植物微观力学检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及微观力学检测领域，尤其是涉及了一种利用压电驱动器提供纳米级微位移，能够对微小尺度样品进行压缩、拉伸试验以获取力学特性并对微观形态变化进行实时动态观察的力学检测装置。

背景技术：

微观结构的力学特性对宏观外力的响应有一定影响。随着研究的不断深入，人们对物质更小尺度力学特性的需求也越来越高。例如农业、林业领域中对植物力学特性进行分析以对相应操作机械参数进行优化，材料力学中对新材料微观力学特性进行表征，土壤力学中对土壤颗粒相互作用及力学表现进行分析等过程中，利用物料微观尺度的力学特性进行分析能够得到更加准确、全面的结果。微观力学是在微米、纳米尺度对物料力学特性进行研究，以对宏观响应或损伤机理进行分析。由于此类研究样品尺寸微小且受环境因素影响较大，宏观常用的力学测量方法并不适用于该尺度的研究，受到驱动装置精度的限制，现阶段对微小样品进行测试的装置大多为间接测量而非直接进行拉伸、压缩性能测试，且现有装置难以实时同步获得样品微观形态变化情况。获取可靠力学性能参数并结合形态变化情况进行综合分析的难度较大。压电陶瓷是一种能够将机械能与电能进行转换的特殊材料，其受到一定激励信号时可以产生可控形变，反之形状发生改变时，能够输出电信号。压电驱动器是利用压电陶瓷制成的能够通过电信号控制产生形变的装置，具有结构简单、控制精确等优点，能够实现纳米级位移的精确微位移驱动，可以较好的适用于微观力学检测装置，但目前鲜有利用该原理的相关检测装置。

因此，对微观组织进行力学分析、建模，以对生产、运输等操作进行力学响应分析，特别需要开发一种具有较高驱动精度，能够直接获取微观结构的力学特性，并同步获得微观结构形态动态变化情况，操作简单、控制精准的微观力学测试装置。

技术实现要素：

本发明的目的解决现有对力学特性检测样品尺度受限、难以实现微小尺度样品力学特性检测、测量精度不高、无法实时动态获得微观结构变化情况的问题，本发明提出一种适用微小尺度样品、结构简单、测量可靠的微观力学可视化动态检测装置及其检测方法，通过压电驱动器产生纳米级高精度微位移，使其适用于微小尺度样品的研究；通过可拆卸的两个样品夹持架对微小尺度样品进行压缩及拉伸实验；通过力传感器获得样品受力信息；装置主体置于体视显微镜下，通过相机在试验中同步获得微观结构变化情况，实现实时可视化检测；装置整体测量精度高、操作简单、控制精确，为微观力学的探究提供了性能优良的检测装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种植物微观力学检测装置，其包括纳米级拉压驱动总成、样品夹持总成、三坐标微米级微位移调节总成、控制总成、数据图像处理总成；

纳米级拉压驱动总成包括底板、刚性垫块、驱动器固定架和压电驱动器，刚性垫块固定于底板上，驱动器固定架固定在刚性垫块顶部；压电驱动器固定在驱动器固定架上，为两侧贴有应变片的长方体；

样品夹持总成包括移动支持架、连接板和固定夹持架；样品移动支持架固定在力传感器上端前部，形状呈倒置“l”形且其水平部朝向固定夹持架一侧，样品移动支持架通过力传感器与压电驱动器的位移输出端固定；三坐标微米级微位移调节总成固定于底板上，连接板固定于三坐标微米级微位移调节总成上；固定夹持架固定于连接板上部，其前部为竖置平板，后部为横置连接平板，竖置平板与横置连接平板垂直；竖置平板上部设有突出矩形平板；

控制总成包括应变放大电路、压电控制及数据采集器、力传感器和计算机，压电控制及数据采集器固定在底板上；压电控制与数据采集器分别通过控制线与压电驱动器激励信号线、力传感器信号线及应变放大电路输出信号线连接，压电控制与数据采集器通过数据线与计算机连接，应变放大电路输入线与压电驱动器上的应变片信号线连接；

数据图像处理总成包括体视显微镜、相机、计算机，相机固定在体视显微镜的相机固定架上，相机通过数据线与计算机连接；体视显微镜置于样品夹持总成上方，且体视显微镜物镜对准移动夹持架与固定夹持架间的待测样品；

