本发明属于微尺度材料力学性能精密测量领域，更具体地，涉及一种微尺度材料扭转测试装置。
背景技术：
对微米尺度材料弹塑性力学行为的准确测试和描述是当前力学与材料领域中重要的课题之一。部分微尺度材料在如扭转等非均匀变形时表现出的力学行为与其宏观尺度下相比存在明显差异。例如，铜丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段具有尺度效应。对多晶铜丝与金丝进行循环扭转实验时发现其在循环扭转塑性形变时表现出强烈的bauschinger效应以及异常的塑性恢复。同时，许多高性能生物材料力学性能的测量也需要在该尺度下进行。ko等的扭转实验结果表明，蜘蛛牵引丝具有较高的剪切模量(约2.3gpa)和扭转稳定性。然而，缺乏可靠的实验技术阻碍了微尺度材料在扭转力学方面的研究，一般的商用扭转实验仪器主要针对扭矩为100n·m以上的大尺度试样的测量，而微尺度纤维的扭矩一般在10-3n·m量级，商用扭转实验仪器的精度难以满足微尺度纤维的测量。
对此，中国专利cn201110049785.8提出了一种低维材料微扭转力学性能测试装置，采用光靶和光电位移传感器相结合的方式测量扭丝的转角，实时获取试样的扭矩-转角曲线。然而，在测试过程中随着电机施加至试样的扭矩逐渐增大，试样在径向方向的长度会发生变化，由于该测试装置中试样上端与下端均采用完全固定的方式，将导致试样受到的轴向拉力不断发生变化，从而进一步导致试样的扭转力学性能测量结果不准确；其次，在对试样施加一定预加张力时，需要对丝杠螺母组件进行粗调、对三维平移台进行细调以及与力传感器的共同配合，操作过程繁琐。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微尺度材料扭转测试装置，由此解决现有测试装置的测量结果不准确且操作复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微尺度材料扭转测试装置，包括：微扭矩传感装置9、测量单元、数据采集和处理单元和扭矩加载单元；
所述微扭矩传感装置9包括支架20、扭丝固定单元、连接框25和试样夹持单元；扭丝固定单元用于将扭丝张紧固定在支架上；试样夹持单元包括夹头18和垫片28，分别用于夹持试样27的上端和下端，垫片28可自由悬吊；扭矩加载单元包括夹具15和步进电机16，夹具15通过夹持垫片28将步进电机16施加的扭矩传递至试样27，使试样27发生偏转；夹具15为u型，垫片28可在夹具内上下移动；
所述连接框25的上端和下端分别与扭丝24和夹头18连接，用于将步进电机16施加至试样27的扭矩传递至扭丝24；所述测量单元用于测量扭丝24的偏转角；
所述数据采集和处理模块用于采集并处理扭丝24的偏转角和步进电机16施加至试样27的转角，得到试样27的扭转测试结果。
优选地，所述测量单元为光电自准直仪7，反射镜26置于连接框25上，光电自准直仪7用于测量反射镜26的偏转角。
优选地，扭丝固定单元包括上扭丝固定块21和下扭丝固定块19，分别用于将扭丝24两端压紧，使扭丝张紧固定在支架上。
优选地，所述上扭丝固定块21与支架20通过弹性元件22连接。
优选地，所述上扭丝固定块21可在与支架20连接的限位孔中上下滑动。
优选地，所述上扭丝固定块21与滑块23连接，所述滑块23与支架20通过弹性元件22连接，所述滑块23可在与支架20连接的限位孔中上下滑动。
优选地，所述上扭丝固定块21与滑块23连接，所述滑块23与支架20通过弹性元件22连接，所述滑块23可在与支架20连接的限位孔中上下滑动。
优选地，所述微扭矩传感装置9和扭矩加载单元放置于真空腔室13内。
