本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能參數(shù)的光學(xué)測試，具體的說是一種材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能測試裝置。

背景技術(shù)：

材料微納結(jié)構(gòu)試樣的特征長度一般在毫米量級，與常規(guī)尺寸相比，其力學(xué)性能會有顯著變化，目前缺少對其力學(xué)性能的檢測，測試所得材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能參數(shù)分散性很大，沒有形成一個完整的檢測體系和標(biāo)準(zhǔn)。對于材料微納結(jié)構(gòu)試件的檢測，很多傳統(tǒng)的測試方法和測試儀器將不再適用，試樣的微小性也給實驗帶來了一系列的困難，包括試樣的夾持、對中和加載等等。如何快速精確判斷材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能這是材料性能檢測領(lǐng)域的一個難題。

目前，中北大學(xué)應(yīng)用拉曼光譜頻移技術(shù)、西安交通大學(xué)建立基于模糊集的微構(gòu)件彈性模量評價模型、清華大學(xué)對微加速度計撓性梁的動態(tài)特性進行了研究、華中科技大學(xué)研究了頻閃視覺干涉三維測試系統(tǒng)，這些測試技術(shù)對于材料維納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能檢測還存在檢測精度低、檢測速度慢、自動化程度低、得到的數(shù)據(jù)不夠全面、測試方法不具有通用性等缺點，不能滿足快速、精確檢測的實際需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能的測試裝置，具有速度快、精度高、非接觸全場測試等性能特點，從而滿足各種材料的微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能指標(biāo)的實際測試需求。

為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能的測試裝置的特點包括：激光散斑干涉測試單元、視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元、右定位滑臺、微位移拉伸機、二維定位滑臺、機臺、左定位滑臺；

所述機臺是由底部臺面和豎直立面構(gòu)成，在所述底部臺面上設(shè)置有所述二維定位滑臺，在所述二維定位滑臺上固定設(shè)置有所述微位移拉伸機；

在所述豎直立面上分別固定有所述右定位滑臺和左定位滑臺；在所述右定位滑臺上設(shè)置有所述視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元；在所述左定位滑臺上設(shè)置有所述激光散斑干涉測試單元；

所述測試裝置是通過所述二維定位滑臺調(diào)節(jié)所述微位移拉伸機在水平面上的橫向和縱向位置，并通過所述右定位滑臺調(diào)節(jié)所述立體顯微鏡的高度或通過左定位滑臺調(diào)節(jié)所述激光散斑干涉測試單元的高度，從而使得位于所述微位移拉伸機上的試樣能在所述視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元中或所述激光散斑干涉測試單元中清晰成像。

本發(fā)明所述的材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能的測試裝置的特點也在于：

所述視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元包括：雙目立體顯微鏡、第一攝像機和第二攝像機；所述雙目立體顯微鏡的左右兩個相機接口處分別安裝所述第一攝像機和第二攝像機。

所述激光散斑干涉測試單元包括：半導(dǎo)體激光器、十字分光器、第一PZT移相組合、第二PZT移相組合、Y方向相移器、個反射鏡、個擴束鏡、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、成像透鏡、CCD；

由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一分光棱鏡分為兩束光，其中一束光依次經(jīng)過第七反射鏡、第一PZT移相組合、第八反射鏡的反射后，通過第一擴束鏡的擴束，再通過所述第二分光棱鏡被所述CCD接收；

另一束光依次經(jīng)過所述十字分光器、第九反射鏡的反射后，通過第二擴束鏡的擴束，形成測試光并照射到所述試樣的表面，所述測試光再經(jīng)過所述成像透鏡和所述第二分光棱鏡被所述CCD接收，從而實現(xiàn)所述試樣的面外法線方向即Z方向的位移測試；

由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一分光棱鏡和所述十字分光器分為兩束光，其中一束光經(jīng)過所述第二PZT移相組合的反射和第三擴束鏡的擴束后，照射到所述試樣的表面；

另一束光經(jīng)過第十反射鏡的反射和第四擴束鏡的擴束后照射到所述試樣的表面，并在所述試樣的表面形成激光散斑，所述激光散斑經(jīng)過所述成像透鏡和第二分光棱鏡被所述CCD接收，從而實現(xiàn)所述試樣面內(nèi)一個方向即X方向的位移測試；

由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一分光棱鏡和所述十字分光器分為另外兩束光，其中一束光經(jīng)過所述Y方向相移器的反射和第二擴束鏡的擴束后，照射到所述試樣的表面；