在压电控制及数据采集器的控制下，所述移动夹持架能够由压电驱动器驱动朝向固定夹持架往复移动，所述固定夹持架能够在三坐标微米级微位移调节总成的驱动下整体水平和垂直移动，使固定夹持架上的突出矩形平板能够与移动夹持架的突出平板平行并构成待检测样品的夹持挤压面；力传感器和应变片的检测数据以及相机拍摄的体视显微镜成像图像同步发送并存储于计算机中。

基于上述技术方案，还可以提供如下若干优选实现方式：

作为优选，所述驱动器固定架由固定胶固定在驱动器固定架中部。

作为优选，所述三坐标微米级微位移调节总成为三坐标微米级微位移调节器，其包括竖直位移机构、水平纵向位移机构、水平横向位移机构，竖直位移机构、水平横向位移机构、水平纵向位移机构均设有微位移调节旋钮；竖直位移机构固定在底板上，包括竖直移动滑块和竖直滑轨，竖直移动滑块与竖直滑轨构成移动副；竖直移动滑块内设螺旋副，竖直微位移调节旋钮通过锥齿轮传动与竖直移动滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转竖直微位移调节旋钮，带动竖直移动滑块沿竖直滑轨移动；水平横向位移机构下部整体固定在竖直位移机构的竖直移动滑块上；水平横向位移机构包括下部的横向滑轨和上部的横向滑块，横向滑块与横向滑轨构成移动副，横向滑块内设螺旋副，横向微位移调节旋钮与横向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转横向微位移调节旋钮，带动横向滑块沿横向滑轨移动；水平纵向位移机构下部整体固定在水平横向位移机构的横向滑块上；水平纵向位移机构与水平横向位移机构结构相同，但两者的移动方向相互垂直。

作为优选，待检测的样品通过胶水固定在所述突出矩形平板朝向移动支持架水平部一侧的竖直端面上。

作为优选，所述压电驱动器的位移输出方向与所述夹持挤压面垂直。

作为优选，所述底板上开设有若干安装孔，刚性垫块、应变放大电路、压电控制及数据采集器和三坐标微米级微位移调节总成的底部均通过螺纹连接件固定于安装孔中。

作为优选，所述计算机中设有用于对整个检测装置进行上位控制的控制软件。

本发明的另一目的在于提供一种根据上述任一方案所述植物微观力学检测装置的压缩和拉伸力学特性测定方法，其具体如下：

压缩力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，并将检测样品利用胶水固定在固定夹持架竖直端面；在计算机的控制软件界面中输入检测所需的试验参数；

第二步调节样品位置：调节三坐标微米级微位移调节器的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架在垂直、水平方向移动，使样品正对于移动夹持架的水平部前端面，调节体视显微镜物镜，使物镜正对样品；

第三步调节压缩初始位置：利用控制及数据采集器产生激励信号，点动控制压电驱动器，从而带动力传感器和移动夹持架整体移动，使移动夹持架逐渐接近待测样品后，停止移动夹持架运动；然后利用三坐标微米级微位移调节器纵向微调节固定夹持架使其靠近移动夹持架，当样品与移动夹持架接触瞬间，即力传感器检测到力信号并通过控制及数据采集器传输至计算机显示读数后，清零力传感器及压电驱动器应变片示数，作为检测起始点；

第四步压缩试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至控制及数据采集器，控制及数据采集器控制压电驱动器按设定参数运行，移动支持架水平部不断对样品进行压缩，力传感器、应变片分别获取压缩过程的力、位移信号并通过控制及数据采集器传输至计算机；同时体视显微镜获得样品压缩过程的微观图像信息，并通过相机传输至计算机，计算机同步记录样品压缩过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当压缩位移达到试验设定参数要求时，控制及数据采集器控制压电驱动器停止移动，即完成一次压缩试验；

第五步数据处理：利用控制及数据采集器控制压电驱动器复位，拆卸移动夹持架与固定夹持架，进行清洗备用，等待下一次检测；

拉伸力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待检测样品，在计算机控制界面中输入检测所需的试验参数；

第二步固定样品：利用控制及数据采集器产生激励信号，点动控制压电驱动器，从而带动力传感器和移动夹持架整体移动，待移动夹持架接近固定支持架后，停止移动夹持架运动；调节三坐标微米级微位移调节器的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架在垂直、水平方向移动，使移动夹持架的水平部与固定夹持架的突出矩形平板平齐且正对，利用胶水将待检测样品一端固定在移动夹持架的水平部端面上，另一端固定在固定夹持架的突出矩形平板端面上；

第三步调节样品位置：调节体视显微镜物镜，使物镜正对样品；然后利用三坐标微米级微位移调节器纵向微调节固定夹持架，使移动夹持架逐渐远离固定夹持架，当力传感器检测到力信号并通过控制及数据采集器传输至计算机显示读数后，清零力传感器及应变片示数，作为检测起始点；

