服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，属于精密驱动领域。通过四组正交布置的压电驱动器实现大行程双轴同步同速或同步异速位移输出，结合嵌入式高温电热合金片/帕尔贴片，针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展高/低温服役条件下的双轴静态拉伸测试或动态疲劳测试。易于实现与较大真空腔体的扫描电子显微镜或其他具有开放式承载空间的显微成像设备，如光学显微镜、原子力显微镜、高速摄像机等结合使用，即可开展多种模式的双轴静态拉伸测试或大频率范围的双轴动态疲劳测试，便于开展对各类结构材料或功能材料在复杂服役条件下，如高/低温条件、静动态平面应力条件的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研究。
【专利说明】服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及精密驱动领域，材料疲劳性能的原位力学测试领域，尤指一种服 役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台。该平台通过与扫描电子显微镜、X射线衍射 仪和光学显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境和平面应力状态下材 料的疲劳失效机制进行研宄，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性 和稳定性提供测试方法。
【背景技术】
[0002] 材料及其制品在交变载荷作用时，虽然其所受的载荷幅值远低于其屈服强度或抗 拉强度，但经过反复的、长期的变形累积，最终发生断裂破坏的行为通常都是由于疲劳失效 所致。由于缺乏对材料疲劳失效机理及疲劳微观力学性能的深入研宄，各类因材料疲劳失 效引起的事故因其难以预测性和极大破坏性而造成了巨大的经济损失，如1998年我国发 生的大型水轮机泄水锥的疲劳断裂和2003年日本环境监测卫星的报废等。
[0003] 现有微观尺度下疲劳力学性能的测试大都通过商业化的疲劳试验机的非原位测 试后，再利用扫描电子显微镜等的高分辨率观测功能，对材料局部缺陷处因应力集中而产 生的滑移和微裂纹成核以及疲劳断口开展研宄，或利用扫描电子显微镜下小型化原位拉伸 测试仪实现往复的拉伸、压缩动作，但一般应用在对加载频率要求不高的低周疲劳测试中。 商业化疲劳试验机以电液伺服疲劳试验机的应用最为广泛，如美国MTS及Instron等公司 的产品在我国的科研院校中应用非常普遍，这些试验机通常包括液压泵站、液压阀、油缸等 液压系统单元，集成高性能频率发生器，能够实现大频率范围的驱动加载功能。但由于这类 试验机体积较大，难以实现与各类成像设备的集成，一般不具备实现原位疲劳测试的功能。 而受限于伺服电机及步进电机的回转惯性，尤其是集成了较大减速比减速机构后，现有小 型化拉伸测试仪难以实现较高频率的加载，即难以开展更加符合各类构件实际工况下的高 周疲劳测试的要求。因此，原位疲劳测试仪器的研制与开发面临着结构小型化以及测试频 率提高等迫切问题。此外，因扫描电子显微镜及AFM获取高清晰图像的成像时间较长，难以 实时对承受中、高频率交变载荷的试件进行图像采集，因此一般采取一定循环周数后进行 图像采集的方法来对因交变载荷导致的疲劳裂纹萌生及扩展行为进行观测。
[0004] 日本岛津公司推出的极少数能够与扫描电子显微镜兼容使用的液压驱动型疲劳 测试仪，该仪器可实现±5kN的最大加载力以及IOmm的有效振幅，但最高加载频率仅为 10Hz，虽对原位拉伸测试仪器能够提供的疲劳测试加载频率有了较大提升，但仍难以满足 中、高频疲劳测试的要求。此外，该仪器的液压驱动单元及试件夹持单元分别固定安装于扫 描电子显微镜的密封挡板上，未使用扫描电子显微镜的多自由度载物平台，难以实现扫描 电子显微镜对试件感兴趣区域的寻找与特定观测，并且由于测试仪器与扫描电子显微镜一 体化安装，导致该扫描电子显微镜其他功能难以正常使用。
[0005] 压电器件因其快速响应、结构小巧紧凑、可靠性好等特性也被应用在微尺度构件 的疲劳测试上。其中，PI公司推出了压电型疲劳加载模块，并成功地应用在微尺度构件的 疲劳特性研宄中。2005年，韩国首尔国立大学的D.Son等搭建了基于压电驱动器的疲劳测 试装置，用于对光刻、电铸和注塑（LIGA)加工的镍基微机电系统（MEMS)构件的高周疲劳性 能进行研宄，该测试装置包括压电驱动器、三轴位移手动调整平台以及CCD模块，测试过程 中采用应变控制模式，加载频率为20Hz，结果表明，应力比R为0. 13时，该镍基MEMS构件 的疲劳强度约为143MPa，疲劳寿命约为4XIO4次。2010年，日本京都大学的T.Tsuchiya 等亦采用压电驱动技术开发了一种用于高湿度环境下微机电材料疲劳失效性能测试的装 置，被测试件为IOOymX13μπιΧ3. 3μπι的单晶硅材料，且被置于一个具有流通气流的环 境腔内，气流的温度和湿度可调。该测试装置采用PI公司的Polytec压电驱动器，并置于 大平台光学显微镜的三轴手动精密操作平台上，可实现最大加载力为〇. 2Ν，有效运动行程 为±15μm，极限加载频率为IOOHz。通过测试发现，在环境湿度为60%，应力比R为0. 15 的情况下，单晶硅薄膜的疲劳寿命为2. 72XIO5次。但由于压电器件的输出位移多在几十 微米级别，难以实现对块体材料的大行程往复运动加载，且压电驱动器中大刚度的柔性铰 链机构往往会削弱压电器件的输出位移，而小刚度的柔性铰链则由于其惯性力，难以实现 较高加载频率下的快速响应。