优选地，所述微扭矩传感装置9和步进电机16分别固定安装在真空腔室13的上隔板和下隔板处。
优选地，所述装置还包括用于观察试样27的电子显微镜14。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
与现有技术将夹持试样上端和下端完全固定的方式相比，本发明通过夹具夹持自由悬吊的垫片将扭矩加载至试样，夹具为u型，在扭矩加载过程中试样在径向方向的长度发生变化时，垫片可在夹具内上下移动，使试样受到的径向拉力始终为垫片的自身的重力，从而能够保证测试过程中试样受到的轴向拉力恒定，确保试样的扭转力学测量结果不会受到轴向拉力的影响，提高了测量结果的准确性。其次，由于试样所受到的轴向拉力是由垫片的重量所决定，在对试样施加一定预加张力时，与现有技术采用的对丝杠螺母组件进行粗调、对三维平移台进行细调以及与力传感器的共同配合的方式相比，本发明只需确定垫片的重量即可实现，简化了操作过程，降低了装置的制造成本。
综上，本发明提供的测试装置分辨率高，能够更加精准地对不同尺度纤维扭转力学性能进行测量；安装与拆卸操作简便，能够降低测试的操作难度，保证实验的快速进行；不需要设置传感器测量扭丝的预加张力，降低了装置的制造成本。
进一步地，采用光电自准直仪测量扭丝的转角，分辨率可高达10-7rad，进一步提高了测量精度，具有稳定性高、便于实现自动化测量等优点。
进一步地，上扭丝固定块与支架通过弹性元件连接，根据弹性元件的伸长量既可快速、准确地计算出扭丝是否已达到所需的预紧力，从而进一步简化操作，提高测试精度。
进一步地，微扭矩传感装置和扭矩加载装置放置于真空腔室内，能够减小外界振动对实验的干扰，进一步提高测试精度。
进一步地，将微扭矩传感装置与步进电机分别固定在真空腔室的上隔板和下隔板处，能够减少电机振动对测试过程带来的干扰，进一步提高测试精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微尺度材料扭转测试装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的扭矩传感装置结构示意图之一；
图3是本发明实施例提供的光电自准直仪的夹具结构示意图；
图4是本发明实施例提供的光电自准直仪的测量原理图；
图5是本发明实施例提供的扭矩传感装置结构示意图之二；
图6是本发明实施例提供的微尺度材料扭转测试装置中真空腔室结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-机械泵；2-气浮隔振光学平台；3-计算机系统；4-a/d采集卡；5-伺服控制器；6-升降台；7-光电自准直仪；8-三维平移台；9-微扭矩传感装置；10-转接板；11-旋转台；12-光学微调滑台；13-真空腔室；14-电子显微镜；15-夹具；16-步进电机；17-钢架；18-夹头；19-下扭丝固定块；20-支架；21-上扭丝固定块；22-弹性元件；23-滑块；24-扭丝；25-连接框；26-反射镜；27-试样；28-垫片；29-光源；30-狭缝；31-分光镜；32-准直镜；33-位置敏感探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种微尺度材料扭转测试装置，如图1-3所示，包括：微扭矩传感装置9、测量单元、数据采集和处理单元和扭矩加载单元；
所述微扭矩传感装置9包括支架20、扭丝固定单元、连接框25和试样夹持单元；扭丝固定单元用于将扭丝张紧固定在支架上；试样夹持单元包括夹头18和垫片28，分别用于夹持试样27的上端和下端，垫片28可自由悬吊；扭矩加载单元包括夹具15和步进电机16，夹具15通过夹持垫片28将步进电机16施加的扭矩传递至试样27，使试样27发生偏转；夹具15为u型，垫片28可在夹具内上下移动。
