专利名称：一种微尺度动态响应测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种的微尺度动态响应测量装置，属于工程材料、结构形变及力学实验设备 技术领域。
背景技术：
长期的生产实践和科学实验，使人们对事物的观察和研究从定性到定量，从目测到使用 各种工具和方法，以弥补人体感观器官的不足,从而促进测试技术不断地发展。为了研究人眼
所不能分辨的细小物质及其变化，弄清微小物体的实质，了解物质之结构人们发明了显徽 镜；同样自然界和人类生活中有极其多的高速瞬变现象，而人眼的时间分辨率十分有限，要 研究它们就要借助于高速摄影技术。高速摄影是测试、研究高速运动和现象非常有效的手段， 如同显微镜能将微观物体放大那样，高速摄影术起到对时间"放大"的作用，而且它是一种 非接触的、动态的测量，能分析运动各不同时刻的变化，拍下的每幅图片上同时含有运动事 物的空间信息和时间信息。在过去许多年的科学研究中，两种如此强大的工具都是独立工作 的，在它们各自的领域内发挥着巨大的作用，而两者没有很好的结合起来为科学研究作出贡 献。例如显微镜一经问世就受到了各方面科学家们的高度重视，立即被应用于很多科学领域 方面的研究和探索工作。最早人们借助显微镜研究各种致病细菌和动物的新鲜细胞，为生物 及医学的发展打下了牢固的基础，后来显微镜开始广泛应用于除生物、医学以外的材料、力 学、物理等学科中并发挥了巨大的作用；同样高速摄影技术主要应用于宏观物理现象的研究， 不仅在军事上而且在国民经济各个领域都有广泛的使用，，诸如纺织、焊接、材料、放电、体 育等等利用这些成果取得了技术、工艺的进步，收到了可观的经济效益。显微镜对于这些细
微观方面的观察与研究都是静态、准静态或低速状态的，而对于微尺度的动态响应，由于人 眼及普通图像采集设备的时滞效应，无法对对其进行清晰地观察。尤其是在微观状态下，大 多物理现象都表现为非常高的运动速度，例如尺寸约几个微米的石墨岛的振荡，只是简单采 用显微放大设备难以研究它。把高速摄影有效结合起来很好地解决了这一问题，对于细微观 状态下材料的性质及其力学性能，我们可以用显微镜放大同时用高速摄像机进行图像的采集， 这样可以通过采集到得图片对瞬态物理现象进行观察和研究，实现微尺度动态响应的分析， 对于本身可提供明暗灰度变化的材料我们可进一步应用数字图像相关方法进行定量的研究。 这一设备为观察和分析微尺度条件下的动态响应提供了强大的工具。
发明内容
本发明的目的是提供一种微尺度动态响应测量装置，该装置可实现对材料微小尺度下的 裂纹扩展、微结构的振动等微观动态物理现象及力学性能进行观察，并实现定性和定量的分 析。本发明的技术方案如下
一种微尺度动态响应测量装置，其特征在于该微尺度动态响应测量装置包括图像采集 处理系统、显微系统、承载系统、放置试件的三维移动平台3以及气垫精密光学平台1,所 述的三维移动平台设置在气垫精密光学平台上；所述图像采集处理系统包括计算机ll、高速 摄像机9)、氙灯10和环形光纤4，所述的高速摄像机9通过信号线与计算机11相连接；所 述显微系统包括显微镜物镜5、镜筒7和显微镜目镜8，所述的显微镜目镜和镜筒依次设置在 高速摄像机9的下方，所述显微镜物镜5设置在镜筒7下面；所述承载系统包括万向支架底 板2、万向支架竖杆12、单臂横杆13、双臂横杆16、设置在单臂横杆上的第一十字头14a以 及设置在双臂横杆第二十字头14b;所述的单臂横杆通过第一万向节6a与高速摄像机连接； 所述的双臂横杆通过第二力向节6b与镜筒连接；所述的万向支架底板设置在气垫精密光学平 台上并与万向支架竖杆固定连接。