[0006] 综上，截止目前为止，国内外对原位疲劳测试的研宄可归纳为三类：一是扫描电子 显微镜下利用原位拉伸测试仪器实现的较低频率加载的低周疲劳测试；二是扫描电子显微 镜下利用液压驱动技术实现的对块体材料的大行程疲劳测试，但其加载频率有限，且难以 调整成像区域；三是CCD下基于压电驱动技术的微尺度构件的高频疲劳测试。上述方法因 结构较大、乡音频率不足、存在机械惯性以及放大倍率不足等因素，限制了扫描电子显微镜 下对疲劳损伤机制的深入研宄，且上述方法较少涉及温度服役环境平面应力状态下的疲劳 测试装置。因材料及其制品的疲劳失效往往归因于复杂的应力状态和温度环境，因此，设计 一种用于双轴力学性能测试、体积小巧，测试精度高，且能与扫描电子显微镜等多种成像仪 器实现兼容使用服役温度下的疲劳测试装置十分必要。
【发明内容】
[0007] 本实用新型的目的在于提供一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台， 解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型的主体尺寸为149mmX139mmX29mm，可在 ZeissEV018型扫描电子显微镜和FEIQuant250型号扫描电镜等的真空腔体内兼容使用。 相比于现有电液伺服型或电机驱动型疲劳测试仪，本实用新型通过四组正交布置的压电驱 动装置实现大行程双轴同步同速或同步异速位移输出，结合嵌入式高温电热合金片或帕尔 贴片，可针对特征尺寸为毫米级的块体材料或薄膜材料开展高/低温服役条件下的静态拉 伸测试或动态疲劳测试。对材料在平面应力状态下疲劳失效行为的研宄可对工程结构在复 杂服役条件下的微观结构演化行为和疲劳失效机制的研宄。与此同时，本实用新型利用高 温电热合金片和帕尔贴片实现的高低温温度加载功能，可构建接近材料真实服役条件下的 物理场环境，为揭示材料在微尺度下的热疲劳行为与变形损伤的相关性提供了测试方法。
[0008] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0009] 服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，包括双轴压电驱动单元、加热/ 制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单元以及基座支撑单元，其中，双轴 压电驱动单元中的柔性铰链9通过螺纹连接方式分别与双轴载荷/位移检测单元中的拉压 力传感器8以及基座支撑单元中的基座7刚性连接，十字形试件夹持单元中的下夹具体15 分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块6刚性连接，且分别通过其侧边卡槽 和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引伸计13的标距叉以及拉压力传感器 8紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽16嵌入安装于基座支撑单元中的基座7的 定位孔中；
[0010] 所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电驱动器组成，每个压电 驱动器由压电叠堆I1、压电叠堆II2及柔性铰链9组成，压电叠堆I、II1、2采用串联布置 方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链9采用圆弧过渡型铰链形式，其 菱形内包络结构对压电叠堆I、II1、2输出的可控位移进行放大；
[0011] 所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片1〇和盘式安装卡槽16,其中 高温电热合金片/帕尔贴片10嵌入安装于盘式安装卡槽16的矩形槽中，矩形槽的宽度与 高温电热合金片/帕尔贴片10的宽度一致；
[0012] 所述十字形试件夹持单元包括上夹具体14、下夹具体15、夹具体紧固螺钉17及十 字形试件3,所述上夹具体14和下夹具体15分别具有相互配合使用的凹槽和凸台结构，以 实现对十字形试件3在两个正交拉伸方向上的对中性；
[0013] 所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器8和引伸计13,其中任意相 邻的两个拉压力传感器8垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体15以及柔性铰链 9刚性连接，任意相邻的两个引伸计13亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装在下夹具 体15的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器8和引伸计13在正交拉伸平面内的互成角 度为45° ;
[0014] 所述基座支撑单元包括支撑垫块5、导轨滑块6、基座7以及直线导轨18,所述导轨 滑块6对下夹具体15拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨18通过螺纹连接方式 固定安装在基座7的矩形凹槽内，基座7通过支撑垫块5与柔性铰链9过渡刚性连接。