具体地，所述扭矩加载装置包括步进电机16和夹具15；所述夹具15安装在步进电机16的主轴上，与步进电机16的输出轴同轴，将电机输出的扭矩传递至试样，使试样发生偏转。其中，所述步进电机16具有与其连接的伺服控制器5。
夹头18用于夹持试样27的上端，垫片28用于夹持试样27的下端。
可选地，垫片为双层式垫片，试样下端与所述双层式垫片进行粘接，以实现垫片对试样下端进行夹持的同时使垫片可自由悬吊。
如图3所示，夹具为u型，由于垫片处于自由悬吊的状态，根据重力作用，试样所受到的轴向拉力是由垫片的重量所决定的，在夹具通过夹持垫片以将步进电机施加的扭矩传递至对试样的过程中，随着电机施加至试样的扭矩逐渐增大，试样会发生失稳现象导致其在径向方向的长度会发生变化，垫片随着试样长度的伸长/缩短可在夹具的凹槽内向下/向上移动，从而确保使试样受到的轴向拉力始终由垫片的质量所决定，即垫片自身的重力，也即试样受到的轴向拉力恒定，试样的扭转力学测量结果不会受到轴向力的影响，从而提高了测量结果的准确性。此外，由于试样所受到的轴向拉力是由垫片的重量所决定，在对试样施加一定预加张力时，只需确定垫片的重量即可实现，简化了操作过程。
所述连接框25的上端和下端分别与扭丝24和夹头18连接，用于将步进电机16施加至试样27的扭矩传递至扭丝24；所述测量单元用于测量扭丝24的偏转角；
具体地，连接框25的上端与扭丝24中部固定连接，连接框25悬挂固定于扭丝24中部。
在试样发生扭转时，试样将扭矩传递给夹头，使夹头发生一定角度的偏转，夹头进一步将扭矩传递至与其连接的连接框，使连接框发生同样角度的偏转，而由于连接框与扭丝中部连接且悬挂固定于扭丝中部，因此，连接框进一步地将扭矩传递至扭丝，带动扭丝发生同样角度的偏转，即夹头、连接框、扭丝会发生相同角度的偏转。
根据力矩平衡可知，试样的扭矩t试样＝t扭丝，即：
k试样·θ试样＝k扭丝·θ扭丝；
其中，k试样即为试样的扭转弹性系数，即所需得到的测试结果；θ试样即为扭丝的偏转角，与步进电机施加的转角ψ相等；k扭丝为扭丝的扭转弹性系数，可通过标定得到；θ扭丝为扭丝的偏转角，由测量单元进行测量得到。
也即：
k扭丝＝(k试样·θ试样)/θ扭丝＝(k试样·ψ)/θ扭丝
如图2所示，所述连接框的形状为矩形；可选地，所述连接框的形状也可以为圆形、椭圆形等。
可选地，夹头组件采用四头索咀式圆柱形夹头，夹头与连接框下端采用扣件式连接，放置在连接框下端的凹槽内，能够更加方便地装载试样。
所述数据采集和处理模块用于采集并处理扭丝24的偏转角和步进电机16施加至试样27的转角，得到试样27的扭转测试结果。
具体地，所述数据采集和处理模块包括计算机系统3和a/d采集卡4。其中，a/d采集卡4的输入端连接测量单元，用于对扭丝转角数据进行采集，a/d采集卡4的输入端连接伺服控制器5的一端，伺服控制器的另一端与步进电机16连接，用于对步进电机加载至试样的转角数据进行采集和a/d转换，a/d采集卡4的输出端与计算机系统3连接，用于将采集并进行a/d转换后的扭丝转角数据和步进电机加载至试样的转角数据输出至计算机系统3；计算机系统3可以对所述测试装置进行控制，基于a/d采集卡4采集的扭丝转角a和步进电机加载至试样的转角ψ进行计算并实时显示试样的扭矩-转角曲线。
