一种微小试样力学性能高通量测试系统及方法与流程

本发明属于金属材料及非金属材料力学性能测试领域，特别涉及一种针对微小试样、可同时进行高通量力学性能测试的测试系统及方法，即通过控制系统一键操作，能够同时对多根试样进行拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳强度测试，并得到各个试样的拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳试验曲线及测试参量。

背景技术：

在材料科学领域，材料的力学性能测试是评估材料性能的一项非常重要的工作。针对材料力学性能测试的参数包括屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能、冲击韧性、持久蠕变强度等，相应的测试设备包括微机控制电子万能试验机、电液伺服万能试验机、冲击试验机，持久蠕变试验机等。在材料科学的发展中，特别是在新材料开发中，需要对材料进行反复的大批量的试验测试，前述的测试设备由于其自身的局限性，通常只能一次进行一根试样，且测试试样尺寸大，取样破坏实际样品，测试周期长、测试设备功能单一，难以满足新材料开发及科学研究中对研究过程中复杂材料力学性能的多参量、跨尺度、高通量的测试需求。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种微小试样力学性能高通量测试系统及方法，能够同时对多根试样进行拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳强度测试，并得到各个试样的拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳试验曲线及测试参量。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种微小试样力学性能高通量测试系统，该系统包括一个工作站17和多个水平或竖直地安装在工作台15上的试样测试模块16。

所述工作站17包括操作界面、数据处理单元和载荷输出单元；每个试样测试模块16包括驱动单元5、可调换的夹具单元8、位移传感器2和载荷传感器14；工作站17分别与试样测试模块16的驱动单元5、位移传感器2和载荷传感器14连接，控制驱动单元5并接收位移传感器2和载荷传感器14的检测数据。

每个试样测试模块16可选择地独立完成力学性能测试，每个试样测试模块16中的试样9为相同样品或不同样品；工作站17控制多个试样9的同时启动测试。

所述试样测试模块16进一步包括底座1、位移传感器固定板3、连接板4、移动端固定板10、第一夹具连接杆12、第二夹具连接杆18和载荷传感器固定板13。

所述移动端固定板10和载荷传感器固定板13相互对应且间隔一定距离地分别垂直固接在底座1上。

所述驱动单元5固接在移动端固定板10的外端面上，驱动单元5的驱动杆穿过移动端固定板10，通过连接法兰6与连接板4的外端面固接。

所述载荷传感器14固接在载荷传感器固定板13的外端面上。

所述第一夹具连接杆12固接在连接板4的内端面上；所述第二夹具连接杆18由载荷传感器固定板13的内端面，穿过载荷传感器固定板13固接在载荷传感器14上；所述夹具单元8的两个夹持部分别安装在第一夹具连接杆12和第二夹具连接杆18上。

一对位移传感器固定板3固接在连接板4的一侧的内端面和外端面上；所述位移传感器2沿驱动单元5的驱动杆的移动方向安装在两个位移传感器固定板3上，且位移传感器2的检测端与载荷传感器固定板13的内端面接触。

每个测试模块16的需测试力学性能通过工作站的操作界面进行选择和/或输入。

所述力学性能试验选自拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳试验中的一种或几种。

所述驱动单元5的工作方式包括气动驱动、液压驱动及电机驱动。

所述位移传感器2为lvdt直线位移传感器、拉线位移编码器或光学位移传感器。

所述夹具单元8的夹具体种类包括：棒材试样夹具体、板材试样夹具体、三点弯曲夹具体及压缩夹具体。

所述载荷传感器14为轮辐式载荷传感器或s型载荷传感器。

所述夹具单元8的两个夹持部通过夹具销子7与夹具锁母11相互配合分别安装在第一夹具连接杆12和第二夹具连接杆18上。

每个试样测试模块16的动力均来源于同一个工作站17，工作站17的载荷输出单元是选自液压站及其控制系统、气泵站及其控制系统和伺服驱动及其控制系统中一种或几种。

工作站17的载荷输出单元中的各种控制系统可实现位移控制、应力控制及应变控制。

试样尺寸范围为1mm-60mm。

一种使用所述的微小试样力学性能高通量测试系统的测试方法，该方法包括如下步骤：

1)根据多个试样9的尺寸和待测力学性能选择各自所需的夹具单元8，并将各个试样9分别固定在上述夹具单元8上；

2)将多个上述夹具单元8安装在多个试样测试模块16上，从工作站17的操作界面输入每个试样测试模块16的待测力学性能和试验参数，工作站17控制多个试样9的同时启动测试，控制试样测试模块16的驱动单元5并接收位移传感器2和载荷传感器14的检测数据。