[0015] 所述的压电叠堆I1和压电叠堆II2的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试 件3的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆I、II1、2始终处于承受压缩应力的状态，每 组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件3承受同轴异向运动； 每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现在两个 正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆I1和压电叠堆II2的串联 排布结构以及柔性铰链9的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆I、II1、2输出位移的位 移放大比率为7. 4。
[0016] 所述的上夹具体14具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具 体15则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体14的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为 120° ;十字形试件3的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件3标距 部分的一组楔形面用于十字形试件3承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十字形试 件3标距部分的一组楔形面则用于十字形试件3承受压缩载荷工况下的对中性定位，菱形 凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用下的夹持稳 定性。
[0017] 所述的高温电热合金片/帕尔贴片10的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均 一致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽16中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测 十字形试件3进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充分 对十字形试件3的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根据温 度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽16为耐高温石英制品。
[0018] 所述的引伸计13的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具 体15的卡槽内，且每个引伸计13的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45° ;根据相邻两 个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体15的绝对位移亦存在该比率关系， 因此可通过单个引伸计13测量互相垂直的相邻两下夹具体15沿各自拉伸/压缩方向上的 绝对位移，即可对被测十字形试件3沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引 伸计13所获取的弹性位移进行均值化处理，可对十字形试件3的变形量进行准确计算。
[0019] 所述的基座7中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于 与扫描电子显微镜或其他具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座7 的矩形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨18并确保四个直线导 轨18沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；此外，当卸除用于安装高温电热合金片/帕尔 贴片10的盘式安装卡槽16时，基座7的中心定位孔亦可透过可见光源或X射线，即可利用 底部透射可见光源对十字形试件3进行形貌观测或利用X射线对十字形试件3进行X射线 衍射分析。
[0020] 所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台的主体尺寸为 149mmX139mmX29mm。
