基于扫描电镜的原位加载装置的制作方法

本发明涉及机电控制技术领域，尤其涉及一种基于扫描电镜的原位加载装置。

背景技术：

材料的宏观破坏往往是由微观失效累积引起的，比如金属多晶材料，其破坏往往是从晶界断裂开始的，加之对于宏观材料的宏观力学性能研究已经比较成熟，目前相关学者们将研究视野逐渐转向了材料的微尺度力学性能研究，这必然要涉及到到微观变形测量的问题。实现微观变形测量的关键在于提高测量的空间分辨率和位移灵敏度。近年来高分辨率显微技术特别是扫描电镜的发展，为微纳米实验力学测量技术提供了前所未有的发展机遇，其空间分辨率高达纳米量级。利用扫描电镜进行力学性能表征，需要发展相应的加载设备。

然而，现有技术中的用于加载试件的加载机构均是微进给加载机构，即靠近和加载试件过程其进给速度相同，且速度较低，这势必延长了加载试验的操作时间(合理的加载机构是在靠近试件的过程中进给速度快、为试件加载时进给速度慢)。

技术实现要素：

针对现技术中存在的上述技术问题，本发明的实施了提供了一种能够解决上述一个或几个问题的基于扫描电镜的原位加载装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于扫描电镜的原位加载装置，用于加载试件，包括：

试验台；

第一夹持块、第二夹持块；两者相对设置在所述试验台上以用于夹持所述试件；

第一连接块、第二连接块，所述第一连接块与所述第一夹持块相对设置，所述第二连接块与所述第二夹持块相对设置；

压电陶瓷组，其设置于所述第一连接块与所述第一夹持块之间；

压力传感器，其设置于所述第二连接块与所述第二夹持块之间；

丝杠传动机构，其用于使第一连接块与第二连接块相对运动，以使所述第一夹持块和所述第二夹持块夹持所述试件，并通过所述压电陶瓷组合和所述压力传感器测得所述试件的力学数据；

变速箱，其与所述丝杆传动机构连接，并用于驱动所述丝杠传动机构；

致动器，其用于驱动所述变速箱。

优选地，还包括：

密封法兰盘，其内收纳有数据线，所述数据线分别与所述致动器、所述压电陶瓷组以及所述压力传感器电连接；

控制箱，其与所述密封法兰盘内的数据线电连接，用于采集所述致动器、所述压电陶瓷组以及所述压力传感器的物理和力学数据；

计算机，其与所述控制箱电连接，用于显示所述控制箱所采集的物理和力学数据，并对该物理和力学数据进行分析。

优选地，还包括光栅位移计，所述光栅位移计设置于所述试验台上，并沿所述第一夹持块和所述第二夹持块的夹持方向延伸，以检测所述试件的压缩量。

优选地，所述变速箱与所述丝杆传动机构通过联轴器连接。

优选地，所述压电陶瓷组由多块压电陶瓷块并列拼接而成，所述压电陶瓷组的两侧分别由第一压电陶瓷固定装置和第二压电陶瓷固定装置固定。

与现有技术相比，本发明的基于扫描电镜的原位加载装置的有益效果是：通过丝杆传动机构使得第一夹持块和第二夹持块能够快速靠近试件并对试件进行加载，从而缩短了加载试件的时间。

附图说明

图1为本发明的基于扫描电镜的原位加载装置的结构示意图。

图2为本发明的基于扫描电镜的原位加载装置的液压伺服机构的结构示意图。

图中：

1-试验台1；2-致动器；3-光栅位移计；4-变速箱；5-丝母体；6-轴承座；7-丝杠；8-第二连接块；9-第二连接块；10-联轴器；11-密封法兰盘；12-控制箱；13-计算机；14-压力传感器；15-压电陶瓷组；16-第一夹持块；17-第二夹持块；18-试件；19-第二伺服油缸；20-第二伺服活塞；21-第二腔室；22-第一腔室；23-第二伺服弹簧；24-第一伺服油缸；25-第一伺服活塞；26-无杆腔；27-有杆腔；28-第一伺服弹簧；29-第一伺服活塞杆。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明的实施例公开了一种基于扫描电镜的原位加载装置，用于加载试件18，该原位加载装置包括：试验台1、第一夹持块16、第二夹持块17、压电陶瓷组15、压力传感器14、丝杠7传动机构、变速箱4、致动器2、密封法兰盘11、控制箱12、计算机13以及光栅位移计3。试压台用于承载和安装上述的零部件；第一夹持块16和第二夹持块17相对设置在试验台1上以用于夹持试件18；第一连接块9与第一夹持块16相对设置，第二连接块8与第二夹持块17相对设置；压电陶瓷组15设置于第一连接块9与第一夹持块16之间；压电陶瓷组15设置于第一连接块9与第一夹持块16之间；丝杠7传动机构由变速箱4驱动，以驱动第一连接块9和第二连接块8相对运动，并通过压电陶瓷组15和压力传感器14以使第一夹持块16和第二夹持块17相对运动以夹持试件18，该试件18的压力由压电陶瓷组15和压力传感器14测得；致动器2用于驱动变速箱4以为加载提供动力和运动；光栅位移计3设置于试验台1上，并沿第一夹持块16和第二夹持块17的夹持方向延伸，以检测试件18的压缩量。密封法兰盘11内收纳有数据线，数据线分别与致动器2、压电陶瓷组15以及压力传感器14电连接；控制箱12与密封法兰盘11内的数据线电连接，用于采集致动器2、压电陶瓷组15以及压力传感器14的物理和力学数据，如致动器2的转速、试件18的压力与位移数据；计算机13与控制箱12电连接，用于显示控制箱12所采集的物理和力学数据，并对该物理和力学数据进行分析。如此，通过丝杆传动机构使得第一夹持块16和第二夹持块17能够快速靠近试件18并对试件18进行加载，从而缩短了加载试件18的时间。

