全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，属于电一体化的精密科学仪器领域。包括宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述宏动调整机构安装在基座上；精密压入单元通过过渡连接板连接在宏动调整机构的x向滑台上；载荷与位移信号检测单元包含二组八片应变片，通过内嵌的方式分别安装在精密压入单元的载荷检测用柔性铰链和x向柔性铰链上；划痕驱动单元通过螺钉与基座相连接。采用内置的应变片进行信号检测，使得整个测试装置结构紧凑、体积小，便于整个测试装置安装于扫描电子显微镜（SEM）或X射线衍射仪等载物台上实现材料的原位压痕、划痕测试，为研究材料的损伤机制提供技术支持。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种集精密驱动、检测、原位测试为一体的小型化的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置。
技术介绍
原位纳米压/划痕测试技术是近几年发展起来的一项国际前沿技术，一经提出就受到各国政府和研究机构的高度重视，相关研究成果受到《NatUre》、《SCienCe》等顶级期刊多次报道。瑞士联邦理工和美国的Hysitron公司在原位压痕测试方面所做的工作最具代表性，目前Hysitron公司已推出了商业化的原位纳米压痕仪，但是高昂的价格严重阻碍了该产品的广泛推广使用。而我国在纳米压痕测试装置研制开发方面起步较晚，目前尚未出现商业化的纳米压痕仪，所以就更不用说对原位纳米压痕仪的研制。原位纳米压/划痕测试技术相对于离位纳米压/划痕测试技术来说其难度主要是需要测试装置的小型化并保证测试功能。小型化就对测试装置的驱动和检测单元提出了要求，许多离位纳米压/划痕测试装置中能够使用的驱动和检测单元由于体积庞大无法实现装置的小型化，所以就需要有新颖的驱动和检测方式以及巧妙的结构设计来开发紧凑的测试装置。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。 本技术利用应变检测技术、宏微混合驱动技术设计一种结构紧凑的全应变测量式纳米压/划痕测试装置，实现材料在电子显微镜内的原位纳米压/划痕测试，该装置主要由宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元等组成。宏动调整机构实现金刚石工具头的快速粗调整；精密压入单元实现金刚石工具头对试件表面的压入压出过程；载荷与位移信号检测单元实现在金刚石工具头压入压出试件过程中压入载荷与深度的检测；划痕驱动单元用于试件的划痕测试。本技术的上述目的通过以下技术方案实现全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，包括宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述宏动调整机构安装在基座I上；精密压入单元通过过渡连接板17连接在宏动调整机构的z向滑台15上；载荷与位移信号检测单元包含二组八片应变片11，通过内嵌的方式分别安装在精密压入单元的载荷检测用柔性铰链12和z向柔性铰链14上；划痕驱动单元通过螺钉与基座I相连接。所述的宏动调整机构包括电机安装座2、螺钉3、步进电机4、^向滑台15、^向导轨16、过渡连接板17、粗调整旋钮18及联轴器19，所述步进电机4通过螺钉3分别与电机安装座2及刚度增强板5进行连接，所述步进电机4的输出轴通过联轴器19与粗调整旋钮18连接，所述步进电机4的输出轴既可以随着联轴器19进行转动，又可以沿着联轴器19的轴线进行移动，通过类似螺旋测微仪原理将步进电机4输出动力转化成z向滑台15及其以上部件沿z向导轨16的直线运动，从而实现宏动调整。所述的精密压入单元包括金刚石工具头10、载荷检测用柔性铰链12、X向压电叠堆13、及z向柔性铰链14，所述金刚石工具头10安装在载荷检测用柔性铰链12前端的安装孔内，并通过锁紧螺钉锁紧；所述载荷检测用柔性铰链12通过螺钉与z向柔性铰链14的输出部分连接；所述Z向压电叠堆13紧配合安装在z向柔性铰链14的槽内。所述的载荷与位移信号检测单元由二组八片应变片组成，每四片为一组分别粘贴在柔性铰链12和z向柔性铰链14的弹性敏感区域，根据应变测量原理实现对载荷和位移的检测。所述的划痕驱动单元由z向铰链7及z向压电叠堆9组成,所述^向铰链7通过螺钉与基座I连接，所述z向压电叠堆9紧配合安装在z向铰链7中间的槽内；在2向铰链7后方设置有刚度增强板5，预紧螺钉6通过刚度增强板5上方的螺纹孔施加给z向铰链7一定的预紧力以增加系统刚度。所述的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置安装在观测装置的载物台上实现对材料的原位压/划痕测试，所述观测装置为扫描电子显微镜SEM或X射线衍射仪等。本技术的有益效果在于设计新颖，结构简单、巧妙，体积小。利用步进电机和压电叠堆混合驱动技术设计了结构紧凑的宏动调整与精密压入单元，利用内嵌的应变片测量单元实现了对载荷和位移的精密检测，设计了划痕驱动单元实现了测试装置的刻划功能，整机结构紧凑，可安置于扫描电子显微镜(SEM)或X射线衍射仪等观测装置的载物台上实现对材料的原位观测。本技术可以为材料科学、纳米技术、生物医学等领域前沿科学研究提供强有力的技术支持。