[0021] 本实用新型的有益效果在于：结构紧凑、测试精度高，主体尺寸为 149mmX139mmX29mm。与现有技术相比，本实用新型利用紧凑型的特殊拓扑结构的压电驱 动器输出可控的双轴同步同速或同步异速位移，结合高温电热合金片的加热功能或帕尔贴 片的制冷功能，可开展温度服役条件下的高频疲劳测试。此外，本实用新型通过与扫描电子 显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高/低温服役环境和平面应力状态下材料的疲劳 失效机制进行研宄，为了解、揭示材料的疲劳损伤和提升工程结构的服役可靠性和稳定性 提供测试方法。实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0023] 图1为本实用新型的整体外观结构示意图；
[0024] 图2为本实用新型的俯视不意图；
[0025] 图3为本实用新型的主视示意图；
[0026] 图4为本实用新型的十字试件夹持单元示意图；
[0027] 图5为本实用新型的双轴压电驱动单元示意图；
[0028] 图6为本实用新型的柔性铰链变形原理示意图；
[0029] 图7为本实用新型的加热/制冷单元示意图；
[0030] 图8为本实用新型的基座支撑单元示意图；
[0031] 图9为本实用新型的十字形试件实际变形计算方法示意图。
[0032] 图中：1、压电叠堆I;2、压电叠堆II;3、十字形试件；4、压电驱动器紧固螺钉；5、 支撑垫块；6、导轨滑块；7、基座；8、拉压力传感器；9、柔性铰链；10、高温电热合金片/帕尔 贴片；11、下夹具体安装螺钉；12、压电叠堆预紧螺钉；13、引伸计；14、上夹具体；15、下夹具 体；16、盘式安装卡槽；17、夹具体紧固螺钉；18、直线导轨。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0034] 参见图1至图3所示，本实用新型的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平 台，包括双轴压电驱动单元、加热/制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单 元以及基座支撑单元，其中，双轴压电驱动单元中的柔性铰链9通过螺纹连接方式分别与 双轴载荷/位移检测单元中的拉压力传感器8以及基座支撑单元中的基座7刚性连接，十 字形试件夹持单元中的下夹具体15分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块 6刚性连接，且分别通过其侧边卡槽和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引 伸计13的标距叉以及拉压力传感器8紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽16嵌 入安装于基座支撑单元中的基座7的定位孔中；
[0035] 参见图5及图6所示，所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电 驱动器组成，每个压电驱动器由压电叠堆I1、压电叠堆II2及柔性铰链9组成，压电叠堆 I、11 1、2采用串联布置方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链9采用圆 弧过渡型铰链形式，其菱形内包络结构对压电叠堆I、II1、2输出的可控位移进行放大，压 电叠堆I、II1、2通过压电叠堆预紧螺钉12与柔性铰链9相连。
[0036] 参见图7所示，所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片10和盘式安 装卡槽16,其中高温电热合金片/帕尔贴片10嵌入安装于盘式安装卡槽16的矩形槽中，矩 形槽的宽度与高温电热合金片/帕尔贴片10的宽度一致；
[0037] 参见图4所示，所述十字形试件夹持单元包括上夹具体14、下夹具体15、夹具体紧 固螺钉17、下夹具体安装螺钉11及十字形试件3,所述上夹具体14和下夹具体15分别具 有相互配合使用的凹槽和凸台结构，以实现对十字形试件3在两个正交拉伸方向上的对中 性；
[0038] 所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器8和引伸计13,其中任意相 邻的两个拉压力传感器8垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体15以及柔性铰链 9刚性连接，任意相邻的两个引伸计13亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装在下夹具 体15的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器8和引伸计13在正交拉伸平面内的互成角 度为45° ;
[0039] 参见图8所示，所述基座支撑单元包括支撑垫块5、导轨滑块6、基座7以及直线导 轨18,所述导轨滑块6对下夹具体15拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨18通过 螺纹连接方式固定安装在基座7的矩形凹槽内，基座7通过支撑垫块5、压电驱动器紧固螺 钉4与柔性铰链9过渡刚性连接。
