考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，测试装置包括z轴精密定位单元、压痕力加载及检测单元、压入深度检测单元、两自由度粘滑式压电精密定位平台。压痕力加载及检测单元安装在z轴精密定位单元上，压入深度检测单元安装在压痕力加载及检测单元上，两自由度粘滑式压电精密定位平台安装在z轴精密定位单元上。优点在于：装置考虑了力传感器的变形，通过力传感器和电容式位移传感器的合理布置方式，从结构上避免了由于力传感器变形带来的测量误差，可以得到更精确的压痕深度值，提高了测试精度。装置结构紧凑、尺寸小，具有大范围高精度的二自由度定位能力，可以方便地安装在扫描电子显微镜内对材料进行原位压痕测试。

In situ indentation test device and method considering deformation of force sensor

【技术实现步骤摘要】
考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法
本专利技术涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，其结合了精密驱动技术与原位测试技术，拥有较高的检测精度以及较小的外部尺寸，可用于在扫描电子显微镜的实时监测下，对不同材料进行原位压痕测试试验，以探究材料在微纳米尺度下的力学性能与变形机制。
技术介绍
材料的力学性能直接影响了材料的应用场合与使用寿命，材料的宏观破坏源自于微观的变形，而如拉伸试验、硬度测试等传统的力学性能测试方法很难直接用来研究材料的微观力学性能与变形机制。在传统硬度测试的基础上，具有操作简单、分辨率高、可获得信息丰富等优点的压痕测试技术得到了深入发展，而随着微纳米技术与电子显微技术的进步，原位压痕测试方法应运而生，仪器化原位压痕测试装置的开发也受到了国内外学者的关注。瑞士联邦材料测试与研究实验室R.Rabe等人于2004年在《AdvancedEngineeringMaterials》第7卷第388-392页提出了一种结构比较紧凑的原位压痕测试装置，可以内置在SEM内实现材料的原位压痕试验，得到实时压痕图像以及压入载荷-深度关系，结构布置如附图6所示，通过手动调节z轴螺旋纽调整试件与压头之间的距离，将力传感器放置在粘滑式x、y轴压电精密定位平台上，应变仪作为位移传感器内置在z轴压痕头中，这种布置方式，位移传感器测量的位移值实质上包含了力传感器的变形，与压入深度并不相等。在此结构的基础上，R.Ghisleni于2009年在《MicroscopyResearchandTechnique》第72卷第242-249页提出了一种改进型，将手动调节z轴螺旋纽调整为步进电机自动调整。Alemnis公司已经将他们的设计商业化。苏黎世联邦理工学院J.M.Wheel等人于2015年在《CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience》第19卷第354-366页提出了一种适用于高温条件下的原位压痕测试装置，同样是采用与上述相同的，将力传感器放置在粘滑式x、y轴压电精密定位平台上，应变仪作为位移传感器内置在z轴压痕头中的结构布置，并且加入了加热与冷却系统，可以实现在高温条件下的原位压痕试验。国内吉林大学黄虎等人于2011年在《AdvancedMaterialsResearch》第314-316卷第1792-1795页提出了一种小型化纳米压痕装置，采用了直动式压电驱动x、y轴移动平台，力传感器同样是放置在x、y轴移动平台上，位移传感器并未像上述纳米压痕仪器一样集合在压痕头内，而是与压痕头分别用手动螺旋微驱动平移台来调整与试件之间的距离，该装置并未实现在SEM内的原位压痕试验。吉林大学黄虎等人于2012年在《AIPAdvance》第2卷第012104页提出了一种可内置在SEM内的原位压痕测试装置，该装置不同于传统的原位压痕测试装置，采用了将压头固定，z轴驱动平台安装在试件与力传感器的下方，来驱动试件逼近压头的结构，试件与压头距离的粗调整是通过手动螺旋微驱动平移台来实现，位移传感器安装在z轴驱动平台上，该装置实现了内置在SEM内的原位压痕试验，然而它的安装方式也没有解决压入深度测量值包含了力传感器变形的问题。综上，在原位压痕测试装置中，力传感器的柔度往往是最大的，忽略它的变形会严重影响测试精度，通过后续算法处理的方式消除包含的力传感器变形又会大大增加校准难度，因此，开发一种从结构上可以避免力传感器变形引起的压入深度测量误差的原位压痕测试装置将会提升检测精度、简化实验步骤，对推动原位压痕测试的应用有着重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题，提升了检测精度，可以方便地实现对材料的原位压痕测试，在航空航天、材料科学、超精密加工等领域具有广泛的应用前景。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，包括z轴精密定位单元1、压痕力加载及检测单元2、压入深度检测单元3、两自由度粘滑式压电精密定位平台4。其中压痕力加载及检测单元2安装在z轴精密定位单元1的导轨滑块组件102上；压入深度检测单元3安装在压痕力加载及检测单元2的柔性铰链机构b201上；两自由度粘滑式压电精密定位平台4安装在z轴精密定位单元1的底板101上。装置的总体尺寸为50mm×90mm×120mm。装置完成装配后，可以安装在扫描电子显微镜真空腔的载物台上，进行原位压痕试验，利用扫描电子显微镜得到的原位图像以及传感器得到的载荷、深度数据，可以直观分析材料的微观力学性能以及变形机制。