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专利名称：材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置及方法
技术领域：
本发明属于仪器测量类，尤其涉及材料显微静力测量的装置及控制方法。
背景技术：
目前，对新型功能材料、纳米材料，以及微电子器件、微机械的开发、材料力学量等方面，急需简单、可靠、非接触式的，且具有位移、变形、应力、转角等测试功能的测试装置和方法。但目前公知的材料显微静力测量的仪器及控制方法，一方面是采用常规的显微镜，在试件的表面上贴制有测试纸来进行观察和测量，但其观察效果差，测量精度低，无法满足对上述材料的细微观察和精确测量。另一方面采用先进、昂贵、操作方法繁多的电子显微镜，但由于缺乏测量方法，同样也无法对新型功能材料、纳米材料的微观构造，及材料力学等方面进行细微观察和精确测量，因而给新材料，新设备的研究、制造等都带来许多的不便和困难。

发明内容
本发明的目的是提供一种材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置及方法，解决上述难题，以满足人们对新型功能材料、纳米材料、新设备等方面细微观察和精确测量的需要。
本发明的目的是这样实现的材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置，由显微镜、静力加载装置、信号采集器、图像采集卡、微处理器、显示器、光源器和电源构成。本发明在显微镜上设置有静力加载装置，显微镜的目镜处设置有信号采集器，信号采集器由导线与图像采集卡、微处理器、显示器顺序连接，微处理器并由导线分别与电源、静力加载装置连接，光源器还由导线与电源连接。
材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置的控制方法，包括下列步骤1，开始；2，调节试件位置初加载，施加光源；3，采集测量信号，并输入图像采集卡进行A/D转换及存储；4，由微处理器对图像采集卡输入的测量数据信号进行计算和处理，并作信号判断，若是，则显示输出结果；并，设置静力增量载荷、调节光学成像系统，重复3，4的步骤，直至完成试件材料显微结构的静力载荷测试。
由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有以下的优点1.显微成像部分载物台与显微物镜之间调节焦距达150mm，可放置大型材料、构件及加载设备等，便于在力场作用下，对材料的位移、变形、应变、应力进行测量，同时也可对材料微结构组织形貌进行观测。
2.配置不同放大倍数的显微物镜，可进行不同灵敏度和试件精度表面位移的测量。在x50情况下，精度可达0.1nm。
3.测控装置上设备配有X-Y移动台架，和中心定位调节加载装置，便于试件中心的快速定位和高精度调节。
4.测控装置自行调节控制，显示器或打印机即时输出测量结果，操作方便，测量精确。


图1是本发明的一种控制装置的形状结构示意图；图2是本发明的一种控制装置的结构框图；图3是本发明的一种控制方法流程示意图。
图中1，显微镜 2，显微目镜 3，静力加载装置 3-1，夹具 3-2，动滑块3-3，调节螺杆 3-4，电机 4，采集装置 5，图像采集卡 6，电源7，微处理器8，显示器 9，光源器10，试件具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施作如下详述在图1中，显微镜1的载物台上设置有静力加载装置3。显微镜1可采用配置不同放大倍数的显微物镜，如OLYMPUS型工业显微镜，其最小放大倍数为50倍，最大放大倍数为2000倍，并配有长焦距物镜。显微镜1也可采用偏光显微镜，其放大倍数可随所测试件细微结构的不同而选择不同的型号。显微镜1上设置有光源器9，其有导线与电源6连接，用于观察测量光源。显微镜1载物台与显微物镜之间设置有160-200mm的空间，用于放制置大块体材料、构件，并可放置加载设备，及操作时可方便调节焦距达150mm以上，便于在力场作用下，对材料的微结构组织形貌及位移、变形、应变、应力等进行测量和观测。显微镜1上的显微目镜2处设置有采集装置4，采集装置4可采用摄像机，直接将显微目镜2所摄取的试件10的材料显微结构图像转换为电信号，通过图像采集卡5输入微处理器7。载物台上设置的静力加载装置3，可采用中心定位式的静力加载装置；其中心定位式的静力加载装置3上设置有调节螺杆3-3，调节螺杆3-3上设置有左右方向相反的螺纹；左右方向相反的螺纹处分别设置有两动滑块3-2，两动滑块3-2上分别设置有夹具3-1，两夹具3-1的中心部用于放置测试材料10。调节螺杆3-3的一端设置有趋动电机(及变速齿轮)3-4，电机3-4并有导线与微处理器7连接。当微处理器7对静力加载装置3调控静力载荷时，可输出控制电源趋动电机3-4及调节螺杆3-3旋转，使调节螺杆3-3上设置的两动滑块3-2同时朝相反方向拉伸，从而保持试件10在观察中心快速定位，和达到调节静力载荷的目的。
为进行不同灵敏度和试件精度表面的位移、及材料静力力学量参数的测量，可在显微镜1的测控装置上设有X-Y移动台架，便于对试件10进行平面和垂直方向的观察和测量。