[0040] 所述的压电叠堆I1和压电叠堆II2的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试 件3的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆I、II1、2始终处于承受压缩应力的状态，每 组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件3承受同轴异向运动； 每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现在两个 正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆I1和压电叠堆II2的串联 排布结构以及柔性铰链9的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆I、II1、2输出位移的位 移放大比率为7. 4。
[0041] 所述的上夹具体14具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具 体15则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体14的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为 120° ;十字形试件3的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件3标距 部分的一组楔形面用于十字形试件3承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十字形试 件3标距部分的一组楔形面则用于十字形试件3承受压缩载荷工况下的对中性定位，菱形 凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用下的夹持稳 定性。
[0042] 所述的高温电热合金片/帕尔贴片10的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均 一致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽16中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测 十字形试件3进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充分 对十字形试件3的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根据温 度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽16为耐高温石英制品。
[0043] 所述的引伸计13的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具 体15的卡槽内，且每个引伸计13的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45° ;根据相邻两 个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体15的绝对位移亦存在该比率关系， 因此可通过单个引伸计13测量互相垂直的相邻两下夹具体15沿各自拉伸/压缩方向上的 绝对位移，即可对被测十字形试件3沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引 伸计13所获取的弹性位移进行均值化处理，可对十字形试件3的变形量进行准确计算。 [0044] 所述的基座7中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于 与扫描电子显微镜或其他具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座7 的矩形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨18并确保四个直线导 轨18沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；此外，当卸除用于安装高温电热合金片/帕尔 贴片10的盘式安装卡槽16时，基座7的中心定位孔亦可透过可见光源或X射线，即可利用 底部透射可见光源对十字形试件3进行形貌观测或利用X射线对十字形试件3进行X射线 衍射分析。
[0045]参见图1至图9所示，本实用新型所涉及的服役温度下材料双轴静动态性能在线 测试平台，该测试平台的整体尺寸约为149mmX139mmX29mm，是根据FEIQuant250型和 ZeissEV018型扫描电镜的真空腔体和成像条件所设计的，同时可与OlympusDSX-500和 LeicaDM-2700光学显微成像系统兼容使用。本实用新型中涉及到的元器件和具体型号为： 压电叠堆I1和压电叠堆II2的型号为XP-8X8/18,其最大标称位移为22μπι，静电容量为 1. 6μF，响应频率为45kHz。引伸计13的型号为YSJ-2. 5,量程为2. 5mm，线性度为0. 25%。 拉压力传感器8的型号为JLCS-V，量程为100N，线性度为0.5%。高温电热合金片为高电 阻电热合金，其材料为Cr20Ni80,所使用的帕尔贴制冷片型号为TEC1-19906,其额定电压 为24V，冷产量为86. 4W，热电偶对数为199。基座7、上夹具体14、下夹具体15及柔性铰链 9的主体结构均采用线切割方式加工，上夹具体14和下夹具体15的锯齿状结构以及矩形槽 结构均采用电火花方式加工，基座7的导轨定位面以及与扫描电子显微镜载物台的安装平 面均采用磨削加工进行平坦化处理。
