能測試裝置，所述的豎直精密驅動單元4-2包括第二預緊螺釘4-2-1、第二柔性鉸鏈機構4-2-2、豎直直線光柵測量裝置4-2-4、金剛石壓頭4-2-5、第二壓電陶瓷4-2-6、兩個第二墊片4_2_7、多個第二安裝孔4-2-3 ；
所述的第二柔性鉸鏈機構4-2-2中部設有第二凹槽，所述的第二壓電陶瓷4-2-6設置于第二柔性鉸鏈機構4-2-2的第二凹槽內，第二壓電陶瓷4-2-6兩端各安裝一個第二墊片4-2-7，第二柔性鉸鏈機構4-2-2的上端面加工有第二螺紋孔，所述的第二預緊螺釘4-2-1與第二柔性鉸鏈機構4-2-2的第二螺紋孔螺紋連接，第二壓電陶瓷4-2-6通過第二預緊螺釘4-2-1進行預緊，所述的豎直直線光柵測量裝置4-2-4安裝在第二柔性鉸鏈機構4-2-2的正面，第二柔性鉸鏈機構4-2-2的下端面安裝有金剛石壓頭4-2-5，金剛石壓頭4-2-5的頭端豎直并朝下設置，工作時，金剛石壓頭4-2-5的頭端與所述的微構件5上表面接觸；所述的第二柔性鉸鏈機構4-2-2上設有用于與所述的豎直高精度電移臺4-1的載物臺固定連接的多個第二安裝孔4-2-3，第二安裝孔4-2-3內穿入螺釘，通過螺釘與豎直高精度電移臺4-1的載物臺固定連接。金剛石壓頭4-2-5的對中及原位觀測是原位觀測系統I通過X-Y二維運動平臺和動態測試系統4的豎直高精度電移臺4-1的配合運動實現的。豎直直線光柵測量裝置4-2-4與水平直線光柵測量裝置2-3結構相同，豎直直線光柵測量裝置4-2-4中的各構件的安裝位置根據需要確定，為現有技術。
[0016]【具體實施方式】四:如圖f圖7所示，一種利用【具體實施方式】三所述的裝置測試微構件固有頻率的方法，所述的方法包括以下步驟:
步驟一:在潔凈、恒溫的實驗環境下，打開所述的力學性能測試裝置的控制系統總電源，保持第一壓電陶瓷2-1-3和第二壓電陶瓷4-2-6的驅動電源提前預熱10分鐘，調整好動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2在X-Y方向的位置，用鑷子將微構件5取出，用膠粘在動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2的定位槽內；
步驟二:通過微拉伸測試系統2對水平精密驅動單元2-1的第一壓電陶瓷2-1-3驅動電源進行控制，驅動動載物臺2-5-1產生微位移，使微構件5在水平方向上保持0.1-0.5MPa的初始拉應力；
步驟三:調整金剛石壓頭4-2-5的位置，使得金剛石壓頭4-2-5剛好與所述的微構件5中心的目標位置接觸；
步驟四:通過動態測試系統4對豎直精密驅動單元4-2的第二壓電陶瓷4-2-6驅動電源進行控制，驅動金剛石壓頭4-2-5對微構件5產生給定頻率的豎直疲勞載荷激勵，激勵的頻率從低頻向高頻逐漸增加，實時監測微拉伸測試系統2的微力傳感器2-2的輸出電壓波形變化；
步驟五:當微拉伸測試系統2的微力傳感器2-2輸出的電壓波形變化產生嚴重失真時，表明微構件5在豎直動態激勵下發生共振，記錄此時動態激勵的頻率，此即微構件5的固有
頻率值。
[0017]【具體實施方式】五:如圖2?圖4所示，【具體實施方式】四所述的測試微構件固有頻率的方法，所述的步驟一中；調整動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2在X-Y方向的位置的具體方法是:保持靜載物臺2-5-2不動，在原位觀測系統I的輔助下，調整動載物臺2-5-1在Y方向的位置，保證動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2的標記位置對齊后固定動載物臺2-5-1，調整完成后，在不拆卸動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2的情況下，每次微構件5測試前不需要重新調整；調整動載物臺2-5-1在X方向的位置，利用塞尺保證動載物臺2-5-1和靜載物臺2-5-2在X方向具有0.02-lmm的間隙，具體間隙值根據微構件的測試部分尺寸值確定。