第四步拉伸试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至控制及数据采集器，控制及数据采集器控制压电驱动器按设定参数运行，移动夹持架水平部不断对样品进行拉伸，力传感器、应变片分别获取拉伸过程的力、位移信号并通过控制及数据采集器传输至计算机；同时体视显微镜获得样品拉伸过程的微观图像信息，并通过相机传输至计算机，计算机同步记录样品拉伸过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当拉伸位移达到试验设定参数要求时，控制及数据采集器控制压电驱动器停止移动，即完成一次拉伸试验；

第五步数据处理：利用控制及数据采集器控制压电驱动器复位，拆卸移动夹持架与固定夹持架，进行清洗备用，等待下一次检测。

本发明具有的有益效果是：本发明通过压电驱动器产生纳米级高精度微位移，使其适用于微小尺度样品的研究；通过可拆卸的两个样品夹持架对微小尺度样品进行压缩及拉伸实验，便于装卸及清洗；通过力传感器获得样品受力信息；装置主体置于体视显微镜下，通过相机在试验中同步获得微观结构变化情况，实现实时可视化检测。本发明的装置整体测量精度高、操作简单、控制精确，为微观力学的探究提供了性能优良的检测装置。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图；

图2是本发明装置主体结构的示意图；

图3是本发明装置主体结构的俯视图；

图4是本发明装置主体结构的主视图；

图5是本发明三坐标微米级微位移调节器结构的示意图；

图6是本发明样品固定夹持架结构的示意图；

图中：底板1、刚性垫块2、驱动器固定架3、压电驱动器4、应变放大电路5、控制及数据采集器6、力传感器7、样品移动支持架8、三坐标微米级微位移调节器9、样品夹持固定端连接平板10、样品固定夹持架11、体视显微镜12、相机13。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

如图1～4所示，为本发明的一个较佳实施例中提供的植物微观力学检测装置，其主体结构包括纳米级拉压驱动总成、样品夹持总成、三坐标微米级微位移调节总成、控制总成、数据图像处理总成几个部分。下面分别对各部分的具体结构和工作方式进行详细描述。

纳米级拉压驱动总成的作用是对待检测的植物组织样品进行纳米级的拉伸或压缩，其组成部件包括底板1、刚性垫块2、驱动器固定架3和压电驱动器4。其中，刚性垫块2固定于底板1上，驱动器固定架3固定在刚性垫块2顶部；驱动器固定架3可由固定胶固定在驱动器固定架3中部。

压电驱动器4呈长方体状，其两侧分别贴有应变片4-1，压电驱动器4可以在外部控制下实现精确的伸缩，进而为样品提供拉伸或压缩的动力，而贴在其两侧的应变片4-1则可以检测出拉伸或压缩过程中的位移。

三坐标微米级微位移调节总成采用一个三坐标微米级微位移调节器9，其能够沿xyz三个方向实现水平和垂直的位移调节。三坐标微米级微位移调节器9固定于底板1上，其实现形式多样，只要能够实现三个方向的精确调节即可。如图5所示，在本实施例中，三坐标微米级微位移调节器9包括竖直位移机构9-1、水平横向位移机构9-2、水平纵向位移机构9-3，竖直位移机构9-1、水平横向位移机构9-2、水平纵向位移机构9-3均设有微位移调节旋钮；竖直位移机构9-1固定在底板1上，包括竖直移动滑块和竖直滑轨，竖直移动滑块与竖直滑轨构成移动副；竖直移动滑块内设螺旋副，竖直微位移调节旋钮通过锥齿轮传动与竖直移动滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转竖直微位移调节旋钮，带动竖直移动滑块沿竖直滑轨移动。水平横向位移机构9-2下部整体固定在竖直位移机构9-1的竖直移动滑块上，可以随着竖直移动滑块整体同步移动。水平横向位移机构9-2包括下部的横向滑轨和上部的横向滑块，横向滑块与横向滑轨构成移动副，横向滑块内设螺旋副，横向微位移调节旋钮与横向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转横向微位移调节旋钮，带动横向滑块沿横向滑轨移动。水平纵向位移机构9-3下部整体固定在水平横向位移机构9-2的横向滑块上，可以随水平横向位移机构9-2的横向滑块整体同步移动。水平纵向位移机构9-3与水平横向位移机构9-2结构相同，也包括下部的纵向滑轨和上部的纵向滑块，纵向滑块与纵向滑轨构成移动副，纵向滑块内设螺旋副，纵向微位移调节旋钮与纵向滑块内置螺旋副中的螺栓连接，旋转纵向微位移调节旋钮，带动纵向滑块沿纵向滑轨移动。但需要注意的是，水平纵向位移机构9-3与水平横向位移机构9-2的移动方向是相互垂直的，其中水平纵向位移机构9-3用于控制固定夹持架11靠近或远离移动夹持架8。通过该三坐标微米级微位移调节器9，就可以实现对上部搭载部件的空间精确移动。