[0046] 柔性铰链9所使用的材料为65Mn合金，该合金符合GB/T1222-2007的制备要求。 经热处理及冷拔硬化后，65Mn合金可实现较高的强度，其屈服强度优于430MPa，对称循环 疲劳极限优于400MPa。测试过程中，为削弱压电叠堆I1和压电叠堆II2加载和卸载过程 中的迟滞现象对拉伸和压缩应变带来的影响，采用前馈反馈综合控制方法，以提升系统响 应速度，提高控制精度。通过多通道精密电源对八个压电叠堆同时供电，并在控制回路中对 压电叠堆输出电压波形与频率进行跟踪，利用其输出位移量作为反馈源，结合压电元叠堆 激励的时序、相位与频率对输入多通道模拟电压信号进行有效补偿。采用ArtUSB2817多 路数据采集卡对四组引伸计13及拉压力传感器8输出的模拟电压信号并经进行精密同步 采集，该信号与上位机（PC机）软件中给定参考数字信号比较，给定信号的依据为压电叠堆 输入电压-输出位移关系，比较信号通过PI参数整定得到用于补偿压电叠堆输出位移的电 压信号，最终控制系统实现对压电叠堆输出位移的准确控制。
[0047] 在具体的测试过程中，根据权利要求书3所述的夹持方法，被测十字形试件3首 先通过线切割方式加工出各向对称的结构，其两个楔形面的夹角为120°，且夹持端与菱形 凸台、凹槽的形状亦保持一致。在测试之前，通过机械抛光、电化学抛光或横切方式对十字 形试件3进行抛光处理，对于可制备出金相的多晶体材料，亦可通过化学腐蚀制备出具有 特定晶粒度的金相组织。此外，为对交变载荷作用下试件初始裂纹萌生及扩展的现象进行 有针对的观测，对厚度在亚毫米级的块体材料可利用显微硬度计在十字形试件3的标距部 分制备出具有特定三维形貌特征的显微压痕，针对厚度在50μm以内的薄膜材料亦可利用 纳米压痕仪制备出纳米压痕形貌，压痕形貌可视为在材料合成、制备及加工过程中人为预 制的初始缺陷，即可利用高分辨率显微成像手段就该压痕形貌在交变载荷及服役温度下的 变形行为进行在线监测。在完成试件制备之后，将十字形试件3安装于下夹具体15的菱 形凸台上，通过上夹具体14的菱形凹槽进行对中性定位。进一步，可采用激光位移传感器 (LK-G100)沿试件拉伸轴向匀速运动分别对十字形试件3的侧面和抛光面位移进行检测， 用于对十字形试件3水平面内和竖直方向上的同轴度进行定量测量。之后，关闭扫描电子 显微镜真空腔密闭挡板并通过扫描电镜自身的载物平台在XOY平面内拟定测试点的准确 位置。选择测试模式为静态拉伸测试或疲劳测试，若为静态拉伸测试，在上位机软件中设定 测试的应变速率或应力速率，此时压电叠堆的输入电压为线性递增电压信号；若为疲劳测 试，则在上位机软件中设定不同拉伸方向的测试频率、幅值，此时压电叠堆的输入电压为具 有特定频率和幅值的正弦信号或脉冲信号。测试过程中，压电叠堆I1和压电叠堆II2始终 处于受压状态，且最高加载频率低于为200Hz，以远离测试平台的共振区。压电叠堆的输入 电压来源于任意波形发生器输出的电压信号，该信号需通过压电驱动电源的功率放大后方 可作为有效输入电压。为实现对十字形试件3已制备压痕区域在交变载荷作用下变形过程 的观测，在完成给定循环次数（如1〇 2-5XIO2)后，应停止对压电叠堆进行供电，一方面利于 压电叠堆在循环工作过程中积累电荷的释放，一方面便于扫描电子显微镜对压痕区域疲劳 裂纹的扩展行为进行高分辨率静态观测。此外，如图9所示，当对两个相邻压电驱动器所施 加的电压分别为仏和U#寸，十字形试件3在对应的两个正交拉伸方向的变形量分别为Λdx 和Ady，由于柔性铰链9始终工作在其弹性变形阶段，Ux、Uy、Adx和Adx存在如公式⑴所 示的关系，g卩Adx与Ady的比值等同于加载电压Ux与Uy的比值，又因引伸计13的初始几 何轴线与十字形试件3的两个正交拉伸方向所呈锐角为45°，因此十字形试件3的初始标 距1。、引伸计13的当前数值1以及Adx和Adx存在如公式⑵所示的关系。因此，当1。、 1、UjPUy均为已知量时，Adx和Ady可计算求得。在此基础上，将四个引伸计13的计算 结果做均值处理所得到的变形量为个正交拉伸方向的精确变形量ADy，计算方法如 公式（3)和⑷所示。
【权利要求】
1. 一种服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在于：包括双轴压电驱 动单元、加热/制冷单元、十字形试件夹持单元、双轴载荷/位移检测单元以及基座支撑单 元，其中，双轴压电驱动单元中的柔性铰链（9)通过螺纹连接方式分别与双轴载荷/位移检 测单元中的拉压力传感器（8)以及基座支撑单元中的基座（7)刚性连接，十字形试件夹持 单元中的下夹具体（15)分别通过螺纹连接方式与基座支撑单元中的导轨滑块（6)刚性连 接，且分别通过其侧边卡槽和后端的内螺纹孔与双轴载荷/位移检测单元中的引伸计（13) 的标距叉以及拉压力传感器（8)紧固连接；加热/制冷单元通过盘式安装卡槽（16)嵌入安 装于基座支撑单元中的基座（7)的定位孔中； 所述双轴压电驱动单元由四个正交布置且共面安装的压电驱动器组成，每个压电驱动 器由压电叠堆I (1)、压电叠堆II (2)及柔性铰链（9)组成，压电叠堆I、II (1、2)采用串联 布置方式用于输出较大幅值的交变位移或恒定位移，柔性铰链（9)采用圆弧过渡型铰链形 式，其菱形内包络结构对压电叠堆I、II (1、2)输出的可控位移进行放大； 所述加热/制冷单元包括高温电热合金片/帕尔贴片（10)和盘式安装卡槽（16)，其中 