專利名稱：全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機電一體化的精密科學儀器領域，特別涉及一種集精密驅動、檢測、原位測試為一體的小型化的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置。
背景技術：
原位納米壓/劃痕測試技術是近幾年發(fā)展起來的一項國際前沿技術，一經(jīng)提出就受到各國政府和研究機構的高度重視，相關研究成果受到《NatUre》、《SCienCe》等頂級期刊多次報道。瑞士聯(lián)邦理工和美國的Hysitron公司在原位壓痕測試方面所做的工作最具代表性，目前Hysitron公司已推出了商業(yè)化的原位納米壓痕儀，但是高昂的價格嚴重阻礙了該產(chǎn)品的廣泛推廣使用。而我國在納米壓痕測試裝置研制開發(fā)方面起步較晚，目前尚未出現(xiàn)商業(yè)化的納米壓痕儀，所以就更不用說對原位納米壓痕儀的研制。原位納米壓/劃痕測試技術相對于離位納米壓/劃痕測試技術來說其難度主要是需要測試裝置的小型化并保證測試功能。小型化就對測試裝置的驅動和檢測單元提出了要求，許多離位納米壓/劃痕測試裝置中能夠使用的驅動和檢測單元由于體積龐大無法實現(xiàn)裝置的小型化，所以就需要有新穎的驅動和檢測方式以及巧妙的結構設計來開發(fā)緊湊的測試裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，解決了現(xiàn)有技術存在的上述問題。 本實用新型利用應變檢測技術、宏微混合驅動技術設計一種結構緊湊的全應變測量式納米壓/劃痕測試裝置，實現(xiàn)材料在電子顯微鏡內(nèi)的原位納米壓/劃痕測試，該裝置主要由宏動調(diào)整機構、精密壓入單元、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅動單元等組成。宏動調(diào)整機構實現(xiàn)金剛石工具頭的快速粗調(diào)整；精密壓入單元實現(xiàn)金剛石工具頭對試件表面的壓入壓出過程；載荷與位移信號檢測單元實現(xiàn)在金剛石工具頭壓入壓出試件過程中壓入載荷與深度的檢測；劃痕驅動單元用于試件的劃痕測試。本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn)全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，包括宏動調(diào)整機構、精密壓入單元、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅動單元，所述宏動調(diào)整機構安裝在基座I上；精密壓入單元通過過渡連接板17連接在宏動調(diào)整機構的z向滑臺15上；載荷與位移信號檢測單元包含二組八片應變片11，通過內(nèi)嵌的方式分別安裝在精密壓入單元的載荷檢測用柔性鉸鏈12和z向柔性鉸鏈14上；劃痕驅動單元通過螺釘與基座I相連接。所述的宏動調(diào)整機構包括電機安裝座2、螺釘3、步進電機4、^向滑臺15、^向導軌16、過渡連接板17、粗調(diào)整旋鈕18及聯(lián)軸器19，所述步進電機4通過螺釘3分別與電機安裝座2及剛度增強板5進行連接，所述步進電機4的輸出軸通過聯(lián)軸器19與粗調(diào)整旋鈕18連接，所述步進電機4的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器19進行轉動，又可以沿著聯(lián)軸器19的軸線進行移動，通過類似螺旋測微儀原理將步進電機4輸出動力轉化成z向滑臺15及其以上部件沿z向導軌16的直線運動，從而實現(xiàn)宏動調(diào)整。所述的精密壓入單元包括金剛石工具頭10、載荷檢測用柔性鉸鏈12、X向壓電疊堆13、及z向柔性鉸鏈14，所述金剛石工具頭10安裝在載荷檢測用柔性鉸鏈12前端的安裝孔內(nèi)，并通過鎖緊螺釘鎖緊；所述載荷檢測用柔性鉸鏈12通過螺釘與z向柔性鉸鏈14的輸出部分連接；所述Z向壓電疊堆13緊配合安裝在z向柔性鉸鏈14的槽內(nèi)。所述的載荷與位移信號檢測單元由二組八片應變片組成，每四片為一組分別粘貼在柔性鉸鏈12和z向柔性鉸鏈14的彈性敏感區(qū)域，根據(jù)應變測量原理實現(xiàn)對載荷和位移的檢測。所述的劃痕驅動單元由z向鉸鏈7及z向壓電疊堆9組成,所述^向鉸鏈7通過螺釘與基座I連接，所述z向壓電疊堆9緊配合安裝在z向鉸鏈7中間的槽內(nèi)；在2向鉸鏈7后方設置有剛度增強板5，預緊螺釘6通過剛度增強板5上方的螺紋孔施加給z向鉸鏈7一定的預緊力以增加系統(tǒng)剛度。所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置安裝在觀測裝置的載物臺上實現(xiàn)對材料的原位壓/劃痕測試，所述觀測裝置為掃描電子顯微鏡SEM或X射線衍射儀等。本實用新型的有益效果在于設計新穎，結構簡單、巧妙，體積小。