另一束光經(jīng)過第十反射鏡的反射和第五擴束鏡的擴束后照射到所述試樣的表面，并在所述試樣的表面形成激光散斑，所述激光散斑經(jīng)過所述成像透鏡和第二分光棱鏡被所述CCD接收，從而實現(xiàn)所述試樣面內(nèi)另一個方向即Y方向的位移測試。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明屬于非接觸式光學(xué)測試方法，利用激光散斑干涉測試單元、視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元、右定位滑臺、微位移拉伸機、二維定位滑臺、機臺和左定位滑臺的有機組合以實現(xiàn)微拉伸結(jié)合光學(xué)測試法，是測試材料微納結(jié)構(gòu)的彈性模量、泊松比、屈服強度等最直接的測試方法，克服了現(xiàn)有測試裝置和技術(shù)對于材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能的測試參數(shù)不完整、數(shù)據(jù)難于分析處理等問題，本發(fā)明不僅可以得到包括塑性變形在內(nèi)的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的全過程，實驗數(shù)據(jù)也易于分析說明，從而滿足了材料力學(xué)性能的快速精確檢測的要求。

2、本發(fā)明激光散斑干涉測試單元具有高度的集成性，通過對其光學(xué)成像系統(tǒng)和相移結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，克服了現(xiàn)有測試單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低等問題，使得整個測試單元結(jié)構(gòu)非常緊湊、操作簡單，能夠快速得到試件在加載過程中的三維微位移和變形過程。

3、由于試樣尺寸很小，通常在毫米級，本發(fā)明視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元很好的解決了微試樣難以定位和對中等難題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測試裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2a是本發(fā)明激光散斑干涉測試單元的結(jié)構(gòu)圖；

圖2b是本發(fā)明視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元的結(jié)構(gòu)圖；

圖2c是本發(fā)明右定位滑臺、二維定位滑臺、機臺和左定位滑臺的結(jié)構(gòu)圖；

圖2d是本發(fā)明微位移拉伸機的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明立體顯微鏡的成像光路原理圖；

圖4是本發(fā)明激光散斑干涉測試單元的面外變形光路原理圖；

圖5是本發(fā)明激光散斑干涉測試單元的面內(nèi)變形光路原理圖(X方向)；

圖中標(biāo)號：1激光散斑干涉測試單元；2視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元；3右定位滑臺1；4微位移拉伸機；5二維定位滑臺；6機臺；7左定位滑臺；8雙目立體顯微鏡；9第一攝像機；10第一反射鏡；11分光鏡；12第一透鏡組；13第二透鏡組；14試樣；15第三透鏡組；16第二反射鏡；17第二攝像機；18第三反射鏡；19第四反射鏡；20第五反射鏡；21第六反射鏡；22半導(dǎo)體激光器；23第一分光棱鏡；24第七反射鏡；25第一PZT移相組合；26第八反射鏡；27第一擴束鏡；28成像透鏡；29十字分光器；30第九反射鏡；31CCD；32第二分光棱鏡；33第二擴束鏡；34第二PZT移相組合；35第三擴束鏡；36第十反射鏡；37第四擴束鏡。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例中，一種材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能的測試裝置，包括：激光散斑干涉測試單元1、視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元2、右定位滑臺3、微位移拉伸機4、二維定位滑臺5、機臺6、左定位滑臺7；

如圖2c所示，機臺6是由底部臺面和豎直立面構(gòu)成，在底部臺面上設(shè)置有二維定位滑臺5，并固定在機臺6上，在二維定位滑臺5上固定設(shè)置有微位移拉伸機4，并固定在機臺6上；

在豎直立面上分別固定有右定位滑臺3和左定位滑臺7；在右定位滑臺3上設(shè)置有視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元2，并固定在右定位滑臺3的載物臺上；在左定位滑臺7上設(shè)置有激光散斑干涉測試單元1，并固定在左定位滑臺7的載物臺上；

如圖1和圖2d所示，微位移拉伸機4是固定在二維定位滑臺5的載物臺上，試樣14裝夾在微位移拉伸機4上，測試裝置是通過二維定位滑臺5調(diào)節(jié)微位移拉伸機4在水平面上的橫向和縱向位置，并通過右定位滑臺3向上或向下調(diào)節(jié)立體顯微鏡2的高度或通過左定位滑臺7向上或向下調(diào)節(jié)激光散斑干涉測試單元1的高度，從而使得位于微位移拉伸機4上的試樣14能在視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元2中或激光散斑干涉測試單元1中清晰成像。