高温电热合金片/帕尔贴片（10)嵌入安装于盘式安装卡槽（16)的矩形槽中，矩形槽的宽度 与高温电热合金片/帕尔贴片（10)的宽度一致； 所述十字形试件夹持单元包括上夹具体（14)、下夹具体（15)、夹具体紧固螺钉（17)及 十字形试件（3)，所述上夹具体（14)和下夹具体（15)分别具有相互配合使用的凹槽和凸台 结构，以实现对十字形试件（3)在两个正交拉伸方向上的对中性； 所述双轴载荷/位移检测单元包括四组拉压力传感器（8)和引伸计（13)，其中任意相 邻的两个拉压力传感器（8)垂直安装，并通过螺纹连接方式分别与下夹具体（15)以及柔性 铰链（9)刚性连接，任意相邻的两个引伸计（13)亦垂直安装，且其弹性标距叉嵌入式安装 在下夹具体（15)的矩形卡槽内；一组相邻的拉压力传感器（8)和引伸计（13)在正交拉伸平 面内的互成角度为45° ; 所述基座支撑单元包括支撑垫块（5)、导轨滑块（6)、基座（7)以及直线导轨（18)，所述 导轨滑块（6)对下夹具体（15)拉伸轴向上的直线运动起导向作用，直线导轨（18)通过螺纹 连接方式固定安装在基座（7 )的矩形凹槽内，基座（7 )通过支撑垫块（5 )与柔性铰链（9 )过 渡刚性连接。
2. 根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在 于：所述的压电叠堆I (1)和压电叠堆II (2)的弹性伸长和回复运动对应于被测十字形试 件（3)的受载形式分别为拉伸和压缩，压电叠堆I、11(1、2)始终处于承受压缩应力的状 态，每组对侧压电叠堆输出同步同频的等幅位移，以确保被测十字形试件（3)承受同轴异向 运动；每组邻侧压电叠堆亦输出同步同频的等幅变形或同步异频的异幅变形，以分别实现 在两个正交拉伸方向上相同或不同应力比的平面应力状态；压电叠堆I (1)和压电叠堆II (2)的串联排布结构以及柔性铰链（9)的菱形式内包络拓扑结构实现压电叠堆I、II (1、2) 输出位移的位移放大比率为7. 4。
3. 根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在 于：所述的上夹具体（14)具有菱形凹槽，该凹槽的两个楔形面夹角为120°，而下夹具体 (15)则具有菱形凸台，该凸台形状与上夹具体（14)的菱形凹槽相配合，两楔形面夹角亦为 120° ;十字形试件（3)的夹持端与菱形凸台、凹槽的形状亦保持一致，面向十字形试件（3) 标距部分的一组楔形面用于十字形试件（3)承受拉伸载荷工况下的对中性定位，而背向十 字形试件（3)标距部分的一组楔形面则用于十字形试件（3)承受压缩载荷工况下的对中性 定位，菱形凸台及凹槽上均带有与拉伸/压缩方向垂直的锯齿结构，以增加交变载荷作用 下的夹持稳定性。
4. 根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在 于：所述的高温电热合金片/帕尔贴片（10)的数量为八个，且厚度、宽度和长度规格均一 致，整体嵌入式安装于盘式安装卡槽（16)中，高温电热合金片和帕尔贴片分别用于对被测 十字形试件（3)进行加热和制冷，八个高温电热合金片/帕尔贴片十字包络的拓扑结构充 分对十字形试件（3)的四段标距部分进行热辐射或冷辐射，高温电热合金片和帕尔贴片根 据温度服役环境的不同任意切换，盘式安装卡槽（16)为耐高温石英制品。
5. 根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在 于：所述的引伸计（13)的数量为四个，其弹性标距叉通过嵌入方式紧固安装在下夹具体 (15)的卡槽内，且每个引伸计（13)的几何轴线与相邻两正交拉伸轴线互成45° ;根据相邻 两个压电驱动器的加载电压的比率，确定两相邻下夹具体（15)的绝对位移亦存在该比率关 系，通过单个引伸计（13)测量互相垂直的相邻两下夹具体（15)沿各自拉伸/压缩方向上的 绝对位移，对被测十字形试件（3)沿不同加载方向上的变形量进行定量检测；将四个引伸 计（13)所获取的弹性位移进行均值化处理，对十字形试件（3)的变形量进行准确计算。
6. 根据权利要求1所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台，其特征在 于：所述的基座（7)中心设有盘式结构用于增强基座刚度，且其上设有阵列沉孔，用于与 扫描电子显微镜或具有开放式承载环境的载物台固定安装；沿各拉伸轴向，基座（7)的矩 形板状结构上通过线切割方式加工有凹槽，用于安装直线导轨（18)并确保四个直线导轨 (18)沿各自拉伸/压缩方向安装的平行度；卸除盘式安装卡槽（16)时，基座（7)的中心定 位孔透过可见光源或X射线，利用底部透射可见光源对十字形试件（3)进行形貌观测或利 用X射线对十字形试件（3)进行X射线衍射分析。
7. 根据权利要求1至6任意一项所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平 台，其特征在于：所述的服役温度下材料双轴静动态性能在线测试平台的主体尺寸为149 mm X 139 mm X 29 mm〇
【文档编号】G01N3/38GK204255775SQ201420790732
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】马志超, 赵宏伟, 任露泉, 刘长宜, 刘伟, 刘先华 申请人:吉林大学