一种高分辨率电磁式微尺度扭转试验机及其试验方法

文档序号:8402654阅读:446来源:国知局
一种高分辨率电磁式微尺度扭转试验机及其试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微尺度材料力学性能测试技术领域,具体地涉及一种电磁式扭转试验 机,以及采用该试验机的试验方法,主要用于KT3Nm-KT1Nm扭矩范围内的微尺度试样扭转 力学性能测试。
【背景技术】
[0002] 目前对材料进行扭转力学性能测试,一般采用扭转材料试验机进行。根据匹配的 扭矩传感器不同,试验机扭矩量程从KT1Nm至IO 3Nm不等,可满足工程界对宏观尺度试样扭 转测试的需求。但是由于传统扭转材料试验机采用应变式扭矩传感器测量扭矩,即通过应 变片测量弹性元件的变形来测量扭矩,从原理上讲,分辨力难以继续提高。更重要的是,目 前扭转试验机普遍采用马达或者液压驱动,其产生的振动会影响微小扭矩的测量。因此目 前国际范围内最小的商业化扭转试验机只能满足约KT 1Nm以上的扭转测试需要。
[0003] 随着材料科学以及力学基础研宄向微/纳米尺度方向的深入开展,对直径小于 Imm单根细丝、合成纤维的扭转测试需求变得尤为迫切。一方面,基础研宄人员在微/纳尺 度取得的研宄成果,例如,在应变梯度理论、非晶剪切流变、微尺度涂层材料的附着界面等 方面的研宄,使得微尺度材料对微尺度扭转实验测试的需求显得尤为迫切;另一方面,工程 技术人员不再满足采用经典宏观力学知识预测微构件的强度,希望通过更为贴切的实验来 指导工程设计。
[0004] 然而,上述测试涉及的扭矩一般小于KT1Nnu目前,商业领域内,传统扭转试验机扭 矩量程一般在KT1Nm以上,其量程及分辨力均难以满足微尺度材料扭转试验需求;科研领 域中,2010年,郞勇等人提出的发明专利"一种微扭矩力学试验机及其测试方法"(专利号: 201010560900. 3)采用单线圈的电磁驱动结构提供扭矩,但其扭矩范围在KT3Nm以下,不能 满足扭转刚度相对较大微尺度材料测试需求,如直径200微米的钨丝等。2011年,何玉明 等人所发明的"一种低维材料微扭矩力学性能测试装置"(专利号:201110049785. 8),扭矩 采用钨丝作为弹性敏感元件来测量,采用共振法校准钨丝扭转刚度,通过测量钨丝扭转角 来换算成扭矩,但未能给出钨丝作为扭矩传感器在使用量程内扭矩和扭转角的线性关系程 度。此外,该发明通过步进电机来驱动试样扭转,而步进电机存在台阶式驱动的特点,不利 于微小扭矩的测量。

