专利名称：一种高精度仪器化压入仪及金刚石压头压入试样深度的计算方法
技术领域：
本发明属于材料力学性能测试技术领域。具体涉及一种高精度仪器化压入仪的设计。
背景技术：
随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS (微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种新的材料力学性能测试技术，它通过同步测试和记录特定几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，可以提供比传统硬度试验更为丰富的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。通过构建精细的力学模型并借助大型有限元数值分析软件，材料的诸多基本力学性能参数如杨氏模量、屈服强度、硬化指数、断裂韧性、蠕变参数等均可能被识别。鉴于该技术的价值，美国纳米技术公司(先并入MTS公司，后并入Agilent公司)于上世纪九十年代率先开发了被誉为“材料显微力学性能探针”的“纳米压入仪”。近年来发达国家很多知名公司参与了类似仪器的研制，产品多达数十种，然而根据位移测量所选择参照系的不同，可以把众多已经商品化的压入仪分为两类“机架参照型压入仪”和“试样参照型压入仪”。前者指压入仪工作时位移传感器所测位移系压杆相对于机架某点的位移，在该类仪器的位移测量数值中既包含了测试所希望获得的压头尖端压入被测试样表面的深度，又包含了仪器的机架变形、试样支撑或夹持导致的可恢复及不可恢复变形。其中机架变形和试样支撑或夹持导致的可恢复变形目前主要通过仪器柔度的标定来消除，但试样的材料类型、柔度标定时所选择的试样表面不同标定区域以及试样支撑或夹持方式甚至夹持力的大小均会影响仪器的柔度值，导致精确标定仪器柔度既麻烦又困难。不仅如此，不可恢复的支撑或夹持变形无论如何都不可能通过柔度标定来确定和排除，因此对于“机架参照型压入仪”，不能准确确定压头尖端压入被测试样表面的深度是该类仪器硬件设计的固有问题。对于“试样参照型压入仪”，其位移传感器所测位移系压杆相对于试样表面某点或相对静止于试样表面上的参照物某点的位移。显然，该类仪器的测量位移可以排除试样在压入过程中因支撑或夹持因素导致的试样表面沿铅垂方向发生的任何平动位移(包括可恢复及不可恢复位移)，但试样表面在压入过程中(加载或卸载)发生小角度倾斜所构成的对测量位移的影响在目前的所有“试样参照型压入仪”中均无法排除，而这将影响确定压头尖端压入被测试样表面深度的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度仪器化压入仪及金刚石压头压入试样深度的计算方法，以解决传统的商用仪器化压入仪存在的压头尖端压入被测试样表面深度的测不准问题；为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案—种高精度仪器化压入仪，它包括由直线驱动装置、载荷传感器及压头组件相串联构成的驱动与载荷测试系统、计算机控制系统、数据自动处理系统、安放试样的工作台和机架；所述压头组件，由压杆、金刚石压头、电容位移传感器探头夹持装置与被夹持的三个电容位移传感器探头以及深度测量随动盘组成；其中三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘组成金刚石压头压入试样深度测试系统；金刚石压头固定在压杆下端，压杆上端与载荷传感器连接；在位于深度测量随动盘上方的压杆上，固定有水平方向的电容位移传感器探头夹持装置，三个电容位移传感器探头在以压杆中心轴为中心，互成120度位置上， 被夹持在电容位移传感器探头夹持装置上；所述的深度测量随动盘套装在压杆下端带有键槽的轴肩上，在所述深度测量随动盘的下方临近金刚石压头尖端处，设有与深度测量随动盘连成一体的底端支撑环；当金刚石压头尖端距被测试样表面一定距离时，深度测量随动盘底端支撑环与试样表面接触并落座于试样表面上；在深度测量随动盘落座于试样表面后，当金刚石压头尖端进一步趋近被测试样表面并距试样表面50-100微米时，深度测量随动盘上表面与位移传感器探头的距离进入传感器有效测量范围之内。直线驱动装置壳体固定在机架上，驱动器驱动滑块与驱动杆通过螺纹连接成一体，该驱动杆上端通过拉伸弹簧悬挂在机架上，其下端通过螺纹连接与载荷传感器串联。所述深度测量随动盘由金属材料制成，金刚石压头位于深度测量随动盘下方的腔体内，该腔体的底端靠近金刚石压头尖端处有一圆形开口，形成底端支撑环；压杆穿过深度测量随动盘中心孔，有较中心孔尺寸大的压杆轴肩位于深度测量随动盘中心孔下方；当金刚石压头向上移动时，压杆的轴肩带动深度测量随动盘一同向上移动。所述的电容位移传感器探头通过放大器与控制器、数据采集卡与计算机控制系统连接；所述载荷传感器通过数据采集卡与计算机控制系统连接；所述计算机控制系统通过驱动装置控制器与直线驱动装置连接；依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式的计算机控制系统还与数据自动处理系统连接。所述直线驱动装置采用音圈直线电机。所述高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的压入深度，按如下公式确定
权利要求