本发明的另一技术特征是在所述的万向支架竖杆12上还设有第一托环15a和第二托环 15b，所述的第一托环和第一托环分别设置在第一十字头14a和第二十字头14b的下方。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果将单臂万向支架和双臂万向支架 进行改造，两臂融合到一个支架中，分别对高速摄像机和显微镜进行承载，既能实现高速摄 像机和显微镜精确对接，又能保证整个结构和这两种仪器的安全性与稳定性；高速摄像机在 拍摄区域大小适当时拍摄速度可达数万幅/秒，显微镜放大倍数可达几千倍，两者结合后可对 材料微米量级下的动态相关物理现象及力学性能进行观察与分析；对于通常本身具有明暗灰 度变化可以提供随机匹配特征的材料可结合数字相关方法对其进行定量的研究； 一般环境微 弱的振动会因为显微镜的放大导致观察结果会出现严重的振荡，气垫精密光学平台的引进有 效地解决了这个问题；整个结构设计合理，体系完备，操作方便。
图1是本发明装置示意图。
图中1—气垫精密光学平台、2—万向支架底板、3—三维移动平台、4一环形光纤、5 —显微镜物镜、6a—第一万向节、6b—第二万向节、7—镜筒、8—显微镜目镜、9一高速摄像 机、IO—氤灯、ll一计算机、12—万向支架竖杆、13—单臂横杆、14a—第一十字头、14b— 第二十字头、15a—第一托环、15b—第二托环、16—双臂横杆。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本 发明的保护范围。
图1是本发明一种微尺度动态响应测量装置的结构示意图，该微尺度动态响应测量装置 包括图像采集处理系统、显微系统、承载系统、放置试件的三维移动平台3以及气垫精密光 学平台1，三维移动平台设置在气垫精密光学平台上。所述图像采集处理系统包括计算机ll、高速摄像机9、氙灯10和环形光纤4;显微系统包括显微镜物镜5、镜筒7和显微镜目镜8， 所述承载系统包括万向支架底板2、万向支架竖杆12、单臂横杆13、双臂横杆16、设置在单 臂横杆上的第一十字头14a以及设置在双臂横杆第二十字头14b;所述的单臂横杆通过第一 万向节6a与高速摄像机连接；所述的双臂横杆通过第二万向节6b与镜筒7连接；所述的万 向支架底板设置在气垫精密光学平台1上并与万向支架竖杆固定连接。各部件的具体连接关 系如下-
万向支架底板2放置在气垫精密光学平台上1上，三维移动平台3的底端固定在气垫精 密光学平台1上；所述的万向支架竖杆12固定连接在万向支架底板1上；所述的第二托环 15b和第二十字头14b固定在万向支架竖杆12上，第二十字头14b在第二托环15b的上方， 双臂横杆16固定在第二十字头14b上，第二万向节6b固定在双臂横杆16上，镜筒7固定在 第二万向节6b上，显微镜目镜8固定在镜筒7的上方，显微镜物镜5固定在镜筒7的下方； 所述的第一托环15a和第一十字头14a固定在万向支架竖杆12上，第一十字头14a在第一托 环15a的上方，单臂横杆13固定在第一十字头14a上，第一万向节6a固定在单臂横杆13上， 高速摄像机9固定在第一万向节6a上；高速摄像机9镜头端口与显微镜目镜8固定连接，高 速摄像机9由第一万向节6a承载，显微镜目镜8由镜筒7承载；计算机11和高速摄像机9 连接；环形光纤4发光端固定在显微镜物镜5的底部，另一端与氙灯10连接。所述的万向支 架竖杆12顶部可连接同样大小半径的杆对其进行加长。所述的三维移动平台3能使试件的位 置实现±下、前后、左右的精确移动，其中由于镜筒7和高速摄像机9己固定，三维移动平 台3上下移动能实现对焦，前后、左右的面内移动使观察更为方便。
该测量装置还包括第一托环15a和第二托环，第一托环能控制第一十字头14a向下的移 动，对第一十字头14a的上下移动起到进一步的保险作用；第二托环15b能控制第二十字头 14b向下的移动，对第二十字头14b的上下移动起到进一步的保险作用。
本发明所述整个系统并不局限于垂直向下方向的测试与分析，任意方向和角度的实际样 品都可通过对装置的调整来进行观测与分析；上面所述的第一万向节6a和第二万向节6b能 实现任意角度的调整以达到安装和测试的需要，另外第一万向节6a和第二万向节6b的横向 部分可在垂直方向进行上下移动所述的第一十字头14a可实现单臂横杆13的上下、左右移 动及绕万向支架竖杆12轴线转动任意角度；第二十字头14b可实现双臂横杆16的上下、左 右移动及绕万向支架竖杆12轴线转动任意角度。所述显微镜物镜5和显微镜目镜8可根据需 要调换不同倍数的镜头，对于一个固定好了的显微镜物镜5可根据需要进行放大倍数的调节， 此方式还可以用来辅助调焦。所述氮灯IO可根据具体需要实现光强大小的调节。
