专利名称：基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及机电领域，特别涉及一种基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸 /压缩测试平台。其可借助液压驱动方式实现在扫描电子显微镜(SEM)的真空腔体内的原位拉伸/压缩测试，并与X射线衍射仪、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱仪及光学显微镜等具有开放式成像环境的仪器具有良好的结构兼容性，在测试材料自身的力学性能基础上，可开展在上述仪器的动态监测下对应应力或应变水平下材料的裂纹萌生、扩展、变形及破坏机制的深入研究，为揭示材料在微米尺度下的力学服役行为和变形损伤机制提供了测试手段。
背景技术：
材料的力学性能指的是各种不同工作情况(负载、扭矩、速度、温度等)下，从开始受载荷作用直至失效破坏的全过程中所呈现出的力学特性，如弹性、塑性、强度、刚度、硬度、冲击韧性、延伸性、持久极限和蠕变等，通过力学测试得到的重要力学参数有弹性模量、 屈服极限、抗拉强度、伸长率、硬度、冲击韧性、疲劳极限、蠕变断裂强度及应力松弛等。拉伸模式下的材料力学性能测试是最直接、最有效的用于弹性模量、屈服极限、伸长率等力学参数测定的有效手段。
液压技术应用广泛，它作为工业自动化的一种重要的基础技术，已经与传感技术、信息技术、微电子技术紧密结合，形成并发展成为包括传动、检测、在线控制的综合自动化技术。 液压传动相对于气压传动及机械传动方式具有明显的优点，具体表现为(1)在同等的体积下，液压装置能产生出更大的驱动力；在同等功率下，液压装置体积较小，功率密度大， 结构紧凑，传动环节较少；(2)液压装置传动平稳，由于其重量轻、惯性小，因此响应速度较快，易于实现快速启动、制动和频繁换向；(3)液压装置易于实现过载保护，液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不发生过热；(4)液压传动易于实现自动化，对液压油压力、流量或流动方向均易于调控；(5)液压系统设计、制造和使用维护方便，液压元件属于机械工业基础件，以实现了标准化、系列化和通用化；(6)液压装置能在较大范围内实现无级调速，亦可在运动过程中进行调速。同时，在材料的力学测试过程中，结合电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、原子力显微镜和或光学显微镜等成像仪器对材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测，可对材料的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究，并从中发现更为新颖的现象和规律，因受扫描电子显微镜等成像仪器的腔体空间限制，现有研究中的原位力学测试主要针对微构件，因尺寸效应的存在，用微构件所表现出的力学性能表征宏观材料缺乏一定的可信性，即就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制，进一步，目前扫描电镜下的原位拉伸力学测试，主要借助商业化的扭转试验机进行的原位拉伸测试，针对微尺度构件均基于微机电系统及聚焦离子束等工艺方法，且研究对象均为低维材料，如碳纳米管、纳米线及薄膜材料等，缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位力学测试，针对特征尺寸厘米级以上的材料，大多使用步进电机结合大减速比减速器的方式进行传动，往往在特定空间尺寸内实现的载荷量程不大，因此被测试件多局限于具有较宽尺寸薄膜材料，也难以深入研究载荷变化对三维宏观材料力学行为和变形、损伤机制的影响规律。如上所述，利用液压驱动方式研制的拉伸/压缩模式下的材料性能测试平台能在相对小体积空间下实现较大载荷，且能够实现无级调速并无过多传动环节，如能实现与扫描电子显微镜等成像仪器的兼容，就可在微观尺度下研究载荷作用下宏观材料的上述性能。因此，设计一种输出载荷大、体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测，且针对特征尺寸厘米级以上宏观试件进行拉伸/压缩模式下的材料力学性能测试平台已十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。其与kiss EVO 18扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性和电磁兼容性，同时，亦可安装于其他具有类似腔体结构和成像条件的扫描电子显微镜中，此外，测试平台与拉曼光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等具有开放式载物及成像条件的仪器均具有结构兼容性，可结合上述仪器对材料的裂纹萌生、扩展及变形、断裂机制的深入研究，结合液压伺服阀的精密流量控制，可实现超低速率下的拉伸测试。同时测试平台可实现对载荷、位移信号的同步精密采集，并可自动拟合出材料在载荷作用下的应力应变曲线，进而对弹性模量、屈服极限、断裂极限、伸长率等力学参数的准确评价。本发明的上述目的通过以下技术方案实现