优选地，变速箱4与丝杆传动机构通过联轴器10连接。

优选地，压电陶瓷组15由多块压电陶瓷块并列拼接而成，压电陶瓷组15的两侧分别由第一压电陶瓷固定装置和第二压电陶瓷固定装置固定。

致动器2可以为可调转速的电机，当电机通过变速箱4和丝杠7传动机构驱动第一连接块9和第二连接块8，以带动第一夹持块16和第二夹持块17快速靠近并通过压力传感器14感知接触试件18后，压力传感器14通过控制箱12控制电机转速减小以使试件18的进给速度减小，从而实现缓慢加载。

然而，虽然传感器能够准确测得试件18的压力，并能够实时的反馈给控制箱12，但控制箱12控制在控制电机的转速时并不是精准的，也就是说，当压力传感器14所测得的压力突然增大，说明电机转速过高时，该压力反馈给控制箱12，控制箱12只能控制电机转速降低，但并不能预知和计算电机的转速降低至多大速度才能使试件18均匀加载，而往往是在控制箱12的控制下，电机的转速下降，而使得试件18的加载压力又低于均匀加载所需要的压力，从而使加载压力产生不断波动。

为解决上述问题，致动器2优选为可变排量的液压马达，具体地，丝杠7传动机构包括丝杠7以及用于与丝杆形成螺旋传动的丝母体5；液压马达与第一连接块9和第二连接块8之间设置有液压伺服机构；丝杠7的一端安装在变速箱4的输出轴上，另一端安装在轴承座6上；液压伺服机构包括第一伺服油缸24和第二伺服油缸19，第一伺服油缸24中设置有第一伺服活塞25，第一伺服活塞25上设置有第一伺服活塞杆29，该第一伺服活塞杆29伸出第一伺服油缸24与液压马达的斜盘连接以调节斜盘的倾斜角度，第一伺服油缸24的有杆腔27内设置有第一伺服弹簧28；丝母体5设置于第二伺服油缸19内，丝母体5的两端分别伸出第二伺服油缸19，丝母体5的中部外周形成第二伺服活塞20以将第二伺服油缸19分割成第一腔室22和第二腔室21，第一腔室22内设置有第二伺服弹簧23，丝母体5的轴向上开设有丝孔用于供丝杠7穿设，丝杠7穿设该丝孔以与丝母体5形成螺旋传动；第一连接块9和第二连接块8分别设置在两个第二伺服油缸19的缸体上；第二伺服油缸19的第一腔室22与第一伺服油缸24的无杆腔26连通，第二伺服油缸19的第二腔室21与第一伺服油缸24的有杆腔27连通，且第一伺服活塞杆29的伸缩动作与液压马达的斜盘的倾斜角度设置成：当第一伺服活塞杆29伸出量增加时，斜盘的倾斜角度减小，液压马达的排量减小，液压马达的排量减小使得马达的转速降低而输出扭矩保持不变，当第一伺服活塞杆29伸出量减小时，斜盘的倾斜角度增大，液压马达的排量增大，液压马达的排量增大使得马达的转速增加而输出扭矩保持不变。如此，当第一夹持块16和第二夹持块17与试件18接触后，第一夹持块16和第二夹持块17对试件18加压，试件18对第一夹持块16和第二夹持的反作用力，通过第一夹持块16和第二夹持块17、第一连接块9和第二连接块8传递给第二伺服油缸19，第二伺服油缸19中的第一腔室22内的液压油压力升高，使得第一伺服油缸24的无杆腔26内的液压油升高，其内的液压油推抵第一伺服活塞25使得第一伺服活塞杆29的伸出量增加，从而使液压马达的斜坡的倾斜角度较小，从而使液压马达的排量减小，转速降低，通过变速器和丝杠7传动机构，使得在不改变压力(因为液压马达的扭矩不变)的情况下第一连接块9和第二连接块8以及第一夹持块16和第二夹持块17的移动速度减小，从而使第一夹持块16和第二夹持块17对试件18进行缓慢均匀加压，当液压马达使得第一夹持块16和第二夹持块17的移动速度过小而压力有所下降时，第一腔室22和无杆腔26内的压力变小，第一伺服活塞杆29的伸出量变小，液压马达的排量开始增加，从而使第一夹持块16和第二夹持块17的移动速度增大，从而满足缓慢均匀加压的条件。

在该实施例中，本发明利用液压系统中液压油压力的反馈进行调节第一夹持块16和第二夹持块17的速度以实现缓慢均匀加压，从而能够获得试件18准确真实的力学数据，且不会延长加载试验的时间。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。