利用步進電機和壓電疊堆混合驅動技術設計了結構緊湊的宏動調(diào)整與精密壓入單元，利用內(nèi)嵌的應變片測量單元實現(xiàn)了對載荷和位移的精密檢測，設計了劃痕驅動單元實現(xiàn)了測試裝置的刻劃功能，整機結構緊湊，可安置于掃描電子顯微鏡(SEM)或X射線衍射儀等觀測裝置的載物臺上實現(xiàn)對材料的原位觀測。本實用新型可以為材料科學、納米技術、生物醫(yī)學等領域前沿科學研究提供強有力的技術支持。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的劃痕驅動單元的結構示意圖；圖3為本實用新型的精密壓入單元和載荷與位移信號檢測單元的結構示意圖。圖中1、基座；2、電機安裝座；3、螺釘；4、步進電機；5、剛度增強板；6、預緊螺釘；
7、z向鉸鏈；8、被測試件；9、z向壓電疊堆；10、金剛石工具頭；11、應變片；12、載荷檢測用柔性鉸鏈；13、z向壓電疊堆；14、z向柔性鉸鏈；15、z向滑臺；16、z向導軌；17、過渡連接板；18、粗調(diào)整旋鈕；19、聯(lián)軸器。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖1至圖3，本實用新型的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，包括宏動調(diào)整機構、精密壓入單元 、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅動單元，所述宏動調(diào)整機構安裝在基座I上；精密壓入單元通過過渡連接板17連接在宏動調(diào)整機構的Z向滑臺15上；載荷與位移信號檢測單元包含二組八片應變片11，通過內(nèi)嵌的方式分別安裝在精密壓入單元的載荷檢測用柔性鉸鏈12和z向柔性鉸鏈14上；劃痕驅動單元通過螺釘與基座I相連接。所述的宏動調(diào)整機構包括電機安裝座2、螺釘3、步進電機4、^向滑臺15、^向導軌16、過渡連接板17、粗調(diào)整旋鈕18及聯(lián)軸器19，所述步進電機4通過螺釘3分別與電機安裝座2及剛度增強板5進行連接，所述步進電機4的輸出軸通過聯(lián)軸器19與粗調(diào)整旋鈕18連接，所述步進電機4的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器19進行轉動，又可以沿著聯(lián)軸器19的軸線進行移動，通過類似螺旋測微儀原理將步進電機4輸出動力轉化成z向滑臺15及其以上部件沿^向導軌16的直線運動，從而實現(xiàn)宏動調(diào)整。所述的精密壓入單元包括金剛石工具頭10、載荷檢測用柔性鉸鏈12、X向壓電疊堆13、及z向柔性鉸鏈14，所述金剛石工具頭10安裝在載荷檢測用柔性鉸鏈12前端的安裝孔內(nèi)，并通過鎖緊螺釘鎖緊；所述載荷檢測用柔性鉸鏈12通過螺釘與z向柔性鉸鏈14的輸出部分連接；所述Z向壓電疊堆13緊配合安裝在z向柔性鉸鏈14的槽內(nèi)。所述的載荷與位移信號檢測單元由二組八片應變片組成，每四片為一組分別粘貼在柔性鉸鏈12和z向柔性鉸鏈14的彈性敏感區(qū)域，根據(jù)應變測量原理實現(xiàn)對載荷和位移的檢測。所述的劃痕驅動單元由z向鉸鏈7及z向壓電疊堆9組成,所述^向鉸鏈7通過螺釘與基座I連接，所述z向壓電疊堆9緊配合安裝在z向鉸鏈7中間的槽內(nèi)；在2向鉸鏈7后方設置有剛度增強板5，預緊螺釘6通過剛度增強板5上方的螺紋孔施加給z向鉸鏈7一定的預緊力以增加系統(tǒng)剛度。所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置安裝在觀測裝置的載物臺上實現(xiàn)對材料的原位壓/劃痕測試，所述觀測裝置為掃描電子顯微鏡SEM或X射線衍射儀等。
參見圖1，本實用新型的步進電機4通過電機安裝座2和剛度增強板5與基座I連接，步進電機4的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器19進行轉動，又可以沿著聯(lián)軸器19的軸線進行移動，利用類似螺旋測微儀原理步進電機4輸出動力轉化成z向滑臺15及其以上部件沿z向導軌16的直線運動，從而精密壓入單元和載荷與位移信號檢測單元沿z軸的粗調(diào)整。參見圖1及圖2，劃痕驅動單元通過平行四邊形放大原理實現(xiàn)被測試件8沿z向的運動放大，彌補壓電疊堆直接驅動輸出位移小的不足。參見圖1至3，被測試件8安裝在劃痕驅動單元前端，當金剛石工具頭10通過宏動調(diào)整機構靠近被測試件8表面后，停止宏動調(diào)整機構，給精密壓入單元中z向壓電疊堆13供電，在逆壓電效應作用下壓電疊堆伸長，推動z向柔性鉸鏈14前端的彈性敏感區(qū)域產(chǎn)生變形，形成沿著z向直線精密運動，帶動其上安裝的載荷檢測用柔性鉸鏈12產(chǎn)生同步直線運動，使金剛石工具頭10進一步靠近被測試件8表面。當金剛石工具頭10與被測試件8表面接觸后，載荷檢測用柔性鉸鏈12前端彈性敏感區(qū)域受力產(chǎn)生變形。