本发明实施例提供的测试装置，与现有技术采用的将夹持试样上端和下端完全固定的方式相比，扭矩加载装置通过夹持自由悬吊的垫片将扭矩加载至试样，在扭矩加载过程中能够保证试样受到的轴向拉力恒定，不会对试样造成损伤，从而确保试样的扭转力学性能不会受到轴向力的影响，提高了测量结果的准确性。其次，由于试样所受到的轴向拉力是由垫片的重量所决定，在对试样施加一定预加张力时，与现有技术采用的对丝杠螺母组件进行粗调、对三维平移台进行细调以及与力传感器的共同配合的方式相比，本发明实施例只需确定垫片的重量即可实现，很大程度地简化了操作过程。综上，本发明实施例提供的测试装置分辨率高，能够更加精准地对不同尺度纤维扭转力学性能进行测量，安装与拆卸操作简便，能够降低测试的操作难度，保证实验的快速进行。
基于上述任一实施例，可选地，所述测量单元为光电自准直仪7，反射镜26置于连接框25上，光电自准直仪7用于测量反射镜26的偏转角。
可选地，反射镜为镀膜反射镜。
在试样发生扭转时，试样将扭矩传递给夹头，使夹头发生一定角度的偏转，夹头进一步将扭矩传递至与其连接的连接框，使连接框发生同样角度的偏转，置于连接框上的反射镜也发生同样角度的偏转，而由于连接框与扭丝中部连接且悬挂固定于扭丝中部，因此，连接框进一步地将扭矩传递至扭丝，带动扭丝发生同样角度的偏转，即夹头、连接框、反射镜、扭丝会发生相同角度的偏转，因此，通过测量反射镜的偏转角度，即可得到扭丝的偏转角度。
扭丝的偏转角θ扭丝与反射镜的偏转角a相等，通过光电自准直仪测量反射镜的偏转角a，即可得到θ扭丝＝a。
也即：
k扭丝＝(k试样·θ试样)/θ扭丝＝(k试样·ψ)/a
光电自准直仪7的测量原理如图4所示，该系统主要由光源29、狭缝30、分光镜31、准直透镜32、反射镜26、位置敏感探测器33组成。狭缝30位于准直物镜32的焦面处，光源29发出的光照明狭缝30，通过狭缝30的光束经过准直物镜32变为平行光射出；平行光束经被测反射镜26反射后返回，反射光线经过分光镜被投射到位置敏感探测器33上，通过转换电路，可以得到反射光线在探测器上的准确位置。
当准直系统的光轴与反射镜26垂直时，光线会按原路返回，此时返回光线在位置敏感探测器33上的光斑中心被标定为系统零位。当目标反射镜26有微小偏转角a时，根据几何光学原理，光线就偏转2a，因此，在位置敏感探测器33的光敏面上的光斑会有x的位移量。设物镜的焦距为f，则：
x＝ftan2a
因a很小，故有：
可见，被测角度a与光斑位置x有近似正比关系，而光斑位置x可通过处理、计算位置敏感探测器33的输出信号得到。
当光斑落在位置敏感探测器33上时，通过光电作用会在入射点产生正比于光强的电流i0。i0通过p衬底流向两端的电极，流出的电流i1和i2与入射点到电极的距离l/2-x和l/2 x的关系为：
由于i1和i2非常微弱，故将电流信号放大为电压信号，则：
考虑到电路的对称性，拟选用相同型号的运算放大器和电阻，则rf1＝rf2＝rf。电压v1和v2输出给锁相放大器，锁相放大器通过频域信号的窄带化处理，对v1和v2相同频率的信号进行提取并放大。然后，电压v1和v2经由a/d采集卡4转换为数字信号，存入计算机系统3。
也即，光电自准直仪通过位置敏感探测器接收反射镜角度变化的信号，并通过放大电路将信号传输至计算机系统，从而得到高精度的扭丝偏转角a，其分辨率达到10—7rad。
本发明实施例采用光电自准直仪测量扭丝的转角，分辨率可高达10-7rad，进一步提高了测量精度，具有稳定性高、便于实现自动化测量等优点。
可选地，所述测量单元也可以包括光电位移传感器和光靶。
基于上述任一实施例，可选地，所述扭丝固定单元包括上扭丝固定块21和下扭丝固定块19，分别用于将扭丝24两端压紧，使扭丝张紧固定在支架上。
具体地，扭丝24上端用上扭丝固定块21压紧固定在支架20上，下端用下扭丝固定块19压紧固定在支架20上，使扭丝垂直于水平方向，张紧固定在支架上。