步骤2)中，工作站17的操作界面分别实时显示并记录各个试样测试模块16的试验数据。

步骤2)中，所述各个试样测试模块16独立运行，同时或不同时结束。

该方法进一步包括以下步骤：

3)采集、统计各个测试模块16的试验数据，绘制试验过程曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明可应用于微小试样的力学性能测试。

2、试样尺寸范围：1mm-60mm。

3、对于微小试样，可以同时进行任意多个拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛、疲劳试验的力学性能测试，对探索材料力学性能的高通量测试提供了解决方案。

4、通过配置不同类型的夹具体，可以现实对不同规格及类型的样品的试验。

5、试样测试模块16既可以水平安装也可以垂直安装。

6、控制系统拥有位移控制、应力控制及应变控制方式。

7、各个测试模块的测试方法及控制参数均可单独设置。

8、试样测试单元采用模块化设计，有利于用户根据试验需要对测试单元进行扩展。

附图说明

图1a为本发明的试样测试模块16的主视结构示意图；

图1b为本发明的试样测试模块16(图1a)的侧视结构示意图；

图2a为本发明的微小试样力学性能高通量测试系统的水平安装状态的侧视示意图；

图2b为本发明的微小试样力学性能高通量测试系统(图2a)的水平安装状态的俯视示意图；

图3a为本发明的微小试样力学性能高通量测试系统的垂直安装态的侧视示意图；

图3b为本发明的微小试样力学性能高通量测试系统(图3a)的垂直安装态的俯视示意图。

其中的附图标记为：

1底座2位移传感器

3位移传感器固定板4连接板

5驱动单元6连接法兰

7夹具销子8夹具单元

9试样10移动端固定板

11夹具锁母12第一夹具连接杆

13载荷传感器固定板14载荷传感器

15工作台16试样测试模块

17工作站18第二夹具连接杆

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明的微小试样力学性能高通量测试系统包括多个水平或竖直地安装在工作台15上的试样测试模块16和工作站17。每个试样测试模块16的动力均来源于同一个工作站17，工作站17可以是液压站及其控制系统，或者是气泵站及其控制系统，或者是伺服驱动及其控制系统。

如图1所示，该系统包括6个试样测试模块16，每个测试模块16均能进行拉伸、弯曲、压弯、持久、松弛和疲劳的力学性能测试，测试模块16的数量可以根据需要进行任意扩展。各试样测试模块16包括底座1、位移传感器2、位移传感器固定板3、连接板4、驱动单元5、夹具单元8、移动端固定板10、第一夹具连接杆12、第二夹具连接杆18、载荷传感器固定板13和载荷传感器14。

所述移动端固定板10和载荷传感器固定板13相互对应且间隔一定距离地分别垂直固接在底座1上。

所述驱动单元5固接在移动端固定板10的外端面上，驱动单元5的驱动杆穿过移动端固定板10，通过连接法兰6与连接板4的外端面固接。

所述载荷传感器14固接在载荷传感器固定板13的外端面上，用来检测测试过程中试验力值的大小。

所述第一夹具连接杆12固接在连接板4的内端面上；所述第二夹具连接杆18由载荷传感器固定板13的内端面，穿过载荷传感器固定板13固接在载荷传感器14上；所述夹具单元8的两个夹持部，通过夹具销子7与夹具锁母11相互配合分别安装在第一夹具连接杆12和第二夹具连接杆18上。

