专利名称：全应变测量式原位纳米压/划痕测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
背景技术：
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。
发明内容本实用新型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。 本实用新型利用应变检测技术、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。本实用新型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。本实用新型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。本实用新型可以为材料科学、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。
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型的划痕驱动单元的结构示意图；图3为本实用新型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实用新型的详细内容及其具体实施方式
。参见图1至图3，本实用新型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。
参见图1，本实用新型的步进电机4通过电机安装座2和刚度增强板5与基座I连接，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，利用类似螺旋测微仪原理步进电机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，从而精密压入单元和载荷与位移信号检测单元沿z轴的粗调整。参见图1及图2，划痕驱动单元通过平行四边形放大原理实现被测试件8沿z向的运动放大，弥补压电叠堆直接驱动输出位移小的不足。参见图1至3，被测试件8安装在划痕驱动单元前端，当金刚石工具头10通过宏动调整机构靠近被测试件8表面后，停止宏动调整机构，给精密压入单元中z向压电叠堆13供电，在逆压电效应作用下压电叠堆伸长，推动z向柔性铰链14前端的弹性敏感区域产生变形，形成沿着z向直线精密运动，带动其上安装的载荷检测用柔性铰链12产生同步直线运动，使金刚石工具头10进一步靠近被测试件8表面。当金刚石工具头10与被测试件8表面接触后，载荷检测用柔性铰链12前端弹性敏感区域受力产生变形。根据应变测量原理，通过换算Z向柔性铰链14前端的一组四片应变片变形可以标定得到金刚石工具头的位移兄；通过换算载荷检测用柔性铰链12前端一组四片应变片变形可以标定得到金刚石工具头对试件表面的压入载荷八同时可以得到压入载荷反作用下载荷检测用柔性铰链12前端弹性敏感区域沿着z反方向的变形通过标定得到载荷作用下试件及划痕驱动单元沿着Z向的变形为最终可以得到最终金刚石工具头对试件表面的压入载荷为P,压入深度h- S1- S2- S3O[0028]以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求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)、载荷检测用柔性铰链(12) J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；所述载荷检测用柔性铰链(12)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。
4.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。
5.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，其特征在于所述的划痕驱动单元由z向铰链(7)及z向压电叠堆(9)组成，所述z向铰链(7)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)—定的预紧力以增加系统刚度。
6.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。
专利摘要本实用新型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。
文档编号G01N3/42GK202903628SQ20122055254
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者黄虎, 赵宏伟, 史成利, 万顺光 申请人:吉林大学