根據(jù)應變測量原理，通過換算Z向柔性鉸鏈14前端的一組四片應變片變形可以標定得到金剛石工具頭的位移兄；通過換算載荷檢測用柔性鉸鏈12前端一組四片應變片變形可以標定得到金剛石工具頭對試件表面的壓入載荷八同時可以得到壓入載荷反作用下載荷檢測用柔性鉸鏈12前端彈性敏感區(qū)域沿著z反方向的變形通過標定得到載荷作用下試件及劃痕驅動單元沿著Z向的變形為最終可以得到最終金剛石工具頭對試件表面的壓入載荷為P,壓入深度h- S1- S2- S3O[0028]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求1.一種全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于包括宏動調(diào)整機構、精密壓入單元、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅動單元，所述宏動調(diào)整機構安裝在基座(I)上；精密壓入單元通過過渡連接板(17)連接在宏動調(diào)整機構的Z向滑臺(15)上；載荷與位移信號檢測單元包含二組八片應變片(11)，通過內(nèi)嵌的方式分別安裝在精密壓入單元的載荷檢測用柔性鉸鏈(12)和z向柔性鉸鏈(14)上；劃痕驅動單元通過螺釘與基座(I)相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于所述的宏動調(diào)整機構包括電機安裝座(2)、步進電機(4)、^向滑臺(15)、^向導軌(16)、過渡連接板(17)、粗調(diào)整旋鈕(18)及聯(lián)軸器(19)，所述步進電機(4)分別與電機安裝座(2)及剛度增強板(5)進行連接，所述步進電機(4)的輸出軸通過聯(lián)軸器(19)與粗調(diào)整旋鈕(18)連接，所述步進電機(4)的輸出軸既可以隨著聯(lián)軸器(19)進行轉動，又可以沿著聯(lián)軸器(19)的軸線進行移動，將步進電機(4)輸出動力轉化成z向滑臺(15)及其以上部件沿z向導軌(16)的直線運動，從而實現(xiàn)宏動調(diào)整。
3.根據(jù)權利要求1所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于所述的精密壓入單元包括金剛石工具頭(10)、載荷檢測用柔性鉸鏈(12) J向壓電疊堆(13)、及Z向柔性鉸鏈(14)，所述金剛石工具頭(10)安裝在載荷檢測用柔性鉸鏈(12)前端的安裝孔內(nèi)；所述載荷檢測用柔性鉸鏈(12)與z向柔性鉸鏈(14)的輸出部分連接；所述z向壓電疊堆(13)緊配合安裝在z向柔性鉸鏈(14)的槽內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于所述的載荷與位移信號檢測單元由二組八片應變片組成，每四片為一組分別粘貼在柔性鉸鏈(12)和z向柔性鉸鏈(14)的彈性敏感區(qū)域，根據(jù)應變測量原理實現(xiàn)對載荷和位移的檢測。
5.根據(jù)權利要求1所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于所述的劃痕驅動單元由z向鉸鏈(7)及z向壓電疊堆(9)組成，所述z向鉸鏈(7)與基座(I)連接，所述z向壓電疊堆(9)緊配合安裝在z向鉸鏈(7)中間的槽內(nèi)；在2向鉸鏈(7)后方設置有剛度增強板(5)，預緊螺釘(6)通過剛度增強板(5)上方的螺紋孔施加給z向鉸鏈(7)—定的預緊力以增加系統(tǒng)剛度。
6.根據(jù)權利要求1所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，其特征在于所述的全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置安裝在觀測裝置的載物臺上實現(xiàn)對材料的原位壓/劃痕測試，所述觀測裝置為掃描電子顯微鏡SEM或X射線衍射儀。
專利摘要本實用新型涉及一種全應變測量式原位納米壓/劃痕測試裝置，屬于電一體化的精密科學儀器領域。包括宏動調(diào)整機構、精密壓入單元、載荷與位移信號檢測單元以及劃痕驅動單元，所述宏動調(diào)整機構安裝在基座上；精密壓入單元通過過渡連接板連接在宏動調(diào)整機構的x向滑臺上；載荷與位移信號檢測單元包含二組八片應變片，通過內(nèi)嵌的方式分別安裝在精密壓入單元的載荷檢測用柔性鉸鏈和x向柔性鉸鏈上；劃痕驅動單元通過螺釘與基座相連接。采用內(nèi)置的應變片進行信號檢測，使得整個測試裝置結構緊湊、體積小，便于整個測試裝置安裝于掃描電子顯微鏡(SEM)或X射線衍射儀等載物臺上實現(xiàn)材料的原位壓痕、劃痕測試，為研究材料的損傷機制提供技術支持。
文檔編號G01N3/42GK202903628SQ20122055254
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權日2012年10月26日
發(fā)明者黃虎, 趙宏偉, 史成利, 萬順光 申請人:吉林大學