1.一种高精度仪器化压入仪，其特征在于它包括由直线驱动装置、载荷传感器及压头组件相串联构成的驱动与载荷测试系统、计算机控制系统、数据自动处理系统、安放试样的工作台和机架；所述压头组件，由压杆、金刚石压头、电容位移传感器探头夹持装置与被夹持的三个电容位移传感器探头以及深度测量随动盘组成；其中三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘组成金刚石压头压入试样深度测试系统；金刚石压头固定在压杆下端，压杆上端与载荷传感器连接；在位于深度测量随动盘上方的压杆上，固定有水平方向的电容位移传感器探头夹持装置，三个电容位移传感器探头在以压杆中心轴为中心，互成120 度位置上，被夹持在电容位移传感器探头夹持装置上；所述的深度测量随动盘套装在压杆下端带有键槽的轴肩上，在所述深度测量随动盘的下方临近金刚石压头尖端处，设有与深度测量随动盘连成一体的底端支撑环；当金刚石压头尖端距被测试样表面一定距离时，深度测量随动盘底端支撑环与试样表面接触并落座于试样表面上；在深度测量随动盘落座于试样表面后，当金刚石压头尖端进一步趋近被测试样表面并距试样表面50-100微米时，深度测量随动盘上表面与位移传感器探头的距离进入传感器有效测量范围之内。
2.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，直线驱动装置壳体固定在机架上，驱动器驱动滑块与驱动杆通过螺纹连接成一体，该驱动杆上端通过拉伸弹簧悬挂在机架上，其下端通过螺纹连接与载荷传感器串联。
3.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述深度测量随动盘由金属材料制成，金刚石压头位于深度测量随动盘下方的腔体内，该腔体的底端靠近金刚石压头尖端处有一圆形开口，形成底端支撑环；压杆穿过深度测量随动盘中心孔，有较中心孔尺寸大的压杆轴肩位于深度测量随动盘中心孔下方；当金刚石压头向上移动时，压杆的轴肩带动深度测量随动盘一同向上移动。
4.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述的电容位移传感器探头通过放大器与控制器、数据采集卡与计算机控制系统连接；所述载荷传感器通过数据采集卡与计算机控制系统连接；所述计算机控制系统通过驱动装置控制器与直线驱动装置连接；依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式的计算机控制系统还与数据自动处理系统连接。
5.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述直线驱动装置采用音圈直线电机。
6.一种高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，其特征在于，金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的压入深度，按如下公式确定其中，Saabc = (1/2) | (χΒ-χΑ) (yc_yA) -(χ。-、)(yB_yA) | |, Saobc = (1/2) I I (xB"X0) (Υο"Υο)" (xc"Xo) (Υβ"Υο) I I， Saoca = (1/2) I I (xc_x。)(yA_y。)- (χΑ_χ。)(yc-y0) I I， Saoab = (1/2) I (xA"X0) (Υβ"Υο) " (xB"Xo) (Υα"Υο) I I，_1( - X^iyc - >'A) - Oc - ^)( - >'A)|^[(Vb -.VaXAc -ZiJ-Cvc - >v )( ~K)f +[(% - xtiXhc - hA) - (xc - xA)(hB -hA)f +[( - χα)()'ο ~ VA)" (xc ~ xa)(Jb ~ -Va)]'式中，下标字母“A”、“B”、“C”和“0”分别代表在与压杆轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头中心点及金刚石压头顶点位置；‘、”、“&”、“xc”、“xQ”和“yA”、“yB”、“yc”、“yQ” 分别代表相应点在直角坐标系中的χ和y坐标；“h”和“hA”、“t!B”、“h。”分别代表金刚石压头压入试样的压入深度和金刚石压头与试样接触后的三个位移传感器探头的测量位移； 霞”和“SaQBC”、“SAQCA”、“SA_”分别代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面积；“1”代表深度测量随动盘的高度；“ θ ”代表试样表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度。
7.根据权利要求6所述的一种高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，其特征在于，其中所述金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的最大压入载荷可以分别在0. 1 2Ν、2 20Ν和20 IlON三个载荷量程范围内。
全文摘要
本发明公开了一种仪器化压入仪的设计。驱动与载荷测试系统采用音圈直线电机与载荷传感器及压头组件相串联设计；金刚石压头压入试样深度测试系统采用三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘的组合设计；计算机控制系统依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式，可控制音圈电机进而控制金刚石压头对试样表面实施压入加载、保载及卸载等试验，同时获得压入载荷、压入深度及时间三者关系。本发明排除了试样在被压入过程中因支撑或夹持因素导致试样表面相对水平面发生小角度倾斜和试样表面沿铅垂方向发生平动位移对压头压入试样深度测量的影响，同时也排除了机架柔度对压头压入试样深度测量的影响，保证了测试压头压入试样深度的精度。
文档编号G01B7/26GK102288500SQ20111011846
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者宋仲康, 郭俊宏, 陈伟, 马德军 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院