【发明内容】

[0005] 本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种新结构的电磁式微尺 度扭转试验机,其适用于扭矩范围在KT3Nm-KT1Nm内的材料扭转力学性能测试,具有很 好的分辨力、线性度,易于实现对扭矩量程的控制,真实模拟试样在切应力状态下的力学工 况,为微纳米工程技术领域提供有效的检测手段,对基础研宄领域也具有重要意义。
[0006] 本发明的技术解决方案是:这种电磁式微扭矩试验机,其包括控制装置和试验机 主机,所述控制装置用于设置试验方法、向试验机主机发出命令、以及存储和处理从试验机 主机获取的实验数据;所述试验机主机用于对试样进行加载;
[0007] 所述试验机主机包括:机壳、电磁驱动装置、传感装置、夹持装置,电磁驱动装置和 传感装置在机壳内,夹持装置在机壳外;
[0008] 所述电磁驱动装置包括外磁铁、通电线圈、中心磁铁、内磁铁,在机壳的中心处立 有部分露出机壳的旋转中心轴,内磁铁、中心磁铁、外磁铁从内至外围绕旋转中心轴间隔地 布置,两个通电线圈分别悬跨在中心磁铁上方且这两个通电线圈的连接梁与旋转中心轴相 交;
[0009] 所述传感装置分别连接旋转中心轴、控制装置;
[0010] 所述夹持装置连接在旋转中心轴的上方。
[0011] 由于本发明的内磁铁、中心磁铁、外磁铁从内至外围绕旋转中心轴间隔地布置,所 以能够在三者之间的环形间隙中形成均匀的磁场。两个通电线圈分别悬跨在中心磁铁上且 这两个通电线圈的连接梁与旋转中心轴相交并与之同轴固定,用于承载输出扭矩所需安培 力。根据安培定则可知输出扭矩和电流之间呈线性关系。因此可以通过通电线圈中电流的 大小测量相应的输出扭矩,本发明不同于传统意义上利用应变式扭矩传感器测量扭矩的方 法,舍弃了利用敏感元件先将变形信号转换为电信号的中间过程,具有很好的分辨力、线性 度。同时,可通过调整两个通电线圈之间距离的大小来控制输出扭矩量程,所以易于实现对 扭矩量程的控制。本发明能够真实模拟试样在切应力状态下的力学工况,为微纳米工程技 术领域提供有效的检测手段,对基础研宄领域也具有重要意义。由于本发明采用了双通电 线圈的结构布置,所以在实现量程增大的基础上并未增大摩擦扭矩,从而适用于扭矩范围 在IO- 3Nm-IO-1Nm内的材料扭转力学性能测试。
[0012] 还提供了一种采用这种电磁式微尺度扭转试验机的试验方法,包括以下步骤:
[0013] (1)输入被测试样的原始尺寸数据,用计算机控制控制器产生一驱动电流信号,该 信号经功率放大后驱动试验机主机工作;
[0014] (2)用控制器内采集扭转角度的电压信号和线圈的驱动电流信号;
[0015] (3)将采集的扭转角度的电压信号和线圈的驱动电流信号分别换算为角度和扭矩 值;
[0016] (4)对步骤(3)得到的角度值和扭矩值,按照力学模型进行数据处理,得出被测试 样的真实切应力一切应变曲线、剪切模量和剪切强度极限。
【附图说明】
[0017] 图1是根据本发明的电磁式微尺度扭转试验机的整体系统控制结构图。
[0018] 图2是根据本发明的电磁式微尺度扭转试验机的试验机主机的结构示意图。
[0019] 图3是根据本发明的电磁式微尺度扭转试验机的电磁驱动装置的结构示意图。
[0020] 图4是本发明的电磁式微尺度扭转试验机的力学模型。
【具体实施方式】
[0021] 如图1-3所示,本发明中的电磁式微尺度扭转试验机,其包括控制装置和试验机 主机,所述控制装置用于设置试验方法、向试验机主机发出命令、以及存储和处理从试验机 主机获取的实验数据;所述试验机主机用于对试样11进行加载;
[0022] 所述试验机主机包括:机壳12、电磁驱动装置、传感装置、夹持装置,电磁驱动装 置和传感装置在机壳内,夹持装置在机壳外;
[0023] 所述电磁驱动装置包括外磁铁1、通电线圈2、中心磁铁3、内磁铁4,在机壳的中心 处立有部分露出机壳的旋转中心轴5,内磁铁、中心磁铁、外磁铁从内至外围绕旋转中心轴 间隔地布置,两个通电线圈分别跨在中心磁铁上方且这两个通电线圈的连接梁与旋转中心 轴相交,并固定于旋转中心轴上;
[0024] 所述传感装置分别连接旋转中心轴、控制装置;
[0025] 所述夹持装置连接在旋转中心轴的上方。
[0026] 由于本发明的内磁铁、中心磁铁、外磁铁从内至外围绕旋转中心轴间隔地布置,所 以能够在磁铁间隙中形成均匀的环形磁场。两个通电线圈分别悬跨在中心磁铁上方且这两 个通电线圈的连接梁与旋转中心轴相交,用于承载输出扭矩所需安培力。根据安培定责可 知输出扭矩和电流之间呈线性关系(具体地,根据安培定责,扭矩形成原理为:载流线圈在 均勾磁场中受安培力,线圈上安培力反向作用于旋转中心轴而产生扭转效应。在确定磁场 和两载流线圈之后,线圈上输出安培力的大小与电流呈线性关系,即:F〇c I,其中F为单个 载流线圈所受到安培力的大小,I为载流线圈中的电流,则该装置可输出的扭矩T,大小为:
[0027] T = 2FL I (1)
[0028] 式中L为两载流线圈距离旋转中心轴的中心距离。)因此可以通过电流大小测量 扭矩,本发明不同于传统意义上利用应变式扭矩传感器测量扭矩的方法,舍弃了利用敏感 元件先将变形信号转换为电信号的中间过程,具有很好的分辨力、线性度。同时,可通过调 整两个通电线圈中心距的大小来控制输出扭矩量程,所以易于实现对扭矩量程的控制。本
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