薄膜拉伸机的测控虚拟仪器设计

  　　0　引言

　　光致弯曲薄膜材料的研究近年来取得了突破性进展,具有传递功率大、非接触、快速、精确、易操控、清洁等独特优点。光致弯曲薄膜材料已成为MEMS中重要的驱动材料,而其基本力学特性的研究,由于薄膜试件尺寸小、所需测量技术分辨率高等困难,目前远落后于材料光学性能和加工特性的研究,严重制约了MEMS的发展。开发设计出一套结构简单并且能够满足测试精度和试验需要的薄膜材料基本力学特性自动化测试设备显得尤为重要,对光致弯曲材料在MEMS领域的后续应用研究也具有重要的意义。

　　单轴拉伸测试[1-3]是测试材料应力-应变关系最直接的方法。从原理上讲,与传统的块状材料单轴拉伸试验方法相类似,要求分别测量位移和载荷量,实验数据也易于分析说明。根据单轴拉伸测试原理设计出的高分辨率拉伸机不仅可以测定弹性模量、屈服强度,而且还可以确定材料的极限强度、破坏应变等工程上更为关心的力学性能参数。该虚拟仪器程序就是基于单轴拉伸测试来研发的。

　　1　拉伸机的原理与组成

　　拉伸机的原理图[4]如图1所示。它采用步进电机作为驱动力的来源,使用精密定位平台作为传动机构来实现薄膜拉伸加载;采用位移检测装置来测量夹具间的位移变化,从而间接获得薄膜试件的变形量;采用力传感器来测量薄膜试件所承受的拉伸载荷;数据采集卡将力和位移传感器的输出信号采集到计算机中,并通过虚拟仪器对采集到的数据进行分析、处理和结果表达;同时,虚拟仪器还可以通过数据采集卡来控制步进电机的转速和转向,实现薄膜试件的拉伸加载。

　　图2为薄膜拉伸机的主体结构,其中,直线光栅位移检测装置,分辨率达到1μm;精密定位平台丝杠的导程为1 mm;两相混合式步进电机步距角为1·8°;步进电机由最大可实现步距角64细分的步进电机驱动器驱动;力传感器信号经自制电路板实现放大,主要元件为INA128PA双极型仪用运算放大器;拉伸力与拉伸位移信号分别与数据采集卡USB6009的相关端口相连,采集卡直接通过USB端口与计算机相连;另外还需36 V和±5 V三路输出的开关电源,给传感器与步进电机驱动器供电。测控程序需实现的主要目标是:控制拉伸机的拉伸速度应在0·1~1 mm /min的范围内可调;能够准确地采集薄膜试件的拉伸力与拉伸位移信息,并要能通过虚拟仪器界面直观观测,还需将这些数据以Excel文件格式保存到计算机硬盘中,以便后续的研究处理。

　　2　步进电机控制程序设计

　　步进电机是由64位细分驱动器驱动,驱动器的A+、A-端连接电机A相,B+、B-端连接电机B相。驱动器的CP端为脉冲信号输入端,输入脉冲信号的频率直接影响电机的转速;驱动器的DIR端为方向控制信号输入端,输入电平的高低直接决定电机的转向。