[0018]【具體實施方式】六:如圖2、圖3及圖6所示，【具體實施方式】四或五所述的測試微構件固有頻率的方法，所述的步驟三中；調整金剛石壓頭4-2-5的位置的具體方法是:在原位觀測系統I的輔助下，通過X-Y 二維運動平臺的運動，使金剛石壓頭4-2-5與微構件5中心目標位置在X-Y方向重合，再利用豎直高精度電移臺4-1在豎直方向上執行大行程的進給，當金剛石壓頭4-2-5接近目標位置時，利用豎直精密驅動單元4-2的第二壓電陶瓷4-2-6進行微進給，當微拉伸測試系統2的微力傳感器2-2電壓輸出信號變化時，說明金剛石壓頭
4-2-5剛好與微構件5上表面接觸，此時立即停止微進給，豎直方向進給完成。
[0019]【具體實施方式】七:【具體實施方式】四所述的測試微構件固有頻率的方法，所述的步驟四中；激勵的頻率從OHz逐漸增加到3000Hz。
【權利要求】
1.一種力學性能測試裝置，其特征是:它包括原位觀測系統(I)、微拉伸測試系統(2)、輔助機械系統(3)和動態測試系統(4);所述的機械輔助系統(3)包括X-Y 二維運動平臺、大理石隔振平臺(3-3)、大理石橫梁(3-5)和兩個大理石立柱(3-4)，所述的X-Y 二維運動平臺設置在大理石隔振平臺(3-3)上面，且X-Y 二維運動平臺的Y向運動平臺(3-1)設置在X向運動平臺(3-2)上面，所述的微拉伸測試系統(2)安裝在Y向運動平臺(3-1)上面，所述的動態測試系統(4)安裝在大理石橫梁(3-5)前側面上，所述的大理石橫梁(3-5)的兩端各通過一個所述的大理石立柱(3-4)支撐，且兩個大理石立柱(3-4)的下端固定在大理石隔振平臺(3-3)上面，所述的原位觀測系統(I)安裝在動態測試系統(4)的豎直高精度電移臺(4-1)上； 所述的微拉伸測試系統(2)包括水平精密驅動單元(2-1)、微力傳感器(2-2)、水平直線光柵測量裝置(2-3)、水平高精度電移臺(2-4)、水平載物臺(2-5)、力傳感器固定塊(2-6)、兩個固定件(2-7)，所述的水平高精度電移臺(2-4)包括左載物平臺(2-4-1)、右載物平臺(2-4-2)、絲杠螺母副(2-4-3)、L形底座(2-4-4)、支撐座(2-4-5)、步進電機(2-4-6)、四個左滑塊(2-4-7)、四個右滑塊(2-4-8)、兩根導軌(2-4-9)，所述的水平載物臺(2-5)包括動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)，所述的水平直線光柵測量裝置(2-3)包括光柵尺讀數頭安裝架(2-3-1)、讀數頭(2-3-2)和光柵尺(2-3-3)，所述的L形底座(2-4-4)的長板水平且沿X向設置，所述的兩根導軌(2-4-9)平行于L形底座(2-4-4)的長邊并固定在L形底座(2-4-4)的長板上；所述的左載物平臺(2-4-1)和右載物平臺(2-4-2)左右并列設置，所述的水平精密驅動單元(2-1)固定在右載物平臺(2-4-2)上表面，所述的動載物臺(2-5-1)與水平精密驅動單元(2-1)的左側面固定連接，所述的靜載物臺(2-5-2)與動載物臺(2-5-1)相鄰且相對應設置，靜載物臺(2-5-2)與動載物臺(2-5-1)的上表面對應位置分別加工有一用于固定微構件(5)的定位槽；所述的靜載物臺(2-5-2)、微力傳感器(2-2)及力傳感器固定塊(2-6)由右至左依次設置在左載物平臺(2-4-1)的上表面，且靜載物臺(2-5-2)與微力傳感器(2-2)固定連接，微力傳感器(2-2)與力傳感器固定塊(2-6)固定連接，力傳感器固定塊(2-6)與左載物平臺(2-4-1)的上表面固定連接，所述的光柵尺(2-3-3)安裝在水平精密驅動單元(2-1)的前側面或后側面上，右載物平臺(2-4-2)上與光柵尺(2-3-3)位于同側的側面上固定有讀數頭安裝架(13)，所述的度數頭(15)與光柵尺(2-3-3)相對設置并固定在讀數頭安裝架(13)上；所述的右載物平臺(2-4-2)的下表面與絲杠螺母副(2-4-3)的螺母固定連接，絲杠螺母副(2-4-3)的絲杠一端與支撐座(2-4-5)轉動連接，絲杠螺母副(2-4-3)的絲杠另一端與L形底座(2-4-4)的短板轉動連接，支撐座(2-4-5)與L形底座(2-4-4)的長板固定連接，右載物平臺(2-4-2)的下表面與呈矩形設置的四個右滑塊(2-4-8)固定連接，四個右滑塊(2-4-8)與兩根導軌(2-4-9)滑動連接，所述的步進電機(2-4-6)固定于L形底座(2-4-4)的短板上，步進電機(2_4_6)驅動絲杠螺母副(2-4-3)運動；左載物平臺(2-4-1)的下表面與呈矩形設置的四個左滑塊(2-4-7)固定連接，四個左滑塊(2-4-7)設置在兩根導軌(2-4-9)上，設置在同一根導軌(2-4-9)上的兩個左滑塊(2-4-7 )之間安裝有一與導軌(2-4-9 )固定連接的固定件(2-7 )，工作中左載物平臺(2-4-1)相對導軌(2-4-9)固定不動，右載物平臺(2-4-2)相對導軌(2_4_9)進行運動； 所述的水平精密驅動單元(2-1)包括第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)、第一預緊螺釘(2-1-2)、第一壓電陶瓷(2-1-3)、兩個第一墊片(2-1-4)、兩個鋼珠(2-1-5)、三個第一安裝孔(2-1-6)，所述的第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)中部設有第一凹槽，所述的第一壓電陶瓷(2-1-3)設置于第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)的第一凹槽內，第一壓電陶瓷(2-1-3)兩端分別通過鋼珠(2-1-5)、第一墊片(2-1-4)與第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)的第一凹槽內壁相接觸，第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)上設有三個用于與右載物平臺(2-4-2)固定連接的第一安裝孔(2-1-6)，第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)的右端面加工有第一螺紋孔，所述的第一預緊螺釘(2-1-2)與第一柔性鉸鏈機構(2-1-1)的第一螺紋孔螺紋連接，第一預緊螺釘(2-1-2)通過第一墊片(2-1-4)及鋼珠(2-1-5)預壓緊第一壓電陶瓷(2-1-3)； 所述的原位觀測系統(I)包括C⑶相機(1-1)、夾具(1-2)和變倍縮放鏡頭(1-3)，所述的CXD相機(1-1)與變倍縮放鏡頭(1-3)由上至下設置且連接在一起，CXD相機(1-1)與變倍縮放鏡頭(1-3)整體通過夾具(1-2)豎直安裝在動態測試系統(4)的豎直高精度電移臺(4-1)的載物臺上。
2.根據權利要求1所述的力學性能測試裝置，其特征是:所述的動態測試系統(4)包括豎直高精度電移臺(4-1)和豎直精密驅動單元(4-2)，所述的豎直精密驅動單元(4-2)安裝在豎直高精度電移臺(4-1)的載物臺上。
3.根據權利要求2所述的力學性能測試裝置，其特征是:所述的豎直精密驅動單元(4-2)包括第二預緊螺釘(4-2-1)、第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)、豎直直線光柵測量裝置(4-2-4)、金剛石壓頭(4-2-5)、第二壓電陶瓷(4-2-6)、兩個第二墊片(4-2-7)、多個第二安裝孔(4-2-3)； 所述的第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)中部設有第二凹槽，所述的第二壓電陶瓷(4-2-6)設置于第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)的第二凹槽內，第二壓電陶瓷(4-2-6)兩端各安裝一個第二墊片(4-2-7)，第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)的上端面加工有第二螺紋孔，所述的第二預緊螺釘(4-2-1)與第二柔性 鉸鏈機構(4-2-2)的第二螺紋孔螺紋連接，第二壓電陶瓷(4-2-6)通過第二預緊螺釘(4-2-1)進行預緊，所述的豎直直線光柵測量裝置(4-2-4)安裝在第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)的正面，第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)的下端面安裝有金剛石壓頭(4-2-5 )，金剛石壓頭(4-2-5 )的頭端豎直并朝下設置，工作時，金剛石壓頭(4-2-5 )的頭端與所述的微構件(5)上表面接觸；所述的第二柔性鉸鏈機構(4-2-2)上設有用于與所述的豎直高精度電移臺(4-1)的載物臺固定連接的多個第二安裝孔(4-2-3)。