基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，包括液压驱动单元、载荷/ 位移信号检测及控制单元以及夹持及支撑单元；所述液压驱动单元由液压缸11、油箱26、 滤油器27、电机观、液压泵四、溢流阀30、节流阀31及电液伺服阀32组成，其中，所述液压缸11的输出端活塞杆23通过活塞杆连接螺钉13分别于夹具体支撑架I 1及力传感器支撑架8刚性连接，进油管路25与出油管路20分别与电液伺服阀32的输出端连接，液压驱动力由电机观带动液压泵四将油箱26中的液压油经滤油器27运送至电液伺服阀32 的输入端，溢流阀30及节流阀31分别置于在此液压回路中；同时，通过电液伺服阀32的精密流量控制，使液压缸11轴端的活塞杆23输出不同速率的单轴异向往复运动；
所述载荷/位移信号检测及控制单元由位移传感器3及拉压力传感器7组成，其中，所述位移传感器3的基体部分通过位移传感器紧固螺钉33的压紧方式与夹具体支撑架II 5 连接，位移传感器3的前端弹性探头通过探头连接螺钉14与夹具体支撑架I 1刚性连接， 即位移传感器3实际检测到的变形量为用于夹持试件10的夹具体支撑架I、II 1、5之间的相对变形；所述拉压力传感器7的轴端外螺纹分别与夹具体支撑架II 5及力传感器支撑架 8刚性连接，并与试件10同轴、共面安装；同时，位移传感器3与拉压力传感器7可分别为电液伺服阀32的精密流量反馈控制提供模拟量或数字量反馈源；
所述的夹持及支撑单元由光杠I、11 2、12、夹具体支撑架I、11 1、5、基座9直线轴承4、 压板17、活塞杆紧固螺钉13、力传感器支撑架8及试件10组成，其中，所述光杠I 2通过直线轴承4分别与夹具体支撑架I、II 1、5套接，所述光杠II 12通过直线轴承分别与夹具体支撑架I 1及力传感器支撑架8套接，所述光杠I、II 2、12的轴端部分安装于基座9及光杠压板15之间，并通过光杠紧固螺钉6压紧。本发明所述的夹具体支撑架I、II 1、5及压板17与试件10的接触面均带有滚花状的阵列结构，用于提高夹持的可靠性及稳定性。本发明所述的液压缸11的缸桶21两端分别连接端盖18，并通过端盖密封圈19与活塞杆23套接；在活塞22与缸桶21间设置活塞密封圈M ；活塞杆23分别与夹具体支撑架I 1及力传感支撑架8刚性连接，通过电液伺服阀32的精密流量控制，实现液压缸11的两组活塞杆23的精密单轴异向同速运动，结合扫描电子显微镜等成像仪器的原位观测，在进行拉伸或压缩测试过程中，可确保被测试件10的拟定观测点始终处于成像视野区域的中央。利用此液压驱动方式，可实现超过5000N的输出载荷，亦可实现在20mm以上范围内的无级调速功能。本发明所述的光杠I、II 2、12通过四组直线轴承4分别与夹具体支撑架I、II 1、 5及力传感器支撑架8套接，在拉伸/压缩测试过程中夹具体支撑架I、II 1、5及力传感器支撑架8分别通过直线轴承4导向，从而确保试件10及拉压力传感器7处于单轴拉伸/压缩状态，亦可确保位移传感器3所检测的位移为试件10在单轴拉压载荷作用下的轴向变形量。本发明所述的基座9及光杠压板15与光杠I、II 2、12的接触面均设置半圆形凹槽，以便光杠I、II 2、12及测试平台主体部分可整体安装于基座9上，并通过光杠紧固螺钉 6进行压紧。本发明所述的测试平台主体尺寸为145mmX38mmX 104mm，与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可安装于X射线衍射仪、拉曼光谱仪、光学显微镜及原子力显微镜的载物平台上，亦可与上述具有开放式成像环境的仪器具有结构兼容性。