[实用新型]一种基于悬臂梁的微力测试系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及微力实验测试，具体涉及一种基于悬臂梁的微力测试系统。

背景技术

随着现代社会的高速发展，微牛级微小力值在医学、微纳制造以及微机电系统中 的力学性能分析中得到了越来越广泛的应用。但是目前我国对于10N以下微小力值尚未建 立量传系统。国内对于微力测量装置没有具体的结构设计和加工方法，因此研究一套微力 测量系统是很有意义的。

另一方面，由于其力学性能好、质量轻等优点，各种纤维增强复合材料在各个领域 都得到了广泛的应用，所以研究单根纤维力学性能和纤维与基体的结合界面的力学性能也 是很有必要的一项工作。然而，两项测试的所需的实验力后很小，同时目前也未曾发现符合 单根纤维相关测试的微力实验系统，所以建立一套与此相关的微力测试系统是及其有意义 的。

实用新型内容

为了实现与单根纤维相关的力学性能测试，本实用新型提出了一种基于悬臂梁的 微力测试系统，利用高精度的应变片、微型感应放大器和激光位移计，可以精确测量微力和 微位移。

本实用新型的目的在于提出一种基于悬臂梁的微力测试系统。

本实用新型的基于悬臂梁的微力测试系统包括：悬臂梁、应变片、机械平移台、激 光位移计、样品固定器、微型感应放大器、数据采集卡、运动控制卡和计算机；其中，悬臂梁 的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端；悬臂梁的表面设置应变片，应变片与微型感 应放大器相连，微型感应放大器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连；机械平移台 与运动控制卡相连，运动控制卡与计算机相连；被测纤维的一端固定在样品固定器上，另一 端设置在悬臂梁的自由端，与自由端相对位置固定；激光位移计对准被测纤维与悬臂梁的 自由端连接的端点，激光位移计连接至计算机。

悬臂梁的材料采用钢片，估计被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度，选 择悬臂梁的厚度，厚度在0.2～1mm之间，以满足不同的测试精度与量程。

本实用新型利用利用悬臂梁的力敏感性，悬臂梁在微小力作用下的较大变形，再 通多惠斯通电桥测量这个变形，将微小的力信号转换为较大的电信号，从而精确测量微小 的作用力，以满足微力测试要求。

本实用新型的基于悬臂梁的微力测试方法，包括以下步骤：

1)按照估计的被测纤维的弹性模量和与基体界面的剪切强度估算拉力F，再根据 拉力和悬臂梁的变形的关系选择适合厚度的悬臂梁，以保证悬臂梁的变形y不大于10mm；悬 臂梁的一端固定在机械平移台上，另一端为自由端，准备进行测试，；

2)制备单根的被测纤维，一端固定在样品固定器上，另一端设置在悬臂梁的自由 端，与自由端相对位置固定；

3)进行调零：计算机控制机械平移台移动，逐渐拉紧被测纤维，应变片测量悬臂梁 受力F，当F刚好大于零时，机械平移台停止移动，并将此时悬臂梁的受力设置为零；

4)计算机设置好机械平移台的运行速度和距离，然后开始测试；

5)机械平移台沿被测纤维的轴向方向运动，被测纤维受到拉力被拉长，同时被测 纤维给悬臂梁反作用力，使得悬臂梁变形；

6)在机械平移台移动的过程中，激光位移计测量悬臂梁的自由端的位移，应变片 采集悬臂梁的力信号，并同时将测量到的位移和采集的力信号传输至计算机，得到被测纤 维的力-位移曲线；

7)根据获得的力-位移曲线计算被测纤维的弹性模量，或者被测纤维与基体界面 的剪切强度。

其中，在步骤1)中，弹性模量、拉力F和悬臂梁的变形与悬臂梁的厚度的关系满足：其中，y为悬臂梁的变形，F为拉力，E_c为悬臂梁的弹性模量，W为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁的厚度，l为受力点到应变片的中心的距离。

在步骤6)中，悬臂梁的自由端的位移即是被测纤维的变形，悬臂梁的受到的拉力 即是被测纤维所受的拉力，因此，得到悬臂梁的受力和悬臂梁的自由端的位移，就得到了被 测纤维的受力和变形，通过被测纤维的拉力和变形绘制被测纤维的力-位移曲线。

本实用新型的优点：