可选地，将扭丝上端放置于上扭丝固定块两个螺孔的中心位置，通过拧紧螺钉将扭丝上端压紧在固定支架上，可采用同样的方式将扭丝下端用下扭丝固定块压紧固定在支架。
基于上述实施例，优选地，所述上扭丝固定块21与支架20通过弹性元件22连接。
具体地，如图2所示，所述弹性元件22的上端与支架20的上端的连接，所述弹性元件22的下端与上扭丝固定块21连接。
由于弹性元件的弹性系数已知，因此，将扭丝上端固定好后，根据弹性元件的伸长量即可快速、准确地确定扭丝是否达到所需的预紧力，再将扭丝下端进行固定，即能使扭丝以所需的预紧力张紧固定在支架上，相较于现有技术提供的扭丝安装方式，操作更加简便并且能够根据弹性元件的伸长量获知扭丝的张紧力，能够进一步提高测试精度；此外，在已知扭丝的预紧力的情况下，可进一步计算扭丝的扭转刚度，即根据扭丝的实际受力情况更加准确地计算扭丝的扭转刚度，从而得到更准确的扭丝扭转弹性系数。
基于上述任一实施例，优选地，所述上扭丝固定块21可在与支架20连接的限位孔中上下滑动。
具体地，如图2所示，上扭丝固定块21可在与支架20连接的限位孔中上下滑动，从而在竖直方向上对上扭丝固定块21进行限位，进一步确保扭丝垂直于水平方向固定在支架上，从而提高扭丝固定的稳定性。
优选地，如图5所示，所述上扭丝固定块21与支架20的连接方式也可以为：所述上扭丝固定块21与滑块23连接，所述滑块23与支架20通过弹性元件22连接，所述滑块23可在与支架20连接的限位孔中上下滑动。
基于上述任一实施例，优选地，所述微扭矩传感装置9和扭矩加载装置放置于真空腔室13内。
具体地，如图1所示，所述测试装置还包括真空腔室13，所述微扭矩传感装置9和扭矩加载装置放置于真空腔室13内，真空腔室13固定在钢架17上，能够显著减小外界振动对实验的干扰。
可选地，可通过机械泵1抽取真空腔室13内的空气，保证实验环境的高真空，减少空气扰动。
可选地，所述光学自准直仪7可放置于升降台6上，升降台6放置在气浮隔振光学平台2上，光电自准直仪7的出光筒需正对真空腔室的观察视窗，便于测量反射镜26的角度。
本发明实施例提供的测试装置，将微扭矩传感装置和扭矩加载装置放置于真空腔室内，能够显著减小外界振动对实验的干扰，进一步提高测试结果的精度。
基于上述任一实施例，优选地，所述微扭矩传感装置9和步进电机16分别固定安装在真空腔室13的上隔板和下隔板处。
具体地，如图6所示，光学微调滑台12固定在真空腔室的上隔板处，旋转台11通过转接板10与光学微调滑台12固定，微扭矩传感装置9固定在旋转台11上。通过调整旋转台11，能够使反射镜正对光电自准直仪的出光筒，以达到最大量程。
所述步进电机16安放在三维平移台8上，通过调整其位置，使垫片处于夹具15中央，便于对试样进行加载；三维平移台8固定安装在真空腔室的下隔板处，通过调节三维平移台8可以保证夹头与夹具的对中性。
本发明实施例提供的测试装置，将微扭矩传感装置与步进电机分别固定在真空腔室的上隔板和下隔板处，能够减少电机振动对测试过程带来的干扰，进一步提高测试精度。
基于上述任一实施例，优选地，还包括用于观察试样的电子显微镜14。
具体地，所述电子显微镜14放置于真空腔室13内，所述电子显微镜14的镜头对准试样，能够实时显示试样在扭转过程过的形变，并将形变过程实时传输至计算机系统3。
本发明实施例提供的测试装置，使用电子显微镜实时监控试样在扭转过程中的形变，便于对实验结果进行分析。
下面以一个具体的例子对本发明实施例提供的测试装置的具体操作步骤进行说明：