样品夹持总成包括移动支持架8、连接板10和固定夹持架11。其中，样品移动支持架8固定在力传感器7上端前部，其形状呈倒置“l”形，由水平部和垂直部组成，且其水平部朝向固定夹持架11一侧。样品移动支持架8通过力传感器7与压电驱动器4的位移输出端固定，当压电驱动器4在外部控制下伸缩时，能够带动样品移动支持架8和力传感器7同步移动。连接板10固定于三坐标微米级微位移调节器9上；固定夹持架11固定于连接板10上部，能够由三坐标微米级微位移调节器9沿三个方向驱动。如图6所示，固定夹持架11的前部为竖置平板11-1，后部为横置连接平板11-2，竖置平板11-1与横置连接平板11-2垂直，两者之间设有若干肋板进行加固。竖置平板11-1上部设有突出矩形平板11-3，且突出矩形平板11-3也朝向移动支持架8一侧。

控制总成包括应变放大电路5、压电控制及数据采集器6、力传感器7和计算机，压电控制及数据采集器6固定在底板1上；压电控制与数据采集器6分别通过控制线与压电驱动器4激励信号线、力传感器7信号线及应变放大电路5输出信号线连接，压电控制与数据采集器6通过数据线与计算机连接，应变放大电路5输入线与压电驱动器4上的应变片4-1信号线连接。计算机作为上位控制设备，其内部可以搭载用于对整个检测装置进行上位控制的控制软件，在控制软件的控制界面中可以输入相应的控制参数，例如压电驱动器4的输出位移长度、输出位移速度等。计算机可以根据设定的控制参数，将控制信号发送给控制及数据采集器6，控制及数据采集器6再进一步控制压电驱动器4的作动，实现压缩或者拉伸位移的输出。在位移过程中，力传感器7可以实时检测移动支持架8上的受力大小，并将其反馈给压电控制及数据采集器6；同时应变片4-1则可以将应力变化转换为反应压电驱动器4的输出位移大小的电信号，该电信号通过应变放大电路5放大后，同步发送给压电控制与数据采集器6。压电控制与数据采集器6中采集的数据统一发送给计算机进行存储和后续处理。

数据图像处理总成包括体视显微镜12、相机13和计算机，相机13固定在体视显微镜12的相机固定架上，用于拍摄体视显微镜12的视野范围内的图像。相机13通过数据线与计算机连接，其拍摄的图像可以实时传输至计算机中。体视显微镜12置于样品夹持总成上方，且体视显微镜12物镜能够对准移动夹持架8与固定夹持架11间的待测样品。

该装置中，在压电控制及数据采集器6的控制下，移动夹持架8能够由压电驱动器4驱动朝向固定夹持架11往复移动。而且，为了保证检测的准确性，压电驱动器4的位移输出方向应当与夹持挤压面垂直，即与固定夹持架11上的竖置平板11-1垂直。固定夹持架11能够在三坐标微米级微位移调节器9的驱动下整体水平和垂直移动，使固定夹持架11上的突出矩形平板11-3能够与移动夹持架8的突出平板8-1平行，且两者的侧部端面可以构成夹持挤压面，用于对待检测样品进行夹持挤压。夹持挤压面实际上是两个平行的端面，并非单独的平面。另外，两者的侧部端面也可以分别用于固定样品两端，以实现对样品的拉伸。在检测过程中，力传感器7和应变片4-1的检测数据，以及相机13拍摄的体视显微镜12成像图像则同步发送并存储于计算机中。

待检测的样品在样品夹持总成中，优选通过胶水固定在突出矩形平板11-3朝向移动支持架8水平部一侧的竖直端面上。当检测完毕，可以将移动夹持架8与固定夹持架11分别拆下，对上部固定的样品进行去除和清洗，以便于再次检测。

另外，为了方便底板1上各部件的安装和位置调整，可以在底板1上均匀开设有若干内攻螺纹的安装孔，刚性垫块2、应变放大电路5、压电控制及数据采集器6和三坐标微米级微位移调节总成的底部均通过螺纹连接件固定于安装孔中。螺纹连接件可以选择螺栓、螺柱、螺钉等能够与安装孔配合的组件。