如圖1和圖2b所示，視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元2包括：雙目立體顯微鏡8、第一攝像機9和第二攝像機17；雙目立體顯微鏡8的左右兩個相機接口處分別安裝第一攝像機9和第二攝像機17；

如圖3所示，成像過程如下：光照射到試樣14表面，經(jīng)過第二透鏡組13，再分別經(jīng)過第一透鏡組12和第三透鏡組15，形成兩個同軸光路，分別為左邊成像光路和右邊成像光路；經(jīng)過第一透鏡組12的透射光被分光鏡11分成兩束光，其中一束光依次經(jīng)過第五反射鏡20和第六反射鏡21供人左眼觀察，另一束光經(jīng)過第一反射鏡10被第一攝像機9接收；經(jīng)過第三透鏡組15的透射光被分光鏡11分成兩束光，其中一束光依次經(jīng)過第四反射鏡19和第三反射鏡18供人右眼觀察，另一束光經(jīng)過第二反射鏡16被第二攝像機17接收；

視覺引導(dǎo)與散斑圖像相關(guān)測試單元2是基于立體顯微雙目視覺原理，采用伽利略同軸分光的方式，實現(xiàn)雙目立體成像，通過改裝雙目立體顯微鏡8，實現(xiàn)可視化引導(dǎo)成像和三維散斑圖像相關(guān)變形應(yīng)變?nèi)珗鰧崟r測試；

如圖1和圖2a所示，激光散斑干涉測試單元1包括：半導(dǎo)體激光器22、十字分光器29、第一PZT移相組合25、第二PZT移相組合34、Y方向相移器、5個反射鏡、5個擴束鏡、第一分光棱鏡23、第二分光棱鏡32、成像透鏡28、CCD31；

如圖4所示，由半導(dǎo)體激光器22發(fā)出的激光經(jīng)過第一分光棱鏡23分為兩束光，其中一束光依次經(jīng)過第七反射鏡24、第一PZT移相組合25、第八反射鏡26的反射后，通過第一擴束鏡27的擴束，再通過第二分光棱鏡32，作為參考光被CCD31接收；

另一束光經(jīng)過十字分光器29的分束后、其中一束依次經(jīng)過第九反射鏡30的反射后，通過第二擴束鏡33的擴束，形成測試光并照射到試樣14的表面，測試光再經(jīng)過成像透鏡28和第二分光棱鏡32被CCD31接收，在第一PZT移相組合25的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相減模式得到相位條紋圖，再經(jīng)過濾波和相位解包裹，從而實現(xiàn)試樣14的面外法線方向即Z方向的位移測試；

如圖5所示，由半導(dǎo)體激光器22發(fā)出的激光經(jīng)過第一分光棱鏡23和十字分光器29分為兩束光，其中一束光經(jīng)過第二PZT移相組合34的反射和第三擴束鏡35的擴束后，照射到試樣14的表面；

另一束光經(jīng)過第十反射鏡36的反射和第四擴束鏡37的擴束后照射到試樣14的表面，并在試樣14的表面形成激光散斑，激光散斑經(jīng)過成像透鏡28和第二分光棱鏡32被CCD31接收，在第二PZT移相組合34的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相減模式得到相位條紋圖，再經(jīng)過濾波和相位解包裹，從而實現(xiàn)試樣14面內(nèi)一個方向即X方向的位移測試；

由半導(dǎo)體激光器22發(fā)出的激光經(jīng)過第一分光棱鏡23和十字分光器29分為另外兩束光，其中一束光經(jīng)過Y方向相移器的反射和第二擴束鏡33的擴束后，照射到試樣14的表面；

另一束光經(jīng)過第十反射鏡的反射和第五擴束鏡的擴束后照射到試樣14的表面，并在試樣14的表面形成激光散斑，激光散斑經(jīng)過成像透鏡28和第二分光棱鏡32被CCD31接收，在第三PZT移相組合的相移下，利用激光散斑干涉原理、相移法及相減模式得到相位條紋圖，再經(jīng)過濾波和相位解包裹，從而實現(xiàn)試樣14面內(nèi)另一個方向即Y方向的位移測試；這樣可以測試試樣14在加載過程中的三維微位移和變形過程，進而反演出材料微納結(jié)構(gòu)機械力學(xué)性能應(yīng)力應(yīng)變、彈性模量、泊松比等參數(shù)。