所述的z轴精密定位单元1由底板101、导轨滑块组件102、柔性铰链机构a103、压电叠堆a104、楔形块组合a105组成。其中柔性铰链机构a103和导轨滑块组件102安装到底板101上；压电叠堆a104安装在柔性铰链机构a103的方槽里且通过楔形块组合a105预紧。z轴精密定位单元1本质上是一种粘滑式压电驱动器，通过给压电叠堆a104施加控制电压来驱动导轨滑块组件102沿z轴正反向运动，进而精密调整压痕力加载及检测单元2中金刚石压头208与试件之间的距离。具体调整方法：调整z轴精密定位单元1，使得金刚石压头208靠近试件，通过力传感器204来初始判断金刚石压头208与试件的接触，当力传感器204有示数变化时，说明金刚石压头208与试件已经接触，此时反向调整z轴精密定位单元1，使得压痕力加载及检测单元2沿反方向移动一段距离(5μm-10μm)，初始位置调整好以后，准备开始压入试件。所述的压痕力加载及检测单元2由柔性铰链机构b201、压电叠堆b202、楔形块组合b203、力传感器204、测量板205、压头夹持器206、螺钉a207、金刚石压头208组成。其中压电叠堆b202安装在柔性铰链机构b201的方槽内并通过楔形块组合b203预紧；力传感器204安装在柔性铰链机构b201上；测量板205安装在力传感器204上；压头夹持器206安装在力传感器204上；金刚石压头208安装在压头夹持器206上并通过螺钉a207预紧。压电叠堆b202提供压入运动所需的力与位移。柔性铰链机构b201对压电叠堆b202的输出进行传递并作为压入运动的动力源，同时柔性铰链机构b201中的柔性环节作为解耦环节，可以保证输出位移方向为竖直方向。力传感器204用来实时检测记录压痕力的大小。测量板205作为压入深度检测单元3里的电容式位移传感器305的测量目标。力传感器204的柔度在整个系统中是最大的，之前学者设计的装置里多采用了如附图6所示的布置方式，这样的布置方式会使得位移传感器的测量值包含了力传感器的变形，不完全等于压入深度，这样的布置方式就会产生测量误差，消除该误差还需要复杂的后续算法处理，大大增加了校准难度。而本文采用了如附图5所示的布置方式，将测量板205放在力传感器204的下方，电容式位移传感器305测量的位移值就避免了力传感器204的柔度而引起的变形，可以较为方便地得到准确的压入深度值。金刚石压头208连续压入试件以及卸载的过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：由z轴精密定位单元(1)、压痕力加载及检测单元(2)、压入深度检测单元(3)、两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)组成；其中压痕力加载及检测单元(2)安装在z轴精密定位单元(1)的导轨滑块组件(102)上；压入深度检测单元(3)安装在压痕力加载及检测单元(2)的柔性铰链机构b(201)上；两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)安装在z轴精密定位单元(1)的底板(101)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：由z轴精密定位单元(1)、压痕力加载及检测单元(2)、压入深度检测单元(3)、两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)组成；其中压痕力加载及检测单元(2)安装在z轴精密定位单元(1)的导轨滑块组件(102)上；压入深度检测单元(3)安装在压痕力加载及检测单元(2)的柔性铰链机构b(201)上；两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)安装在z轴精密定位单元(1)的底板(101)上。


2.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的z轴精密定位单元(1)由底板(101)、导轨滑块组件(102)、柔性铰链机构a(103)、压电叠堆a(104)、楔形块组合a(105)组成；其中柔性铰链机构a(103)和导轨滑块组件(102)安装到底板(101)上；压电叠堆a(104)安装在柔性铰链机构a(103)的方槽内，且通过楔形块组合a(105)预紧。


3.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的压痕力加载及检测单元(2)由柔性铰链机构b(201)、压电叠堆b(202)、楔形块组合b(203)、力传感器(204)、测量板(205)、压头夹持器(206)、螺钉a(207)、金刚石压头(208)组成；其中压电叠堆b(202)安装在柔性铰链机构b(201)的方槽内并通过楔形块组合b(203)预紧；力传感器(204)安装在柔性铰链机构b(201)上；测量板(205)安装在力传感器(204)上；压头夹持器(206)安装在力传感器(204)上；金刚石压头(208)安装在压头夹持器(206)上并通过螺钉a(207)预紧。


4.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的压入深度检测单元(3)由手动精密平移台(301)、位移传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，李轩，王馗沣，杨智鑫，孙午向，徐智，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22