基于上述植物微观力学检测装置，本发明还提供了一种压缩和拉伸力学特性测定方法，其包括压缩力学特性的检测方法和拉伸力学特性的检测方法。其中，两种方法的具体步骤为：

压缩力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待测样品，并将检测样品利用胶水固定在固定夹持架11竖直端面；在计算机的控制软件界面中输入检测所需的试验参数。试验参数根据检测需要确定，包括但不限于实验所需位移长度、位移速度等。

第二步调节样品位置：调节三坐标微米级微位移调节器9的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架11在垂直、水平方向移动，使样品正对于移动夹持架8的水平部前端面，调节体视显微镜12物镜，使物镜正对样品；

第三步调节压缩初始位置：利用控制及数据采集器6产生激励信号，点动控制压电驱动器4，从而带动力传感器7和移动夹持架8整体移动，使移动夹持架8逐渐接近待测样品，停止移动夹持架8运动；然后利用三坐标微米级微位移调节器9纵向微调节固定夹持架11使其靠近移动夹持架8，当样品与移动夹持架8接触瞬间，即力传感器7检测到力信号并通过控制及数据采集器6传输至计算机显示读数后，停止固定夹持架11移动，清零力传感器7及压电驱动器4应变片4-1示数，作为检测起始点；

第四步压缩试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至控制及数据采集器6，控制及数据采集器6控制压电驱动器4按设定参数运行，移动支持架8水平部不断对样品进行压缩，力传感器7、应变片4-1分别获取压缩过程的力、位移信号并通过控制及数据采集器6传输至计算机；同时体视显微镜12获得样品压缩过程的微观图像信息，并通过相机13传输至计算机，计算机同步记录样品压缩过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当压缩位移达到试验设定参数要求时，控制及数据采集器6控制压电驱动器4停止移动，即完成一次压缩试验；

第五步数据处理：利用控制及数据采集器6控制压电驱动器4复位，拆卸移动夹持架8与固定夹持架11，进行清洗备用，等待下一次检测；

拉伸力学特性的检测方法步骤如下：

第一步样品处理与参数设定：整个装置安装调试完毕后，按检测所需的尺寸规格处理待检测样品，在计算机14控制界面中输入检测所需的试验参数。试验参数根据检测需要确定，包括但不限于实验所需位移长度、位移速度等。

第二步固定样品：利用控制及数据采集器6产生激励信号，点动控制压电驱动器4，从而带动力传感器7和移动夹持架8整体移动，待移动夹持架8接近固定支持架11后，停止移动夹持架8运动；调节三坐标微米级微位移调节器9的三个微位移调节旋钮，控制固定夹持架11在垂直、水平方向移动，使移动夹持架8的水平部与固定夹持架11的突出矩形平板11-3侧部端面平齐且正对，两个端面之间保持适当间距，利用胶水将待检测样品一端固定在移动夹持架8的水平部侧部端面上，另一端固定在固定夹持架11的突出矩形平板11-3侧部端面上；

第三步调节样品位置：调节体视显微镜12物镜，使物镜正对样品；然后利用三坐标微米级微位移调节器9纵向微调节固定夹持架11，使移动夹持架8逐渐远离固定夹持架11，当力传感器7检测到力信号并通过控制及数据采集器6传输至计算机显示读数后，停止固定夹持架11移动，清零力传感器7及应变片4-1示数，作为检测起始点；

第四步拉伸试验：在计算机中控制启动程序并发送试验参数至控制及数据采集器6，控制及数据采集器6控制压电驱动器4按设定参数运行，移动夹持架8水平部不断对样品进行拉伸，力传感器7、应变片4-1分别获取拉伸过程的力、位移信号并通过控制及数据采集器6传输至计算机；同时体视显微镜12获得样品拉伸过程的微观图像信息，并通过相机13传输至计算机，计算机同步记录样品拉伸过程接收到的微观变形图像、力和位移数据；当拉伸位移达到试验设定参数要求时，控制及数据采集器6控制压电驱动器4停止移动，即完成一次拉伸试验；

第五步数据处理：利用控制及数据采集器6控制压电驱动器4复位，拆卸移动夹持架8与固定夹持架11，进行清洗备用，等待下一次检测。

上述过程中，待检测样品的尺寸规格应当根据检测的要求进行确定，拉伸检测时固定夹持架11与移动夹持架8的间距应当调整至保证样品能够被固定在两者之间。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。