本发明的有益效果在于与现有技术相比，本发明通过电液伺服阀控制带有双活塞杆的液压缸来实现单轴异向的拉伸/压缩运动，同时，本发明体积小巧，结构紧凑，输出载荷大，可实现超过5000N的加载能力及20mm以上的拉伸/压缩行程，可实现无级变速的应变速率，与kiss EVO 18型扫描电子显微镜兼容使用，应用范围广泛，亦可安装于其他具有类似腔体结构和成像条件的扫描电子显微镜中，此外，测试平台与拉曼光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等具有开放式载物及成像条件的仪器均具有结构兼容性，可结合上述仪器对材料的裂纹萌生、扩展及变形、断裂机制的深入研究。可在kiss EVO 18型扫描电子显微镜下对材料的裂纹萌生、扩展及变形、断裂机制的深入研究，结合液压伺服控制系统的精密流量控制，可实现超低速率下的拉伸/压缩测试。同时测试平台可实现对载荷、位移信号的同步精密采集，并可自动拟合出材料在载荷作用下的应力应变曲线，进而对弹性模量、屈服极限、断裂极限、伸长率等力学参数进行准确评价。相比现有研究中基于微机电系统及聚焦离子束等工艺方法所进行测试的纳米管、 线等微构件，以及利用步进电机结合较大减速比针对具有宏观宽度的薄膜材料所进行的力学测试，本发明所针对的测试对象为特征尺寸厘米级以上宏观试件，因其避免尺寸效应的问题，因此测试结果更具有可靠性和可信性。同时，并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力-应变曲线。综上所述，本发明对丰富原位力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图1为本发明的整体外观结构示意图； 图2为本发明的俯视示意图3为本发明的主视示意图； 图4为本发明的液压缸的剖视结构示意图； 图5为本发明的液压缸的整体外观结构示意图； 图6为本发明的液压控制系统的回路结构示意图。图中1.夹具体支撑架I、2.光杠I、3.位移传感器、4.直线轴承、5.夹具体支撑架II、6.光杠紧固螺钉、7.拉压力传感器、8.力传感器支撑架、9.基座、10.试件、 11.液压缸、12.光杠II、13.活塞杆连接螺钉、14.探头连接螺钉、15.光杠压板、16.压板紧固螺钉、17.压板、18.端盖、19.端盖密封圈、20.出油管路、21.缸桶、22.活塞、 23.活塞杆、24.活塞密封圈、25.进油管路、26.油箱、27.滤油器、28.电机、29.液压泵、30.溢流阀、31.节流阀、32.电液伺服阀、33.位移传感器紧固螺钉。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式
。参见图1至图6，本发明的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，包括液压驱动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及支撑单元；所述液压驱动单元由液压缸11、油箱26、滤油器27、电机观、液压泵四、溢流阀30、节流阀31及电液伺服阀32组成，其中，所述液压缸11的输出端活塞杆23通过活塞杆连接螺钉13分别于夹具体支撑架I 1及力传感器支撑架8刚性连接，进油管路25与出油管路20分别与电液伺服阀32的输出端连接，液压驱动力由电机观带动液压泵四将油箱沈中的液压油经滤油器27运送至电液伺服阀32的输入端，溢流阀30及节流阀31分别置于在此液压回路中； 同时，通过电液伺服阀32的精密流量控制，使液压缸11轴端的活塞杆23输出不同速率的单轴异向往复运动；
所述载荷/位移信号检测及控制单元由位移传感器3及拉压力传感器7组成，其中，所述位移传感器3的基体部分通过位移传感器紧固螺钉33的压紧方式与夹具体支撑架II 5 连接，位移传感器3的前端弹性探头通过探头连接螺钉14与夹具体支撑架I 1刚性连接， 即位移传感器3实际检测到的变形量为用于夹持试件10的夹具体支撑架I、II 1、5之间的相对变形；所述拉压力传感器7的轴端外螺纹分别与夹具体支撑架II 5及力传感器支撑架 8刚性连接，并与试件10同轴、共面安装；同时，位移传感器3与拉压力传感器7可分别为电液伺服阀32的精密流量反馈控制提供模拟量或数字量反馈源；
所述的夹持及支撑单元由光杠I、11 2、12、夹具体支撑架I、11 1、5、基座9直线轴承4、 压板17、活塞杆紧固螺钉13、力传感器支撑架8及试件10组成，其中，所述光杠I 2通过直