附图说明此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本技术的示意性实例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。图1为本技术的结构示意图；图2为本技术的划痕驱动单元的结构示意图；图3为本技术的精密压入单元和载荷与位移信号检测单元的结构示意图。图中1、基座；2、电机安装座；3、螺钉；4、步进电机；5、刚度增强板；6、预紧螺钉；7、z向铰链；8、被测试件；9、z向压电叠堆；10、金刚石工具头；11、应变片；12、载荷检测用柔性铰链；13、z向压电叠堆；14、z向柔性铰链；15、z向滑台；16、z向导轨；17、过渡连接板；18、粗调整旋钮；19、联轴器。具体实施方式以下结合附图进一步说明本技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图3，本技术的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，包括宏动调整机构、精密压入单元 、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述宏动调整机构安装在基座I上；精密压入单元通过过渡连接板17连接在宏动调整机构的Z向滑台15上；载荷与位移信号检测单元包含二组八片应变片11，通过内嵌的方式分别安装在精密压入单元的载荷检测用柔性铰链12和z向柔性铰链14上；划痕驱动单元通过螺钉与基座I相连接。所述的宏动调整机构包括电机安装座2、螺钉3、步进电机4、^向滑台15、^向导轨16、过渡连接板17、粗调整旋钮18及联轴器19，所述步进电机4通过螺钉3分别与电机安装座2及刚度增强板5进行连接，所述步进电机4的输出轴通过联轴器19与粗调整旋钮18连接，所述步进电机4的输出轴既可以随着联轴器19进行转动，又可以沿着联轴器19的轴线进行移动，通过类似螺旋测微仪原理将步进电机4输出动力转化成z向滑台15及其以上部件沿^向导轨16的直线运动，从而实现宏动调整。所述的精密压入单元包括金刚石工具头10、载荷检测用柔性铰链12、X向压电叠堆13、及z向柔性铰链14，所述金刚石工具头10安装在载荷检测用柔性铰链12前端的安装孔内，并通过锁紧螺钉锁紧；所述载荷检测用柔性铰链12通过螺钉与z向柔性铰链14的输出部分连接；所述Z向压电叠堆13紧配合安装在z向柔性铰链14的槽内。所述的载荷与位移信号检测单元由二组八片应变片组成，每四片为一组分别粘贴在柔性铰链12和z向柔性铰链14的弹性敏感区域，根据应变测量原理实现对载荷和位移的检测。所述的划痕驱动单元由z向铰链7及z向压电叠堆9组成,所述^向铰链7通过螺钉与基座I连接，所述z向压电叠堆9紧配合安装在z向铰链7中间的槽内；在2向铰链7后方设置有刚度增强板5，预紧螺钉6通过刚度增强板5上方的螺纹孔施加给z向铰链7一定的预紧力以增加系统刚度。所述的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置安装在观测装置的载物台上实现对材料的原位压/划痕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，其特征在于：包括宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述宏动调整机构安装在基座（1）上；精密压入单元通过过渡连接板（17）连接在宏动调整机构的x向滑台（15）上；载荷与位移信号检测单元包含二组八片应变片（11），通过内嵌的方式分别安装在精密压入单元的载荷检测用柔性铰链（12）和x向柔性铰链（14）上；划痕驱动单元通过螺钉与基座（1）相连接。

【技术特征摘要】
1.一种全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，其特征在于包括宏动调整机构、精密压入单元、载荷与位移信号检测单元以及划痕驱动单元，所述宏动调整机构安装在基座(I)上；精密压入单元通过过渡连接板(17)连接在宏动调整机构的Z向滑台(15)上；载荷与位移信号检测单元包含二组八片应变片(11)，通过内嵌的方式分别安装在精密压入单元的载荷检测用柔性铰链(12)和z向柔性铰链(14)上；划痕驱动单元通过螺钉与基座(I)相连接。2.根据权利要求1所述的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，其特征在于所述的宏动调整机构包括电机安装座(2)、步进电机(4)、^向滑台(15)、^向导轨(16)、过渡连接板(17)、粗调整旋钮(18)及联轴器(19)，所述步进电机(4)分别与电机安装座(2)及刚度增强板(5)进行连接，所述步进电机(4)的输出轴通过联轴器(19)与粗调整旋钮(18)连接，所述步进电机(4)的输出轴既可以随着联轴器(19)进行转动，又可以沿着联轴器(19)的轴线进行移动，将步进电机(4)输出动力转化成z向滑台(15)及其以上部件沿z向导轨(16)的直线运动，从而实现宏动调整。3.根据权利要求1所述的全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置，其特征在于所述的精密压入单元包括金刚石工具头(10)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，赵宏伟，史成利，万顺光，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：实用新型
国别省市：