(1)按照测量需要，取一定长度纤维试样，试样下端与垫片28粘接，试样上端放置在夹头18内夹紧，完成试样27的制作。用镊子将夹头18、试样27和垫片28与连接框25下端进行连接，垫片28处于自由悬吊状态。然后，调节三维平移台8的x、y、z方向，使夹具15和试样27保持在同一轴线，垫片28处于夹具15的中心位置。
(2)启动电子显微镜14和光电自准直仪7，并设置好步进电机16的转速等参数。
(3)对试样27进行扭矩加载，试样27将扭矩传递至夹头18，夹头18、连接框25、反射镜26会发生相同角度的偏转，扭丝24的转角a及步进电机16施加的转角ψ分别a/d采集卡4采集并传递至计算机系统3，计算机系统3实时计算获得试样27扭转时的扭矩-转角曲线。测试完毕后，保存相关数据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，包括：微扭矩传感装置(9)、测量单元、数据采集和处理单元和扭矩加载单元；
所述微扭矩传感装置(9)包括支架(20)、扭丝固定单元、连接框(25)和试样夹持单元；扭丝固定单元用于将扭丝张紧固定在支架上；试样夹持单元包括夹头(18)和垫片(28)，分别用于夹持试样(27)的上端和下端，垫片(28)可自由悬吊；
扭矩加载单元包括夹具(15)和步进电机(16)，夹具(15)通过夹持垫片(28)将步进电机(16)施加的扭矩传递至试样(27)，使试样(27)发生偏转；夹具(15)为u型，垫片(28)可在夹具内上下移动；
所述连接框(25)的上端和下端分别与扭丝(24)和夹头(18)连接，用于将步进电机(16)施加至试样(27)的扭矩传递至扭丝(24)；所述测量单元用于测量扭丝(24)的偏转角；
所述数据采集和处理模块用于采集并处理扭丝(24)的偏转角和步进电机(16)施加至试样(27)的转角，得到试样(27)的扭转测试结果。
2.如权利要求1所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述测量单元为光电自准直仪(7)，反射镜(26)置于连接框(25)上，光电自准直仪(7)用于测量反射镜(26)的偏转角。
3.如权利要求1所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述扭丝固定单元包括上扭丝固定块(21)和下扭丝固定块(19)，分别用于将扭丝(24)两端压紧，使扭丝张紧固定在支架上。
4.如权利要求3所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述上扭丝固定块(21)与支架(20)通过弹性元件(22)连接。
5.如权利要求4所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述上扭丝固定块(21)可在与支架(20)连接的限位孔中上下滑动。
6.如权利要求3所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述上扭丝固定块(21)与滑块(23)连接，所述滑块(23)与支架(20)通过弹性元件(22)连接，所述滑块(23)可在与支架(20)连接的限位孔中上下滑动。
7.如权利要求1所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述微扭矩传感装置(9)和扭矩加载单元放置于真空腔室(13)内。
8.如权利要求7所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述微扭矩传感装置(9)和步进电机(16)分别固定安装在真空腔室(13)的上隔板和下隔板处。
9.如权利要求1所述的微尺度材料扭转测试装置，其特征在于，所述装置还包括用于观察试样(27)的电子显微镜(14)。
技术总结