6线轴承4分别与夹具体支撑架I、11 1、5套接，所述光杠II 12通过直线轴承分别与夹具体支撑架I 1及力传感器支撑架8套接，所述光杠I、II 2、12的轴端部分安装于基座9及光杠压板15之间，并通过光杠紧固螺钉6压紧。本发明所述的夹具体支撑架I、II 1、5及压板17与试件10的接触面均带有滚花状的阵列结构，用于提高夹持的可靠性及稳定性。参见图4及图5，本发明所述的液压缸11的缸桶21两端分别连接端盖18，并通过端盖密封圈19与活塞杆23套接；在活塞22与缸桶21间设置活塞密封圈M ；活塞杆23分别与夹具体支撑架I 1及力传感支撑架8刚性连接，通过电液伺服阀32的精密流量控制， 实现液压缸11的两组活塞杆23的精密单轴异向同速运动，结合扫描电子显微镜等成像仪器的原位观测，在进行拉伸或压缩测试过程中，可确保被测试件10的拟定观测点始终处于成像视野区域的中央。利用此液压驱动方式，可实现超过5000N的输出载荷，亦可实现在 20mm以上范围内的无级调速功能。本发明所述的光杠I、II 2、12通过四组直线轴承4分别与夹具体支撑架I、II 1、 5及力传感器支撑架8套接，在拉伸/压缩测试过程中夹具体支撑架I、II 1、5及力传感器支撑架8分别通过直线轴承4导向，从而确保试件10及拉压力传感器7处于单轴拉伸/压缩状态，亦可确保位移传感器3所检测的位移为试件10在单轴拉压载荷作用下的轴向变形量。本发明所述的基座9及光杠压板15与光杠I、II 2、12的接触面均设置半圆形凹槽，以便光杠I、II 2、12及测试平台主体部分可整体安装于基座9上，并通过光杠紧固螺钉 6进行压紧。本发明所述的测试平台主体尺寸为145mmX38mmX 104mm，与Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，亦可安装于X射线衍射仪、拉曼光谱仪、光学显微镜及原子力显微镜的载物平台上，亦可与上述具有开放式成像环境的仪器具有结构兼容性。参见图1至图5，本发明所涉及的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，该装置主体部分的整体尺寸为145mmX38mmX 104mm，是根据kiss EVO 18扫描电镜的真空腔体尺寸和成像条件所设计的，同时可与主流成像仪器的兼容使用，即可安装于各种主流扫描电子显微镜和其他成像仪器的腔体内或载物台上。测试装置中具体的元器件和具体型号为电液伺服阀32的型号为M0G072、拉压力传感器7的型号为UNIPULSE 5000N、位移传感器3的型号为WYM-I型。拉伸/压缩测试过程中，位移传感器3及拉压力传感器7用于对载荷/位移信号的同步精密检测，两路传感器分别具有的5000N及20mm的量程，经过细分处理之后，两路信号能够达到的测试分辨率分别为IN及1 μ m，载荷/位移模拟或数字信号可为电液伺服阀32的精密流量闭环控制提供反馈源，被测试件10的长度范围为8-40mm，最大宽度可达6mm。本发明在具体的测试过程前，需要对被测试件10通过线切割等加工方式试制出特定形状，必要时可在被测试件10的最小截面处预制出缺口以形成应力集中区，便于对材料裂纹萌生及扩展的原位观测，同时被测试件需要做单抛处理，或通过化学腐蚀等处理方式得到特定的金相，然后将被测试件安装于夹具体支撑架I、II 1、5带有滚化状结构的表面处，并通过压板17及压板紧固螺钉16进行压紧以完成夹持动作，在夹持过程中，试件10
7的夹持部分宽度与压板紧固螺钉16的两条内母线的距离一致，以此保证试件10的同轴定位。具体测试过程中，由电机观带动液压泵四旋转，液压泵四从油箱沈经过滤油器27 吸油，液压油通过节流阀31进入电液伺服阀32中，并通过精密流量控制经进油管25进入液压缸的无杆腔内，进而推动两组活塞杆25实现同轴异向的同步直线运动，同时，测试过程中试件10所受的精密拉伸力由拉压力传感器7进行检测；同时试件的拉伸变形量由位移传感器3同步拾取，两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测试件10在载荷作用下材料的变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像系统进行动态监测，并可同时记录图像，结合上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的载荷-变形曲线、应力-应变曲线、弹性模量、屈服极限、伸长率等重要力学参数。 