利用本发明所提供的装置可实现对材料微小尺度下的裂纹扩展、微结构的振动等微观尺 度下的动态物理现象及力学性能进行观察，并实现定性和定量的分析，具体测量包括如下步 骤a. 按附图所示将万向支架底板2、三维移动平台3、第一万向节6a、第二万向节6b、镜 筒7、万向支架竖杆12、单臂横杆13、第一十字头14a、第二十字头14b、第一托环15a、第 二托环15b、双臂横杆16在气垫精密光学平台1上安装固定好；
b. 选好适当倍数的显微镜物镜5和显微镜目镜8并按图示与镜筒7连接好；
c. 安装高速摄像机9并和显微镜目镜8对接好。这是非常关键和重要的一步。先将高速 摄像机9固定在万向节6b上，然后使第一十字头14a保持松开状态，调节单臂横杆13实现 高速摄像机9与显微镜目镜8的对接，在高速摄像机9和显微镜目镜8无装配应力或装配应 力极小的状态下将第一十字头14a固定紧；
d. 将计算机11与高速摄像丰几9连接好，并开启高速摄像机9;
e. 将环形光纤4和氙灯10接好并打开氙灯10，根据高速摄像机9的控制程序中的图像 显示调节光强至适合大小；
f. 将试件放置在三维移动平台3上，然后调节三维移动平台3进行准确对焦；
g. 对试件进行实时观测与分析，在有些条件下可一边对材料进行操作与实验一边进行观 测和图像采集；
h.对采集到得图片进行比较和研究，同时对于材料本身可提供明暗灰度随机匹配特征 的试件可用数字相关方法对其进行定量分析。
权利要求
1.一种微尺度动态响应测量装置，其特征在于该微尺度动态响应测量装置包括图像采集处理系统、显微系统、承载系统、放置试件的三维移动平台(3)以及气垫精密光学平台(1)，所述的三维移动平台设置在气垫精密光学平台上；所述图像采集处理系统包括计算机(11)、高速摄像机(9)、氙灯(10)和环形光纤(4)，所述的高速摄像机(9)通过信号线与计算机(11)相连接；所述显微系统包括显微镜物镜(5)、镜筒(7)和显微镜目镜(8)，所述的显微镜目镜和镜筒依次设置在高速摄像机(9)的下方，所述显微镜物镜(5)设置在镜筒(7)下面；所述承载系统包括万向支架底板(2)、万向支架竖杆(12)、单臂横杆(13)、双臂横杆(16)、设置在单臂横杆上的第一十字头(14a)以及设置在双臂横杆第二十字头(14b)；所述的单臂横杆通过第一万向节(6a)与高速摄像机连接；所述的双臂横杆通过第二万向节(6b)与镜筒(7)连接；所述的万向支架底板设置在气垫精密光学平台(1)上并与万向支架竖杆固定连接。
2. 按照权利要求l所述的一种微尺度动态响应测量装置，其特征在于在所述的万向支架竖杆(12)上还设有第一托环(15a)和第二托环(15b)，所述的第一托环和第一托环分别 设置在第一十字头(14a)和第二十字头(14b)的下方。
全文摘要
一种微尺度动态响应测量装置，属于工程材料、结构形变及力学实验设备技术领域。该系统包括气垫精密光学平台、三维移动平台、万向支架底板、环形光纤、显微镜物镜、万向节2个、镜筒、显微镜目镜、高速摄像机、氙灯、计算机、万向支架竖杆、单臂横杆、双臂横杆和十字头。该系统通过对显微镜架台的改进与重组，用高速摄像机取代显微镜中常用图像采集设备CCD，将显微镜和高速摄影技术巧妙地相结合起来，可实现对材料微小尺度下的裂纹扩展，微结构的振动等微观动态物理现象及力学性能的观察，并实现定性和定量的分析。本发明思路新颖、结构紧凑、体系完备，可对材料的细微观力学性能进行实时、动态、非接触的观察与分析。
文档编号G01N21/01GK101666740SQ200910093350
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者雪 冯, 翔 王 申请人:清华大学