[发明专利]基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机

说明书

技术领域

本发明涉及一种对宏观尺度单轴向应力下的金属或非金属材料的典型试样、薄膜进行静动态力学性能测试的加载实验机，尤其适用于激光扫描共聚焦显微镜下的专用加载实验机，属于实验力学装置技术领域。 

背景技术

对于材料的力学性质的研究，一直是力学、机械、土木等多种工程领域关注的问题。最为常见的力学参数测试方法是单轴拉伸法，它测量弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最为直接。随着实验力学的发展，一些典型的光学测试方法，如云纹法、数字散斑相关方法被应用到了高分辨率显微镜中，使得观测尺度、精度都已达到微纳米量级。同时为了使高分辨率显微镜和光学方法应用到材料的力学性能测试中，一些高分辨率显微镜下的加载装置被发展了。 

20世纪80年代发展起来的激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscopy-LSCM)是当今生物学的研究领域中的一种先进的图像采集和分析仪器，被广泛应用于生物学的各个领域。传统的光学显微镜由于衍射极限的限制其空间分辨率受到了限制，而激光扫描共聚焦显微镜利用激光作为照明光源，在传统的光学显微镜的基础上采用了共轭聚焦的原理和扫描成像装置，大大提高了其空间分辨率，大约是普通光学显微镜的3倍。同时由于系统是在光学显微镜基础上设计完成的因此其对工作环境无特殊要求，相比其他高分辨率显微镜其测量过程的相对简单。 

现有常见的高分辨率显微镜下的加载装置主要是扫描电子显微镜(一种电子显微镜)下的加载装置和原子力显微镜(一种扫描探针显微镜)下的加载装置，它们存在的问题和缺陷主要有：一是扫描电子显微镜需要在真空环境下做测量，操作过程复杂、加载的试件和加载的方式都有限制；二是扫描电子显微镜只能观测导体，对于非导体需要镀金但往往会损失试件表面的信息，如在运用云纹法测试时将损坏试件表面预置的光栅；三是原子力显微镜的观测范围非常小，物体表面的粗糙度和物体的变形只能限制在纳米级别的范围内，无法应对常见试件的加载。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，可以实现对宏观尺度单轴向应力下的金属或非金属材料的典型试样、薄膜进行静动态力学性能的测试。该装置可以实现在激光共聚焦显微镜平台下单轴拉压、高频疲劳加载，能够根据不同研究对象和目的实现不同的加载方式。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于激光共聚焦显微镜的拉压及疲劳加载实验机，其特征在于：它包括固定基板，拉压加载装置，夹持装置，疲劳加载装置、力传感器以及相移装置；所述的拉压加载装置包括步进电机及其控制器，蜗轮蜗杆传动机构以及丝杠螺母机构；所述的夹持装置包括移动端夹座、固定端夹座和导轨滑块机构，移动端夹座设置在滑块上，所述的力传感器固定在固定基板上；所述的疲劳加载装置包括第二压电陶瓷和连接板，所述的第二压电陶瓷通过连接板与移动端夹座连接；所述的相移装置包括悬臂支架和第一压电陶瓷，所述的悬臂支架由固定板和悬臂杆构成，所述的第一压电陶瓷设置在悬臂杆的顶端，并与固定基板固定；在固定基板的中部设置显微镜观测窗，所述的移动端夹座和固定端夹座位于显微镜观测窗内。 

本发明的技术特征还在于：移动端夹座和固定端夹座所在的水平面和丝杠螺母的中心线不在同一水平面内，移动端夹座和固定端夹座的底面距固定基板的下底面为1～3毫米，保证试件位于垂直于固定基板且由下往上观测的显微镜镜头的焦距内，以实现显微镜的观测。 

上述技术方案中，所述导轨滑块机构中的滑块采用阶梯形，所述的移动端夹座设置在阶梯的下平面，阶梯的上部与丝杠螺母机构中的螺母活连接；所述的固定端夹座通过折形板与力传感器连接。疲劳驱动装置和相移装置共享一块可拆卸的压电陶瓷，将丝杠螺母机构中的螺母和滑块固定，撤去疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的拉压加载；将丝杠螺母机构中的螺母和滑块断开连接，装上疲劳加载装置中的第二压电陶瓷15b，可以实现试件的疲劳加载。所述的移动端夹座和固定端夹座采用压板式结构。