以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，其特征在于包括液压驱动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及支撑单元；所述液压驱动单元由液压缸(11)、油箱(26)、滤油器(27)、电机(28)、液压泵(29)、溢流阀(30)、节流阀 (31)及电液伺服阀(32)组成，其中，所述液压缸(11)的输出端活塞杆(23)通过活塞杆连接螺钉(13)分别于夹具体支撑架I (1)及力传感器支撑架(8)刚性连接，进油管路(25)与出油管路(20)分别与电液伺服阀(32)的输出端连接，液压驱动力由电机(28)带动液压泵 (29)将油箱(26)中的液压油经滤油器(27)运送至电液伺服阀(32)的输入端，溢流阀(30) 及节流阀(31)分别置于在此液压回路中；同时，通过电液伺服阀(32)的精密流量控制，使液压缸(11)轴端的活塞杆(23)输出不同速率的单轴异向往复运动；所述载荷/位移信号检测及控制单元由位移传感器(3)及拉压力传感器(7)组成，其中，所述位移传感器(3)的基体部分通过位移传感器紧固螺钉(33)与夹具体支撑架II (5) 连接，位移传感器(3)的前端弹性探头通过探头连接螺钉(14)与夹具体支撑架I (1)刚性连接，即位移传感器(3)实际检测到的变形量为用于夹持试件(10)的夹具体支撑架I、II (1、5)之间的相对变形；所述拉压力传感器(7)的轴端外螺纹分别与夹具体支撑架II (5)及力传感器支撑架(8)刚性连接，并与试件(10)同轴、共面安装；同时，位移传感器(3)与拉压力传感器(7)可分别为电液伺服阀(32)的精密流量反馈控制提供模拟量或数字量反馈源；所述的夹持及支撑单元由光杠I、II (2、12)、夹具体支撑架I、II (1、5)、基座(9)直线轴承(4)、压板(17)、活塞杆紧固螺钉(13)、力传感器支撑架(8)及试件(10)组成，其中，所述光杠1(2)通过直线轴承(4 )分别与夹具体支撑架I、II (1、5 )套接，所述光杠II (12 )通过直线轴承分别与夹具体支撑架I (1)及力传感器支撑架(8)套接，所述光杠I、11(2、12) 的轴端部分安装于基座(9)及光杠压板(15)之间，并通过光杠紧固螺钉(6)压紧。
2.根据权利要求1所述的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台， 其特征在于所述的夹具体支撑架I、II (1、5)及压板(17)与试件(10)的接触面均带有滚花状的阵列结构。
3.根据权利要求1所述的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台， 其特征在于所述的液压缸(11)的缸桶(21)两端分别连接端盖(18)，并通过端盖密封圈 (19)与活塞杆(23)套接；在活塞(22)与缸桶(21)间设置活塞密封圈(24)；活塞杆(23)分别与夹具体支撑架I (1)及力传感支撑架(8)刚性连接，通过电液伺服阀(32)的精密流量控制，实现液压缸(11)的两组活塞杆(23)的精密单轴异向同速运动。
4.根据权利要求1所述的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台， 其特征在于所述的光杠I、II (2,12)通过四组直线轴承(4)分别与夹具体支撑架I、II (1、5)及力传感器支撑架(8)套接，夹具体支撑架I、II (1、5)及力传感器支撑架(8)分别通过直线轴承(4)导向。
5.根据权利要求1所述的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台， 其特征在于所述的基座(9)及光杠压板(15)与光杠I、II (2、12)的接触面均设置半圆形凹槽。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/ 压缩测试平台，其特征在于所述的测试平台主体尺寸为145mmX38mmX 104mm。
全文摘要
本发明涉及一种基于液压驱动方式的扫描电镜下原位拉伸/压缩测试平台，属于机电领域。包括由液压缸、油箱、滤油器、电机、液压泵、溢流阀、节流阀及电液伺服阀组成的液压驱动单元；由位移传感器及拉压力传感器组成的载荷/位移信号检测及控制单元；由光杠、夹具体支撑架、基座直线轴承、压板、力传感器支撑架及试件组成的夹持及支撑单元。优点在于体积小巧、结构紧凑、输出载荷大，可实现无级变速加载，与光学显微镜、拉曼光谱仪及X射线衍射仪等具有开放式空间结构的显微成像系统均具有良好的结构兼容性，亦可结合上述仪器，开展对特征尺寸厘米级试件在拉伸/压缩载荷作用下的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。
文档编号G01N3/04GK102435493SQ20111041040
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者万顺光, 李秦超, 王开厅, 胡晓利, 赵宏伟, 马志超, 黄虎 申请人:吉林大学