4.一種利用權利要求3所述的裝置測試微構件固有頻率的方法，其特征是:所述的方法包括以下步驟: 步驟一:在潔凈、恒溫的實驗環境下，打開所述的力學性能測試裝置的控制系統總電源，保持第一壓電陶瓷(2-1-3)和第二壓電陶瓷(4-2-6)的驅動電源提前預熱10分鐘，調整好動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)在X-Y方向的位置，用鑷子將微構件(5)取出，用膠粘在動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)的定位槽內； 步驟二:通過微拉伸測試系統(2)對水平精密驅動單元(2-1)的第一壓電陶瓷(2-1-3)驅動電源進行控制，驅動動載物臺(2-5-1)產生微位移，使微構件(5)在水平方向上保持.0.1-0.5MPa的初始拉應力； 步驟三:調整金剛石壓頭(4-2-5)的位置，使得金剛石壓頭(4-2-5)剛好與所述的微構件(5)中心的目標位置接觸； 步驟四:通過動態測試系統(4)對豎直精密驅動單元(4-2)的第二壓電陶瓷(4-2-6)驅動電源進行控制，驅動金剛石壓頭(4-2-5)對微構件(5)產生給定頻率的豎直疲勞載荷激勵，激勵的頻率從低頻向高頻逐漸增加，實時監測微拉伸測試系統(2)的微力傳感器(2-2)的輸出電壓波形變化； 步驟五:當微拉伸測試系統(2)的微力傳感器(2-2)輸出的電壓波形變化產生嚴重失真時，表明微構件(5)在豎直動態激勵下發生共振，記錄此時動態激勵的頻率，此即微構件(5)的固有頻率值。
5.根據權利要求4所述的測試微構件固有頻率的方法，其特征是:所述的步驟一中；調整動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)在X-Y方向的位置的具體方法是:保持靜載物臺(2-5-2)不動，在原位觀測系統(I)的輔助下，調整動載物臺(2-5-1)在Y方向的位置，保證動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)的標記位置對齊后固定動載物臺(2-5-1)，調整完成后，在不拆卸動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)的情況下，每次微構件(5)測試前不需要重新調整；調整動載物臺(2-5-1)在X 方向的位置，利用塞尺保證動載物臺(2-5-1)和靜載物臺(2-5-2)在X方向具有0.02-lmm的間隙，具體間隙值根據微構件的測試部分尺寸值確定。
6.根據權利要求4或5所述的測試微構件固有頻率的方法，其特征是:所述的步驟三中；調整金剛石壓頭(4-2-5)的位置的具體方法是:在原位觀測系統(I)的輔助下，通過X-Y二維運動平臺的運動，使金剛石壓頭(4-2-5)與微構件(5)中心目標位置在X-Y方向重合，再利用豎直高精度電移臺(4-1)在豎直方向上執行大行程的進給，當金剛石壓頭(4-2-5)接近目標位置時，利用豎直精密驅動單元(4-2)的第二壓電陶瓷(4-2-6)進行微進給，當微拉伸測試系統(2)的微力傳感器(2-2)電壓輸出信號變化時，說明金剛石壓頭(4-2-5)剛好與微構件(5)上表面接觸，此時立即停止微進給，豎直方向進給完成。
7.根據權利要求4所述的測試微構件固有頻率的方法，其特征是:所述的步驟四中；激勵的頻率從OHz逐漸增加到3000Hz。
【文檔編號】G01N29/04GK104007015SQ201410271007
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】王石磊, 車琳, 王波, 李國 , 丁飛 申請人:哈爾濱工業大學