在图2中，信号采集器4由导线与图像采集卡5、微处理器7、显示器8顺序连接，微处理器7并由导线分别与电源6、静力加载装置3连接，光源器9还由导线与电源6连接。其中，信号采集器4，用于将光学成像系统在力场下所成的材料微结构组织形貌及位移、变形、应变、应力等散斑图像抽样成模拟电信号，输送到图像采集卡6及微处理器7中进行存储和处理。其可采用CCD型摄像机，如WV-CP410/G型的摄像机。
图像采集卡5，其内带有A/D转换，用于将信号采集器4抽样的模拟电信号转换成数字电信号，完成A/D转换，并将数据测量信号输入微处理器7；其可采用CA-CPE-1000型，该采集卡的A/D转换器可采用PCI总线结构与微处理器7相连，最大分辩率为768 X576 X 32bit，灰度精度为±1/256，点阵扰动不大于10ns。
微处理器7，用于对图像采集卡所输入的数字散斑场按照一定的处理程序进行计算、处理；其可采用奔腾233或更高类型的微处理器，内存要求64M以上。
显示器8，用于显示微处理器7的计算结果，可采用彩色显示器或彩色打印机，直接以图像或纸件的方式显示材料显微结构的力学测量结果。
光源器9，用于观察测量光源，可采用反射式光源，也可采用透射式光源，或偏光式光源。
电源6，可直接将市电220V交流电经降压，整流，滤波，稳压，成为控制装置及微处理器7等元器件所需的直流电源。
在图3中，1，开始，接通市电220V交流电源，及启动微处理器(计算机)7。
2，将试件10紧固置于静力加载装置3的两夹具3-1上，并由微处理器(计算机)7向趋动电机3-4输出初次加载的控制电源，使中心定位式的静力加载装置3上的两动滑块3-2产生反向静拉力，使试件10快速定位处于显微镜1的目镜2下端的中心。并操作调节光学成像系统，使得试件10所观测部分成为清晰的图像。
3，由设置在显微镜1的目镜2上端的信号采集器(CCD型摄像机)4，摄取其观察区域内初载静拉力试件10的散斑灰度场电信号，输送到图像采集卡5进行A/D转换及存储，并将测量的数据信号输送到微处理器7。
4，微处理器7对由图像采集卡5输入的初载静拉力试件10的散斑灰度场电信号，进行计算和处理；并将初载静拉力试件10的散斑灰度分布场处理的(如x向位移场(u)、应变场(εx、εxy)，y向位移场(v)、应变场(εy、εxy)及其应力场等)电信号，输送到显示器8。
显示器8将微处理器7输入的初载静拉力试件10的散斑灰度场的处理电信号，直接显示其数据或图像的测量结果，也可输出数据或图像打印的测量结果。
微处理器7在对图像采集卡5输入的初载静拉力试件10的散斑灰度分布场的电信号，进行计算和处理时，继续向静力加载装置3输出设置的静力增量载荷，以及操作调节光源器9的光学成像系统，以得到试件10的清晰观测图像。并重复上述3，4的步骤，直至完成试件材料显微结构的全部，和全过程的静力载荷测试。并由显示器8输出测量试件10的材料微结构组织的形貌及位移、变形、应变、应力等全部和全过程的测试结果。
权利要求
1.一种材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置，由显微镜、静力加载装置、信号采集器、图像采集卡、微处理器、显示器、光源器和电源构成，其特征在于，显微镜上设置有静力加载装置，显微镜的目镜处设置有信号采集器，信号采集器由导线与图像采集卡、微处理器、显示器顺序连接，微处理器并由导线分别与电源、静力加载装置连接，光源器还由导线与电源连接。
2.一种材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置的控制方法，包括下列步骤1)开始；2)调节试件位置初加载，施加光源；3)采集测量信号，并输入图像采集卡进行A/D转换及存储；4)由微处理器对图像采集卡输入的测量数据信号进行计算和处理，并作信号判断，若是，则显示输出结果；并，设置静力增量载荷、调节光学成像系统，重复3)、4)的步骤，直至完成试件材料显微结构的静力载荷测试。
3.根据权利要求1所述的一种材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置，其特征在于，信号采集器为摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种材料显微结构测试仪的静力载荷测控装置，其特征在于，静力加载装置为中心定位调节加载式装置。
全文摘要
本发明在显微镜上设置有静力加载装置,显微目镜处设有信号采集器,信号采集器由导线与图像采集卡、微处理器、显示器顺序连接,微处理器并由导线分别与电源、静力加载装置连接,光源器还由导线与电源连接。控制方法有:1,开始;2,调节试件位置初加载,施加光源;3,采集测量信号,并输入图像采集卡进行A/D转换及存储;4,由微处理器对图像采集卡输入的测量数据信号进行计算和处理,并作信号判断,若是,则显示输出结果;并,设置静力增量载荷、调节光学成像系统,重复3,4的步骤,直至完成试件材料显微结构的静力载荷测试。由此本发明在对材料的位移、变形、应变、应力,和微结构组织形貌观测时具有测量精确、快速方便。
文档编号G01N3/08GK1380540SQ02116908
公开日2002年11月20日 申请日期2002年4月26日 优先权日2002年4月26日
发明者李鸿琦, 邢冬梅, 佟景伟, 马世虎, 李林安, 王世斌 申请人:天津大学