一对位移传感器固定板3固接在连接板4的一侧的内端面和外端面上；所述位移传感器2沿驱动单元5的驱动杆的移动方向安装在两个位移传感器固定板3上，且位移传感器2的检测端与载荷传感器固定板13的内端面接触。当驱动单元5的驱动杆驱动连接板4移动时，位移传感器2可以实时检测连接板4的移动距离。

所述工作站17分别与试样测试模块16的驱动单元5、位移传感器2和载荷传感器14连接，控制驱动单元5并接收位移传感器2和载荷传感器14的检测数据。

所述驱动单元5的工作方式包括气动驱动、液压驱动及电机驱动。

所述位移传感器2为lvdt直线位移传感器、拉线位移编码器或光学位移传感器。

所述夹具单元8的夹具体种类包括：棒材试样夹具体、板材试样夹具体、三点弯曲夹具体及压缩夹具体。

所述载荷传感器14为轮辐式载荷传感器或s型载荷传感器。

本发明的试样测试模块16通过螺栓连接安装固定到工作台15上，一个工作台15上可以并行安装任意多个试样测试模块16。多个试样测试模块16水平地安装到工作台15上(图2a和图2b)，也可以垂直地安装到工作台15上(图3a和图3b)。

本发明的驱动单元5采用液压驱动时，驱动单元5为液压缸，工作站17为液压站及控制系统，工作站17分别与试样测试模块16的驱动单元5、位移传感器2、载荷传感器14连接。测试试验时，工作站17驱动液压缸工作，液压缸驱动连接板4来回移动，位移传感器2、载荷传感器14实时检测试样9的变形及试验力值，实现试样的拉伸或压缩等测试。

本发明的驱动单元5采用气动驱动时，驱动单元5为气缸，工作站17为气泵站及控制系统，工作站17分别与试样测试模块16的驱动单元5连接、位移传感器2、载荷传感器14连接。测试试验时，工作站17驱动气缸工作，气缸驱动连接板4来回移动，位移传感器2、载荷传感器14实时检测试样9的变形及试验力值，实现试样的拉伸或压缩等测试。

本发明的驱动单元5采用电机驱动时，驱动单元5为电机，工作站17为控制系统，工作站17分别与试样测试模块16的驱动单元5、位移传感器2、载荷传感器14连接。测试试验时，工作站17控制电机工作，电机驱动连接板4来回移动，位移传感器2、载荷传感器14实时检测试样9的变形及试验力值，实现试样的拉伸或压缩等测试。

本发明可以实现任意多个试样测试模块16的同时启动测试控制。进行多个试样的同时启动测试时，将试样9安装到夹具单元8后，在软件操作界面进行试验方法的设置，然后将测试的参数赋予相应的测试模块单元，一键启动即可进行试验。测试过程中，可以自动观察和读取各个试样9的测试过程及相关的测试参数及数据等。在进行多个试样9的同时启动测试时，各个试样测试的结束并不会影响其他试样测试的继续进行，直到全部试验结束。测试过程中及测试结束后，选择相应的试样测试模块16可以读取试验过程曲线和获取相应的力学性能测试结果。

本发明的工作过程如下：

测试前，根据试样9的尺寸类型选择合适的夹具单元8，并将夹具单元8的两个夹持部通过夹具销子7与夹具锁母11相互配合分别安装在第一夹具连接杆12和第二夹具连接杆18上。然后将试样9安装到夹具单元8的两个夹持部上，并根据试样9的形状尺寸将夹具单元8调整到合适位置。

将需要进行测试的试样分别安装到试样测试模块16后，在工作站17的软件操作界面进行各个试样测试模块16的试验参数设置，试验参数设置完毕后，将需要进行试验的各个试样测试模块16选中(只选中安装有试样9并将进行测试试验的试样测试模块16)，然后一键操作启动，被选中的试样测试模块16即开始进行测试工作。测试过程中，工作站17的软件操作界面分别实时显示并记录各个试样测试模块16的试验数据。测试中，各个试样测试模块16独立运行，互不影响，某个试验的结束并不会影响其他试验的进行，直到各个测试模块的试验结束，实现同时进行任意多个试样的力学性能测试，对探索材料力学性能的高通量测试提供了解决方案。