专利名称：一种微米尺度材料内耗与模量测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量设备技术领域，具体涉及一种微米尺度材料内耗与模量测量装置。
背景技术：
材料的缺陷(如点缺陷、位错、界面、表面等)和微观结构是影响该材料性能的重要因素，通过测量材料在外界交变作用条件下的响应可以探测该材料的缺陷和微观结构的特性和动力学演化过程。内耗与力学谱是通过对材料施加周期交变应力，测量材料动力学响应(应变)，是一种有效的研究材料缺陷和微观结构的实验方法。研究发现，当材料尺度减小到微米或纳米尺度时，表面效应和尺寸效应显著，也将影响材料内部的缺陷和微结构，这也导致了纳微尺度材料具有以往宏观材料所不具备的独特性能。但是传统内耗装置对试样尺寸要求较高，厚度一般为I毫米左右，长度为40-70毫米，这对于微米级别大小的材料来说无法适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量精确，使用方便的微米尺度材料内
耗与模量测量装置。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:包括底座，所述底座上安装有真空系统，所述底座内部设有光学显微镜，所述光学显微镜上端设有高速摄像头，所述的光学显微镜的工作台上安装有样品夹持平台，所述的真空系统上设有信号转接口，所述的信号转接口通过激发信号线和 视频采集线分别连接静电激发系统和视频采集系统，所述的视频采集系统和静电激发系统信号连接有运算控制系统，其中样品夹持平台确保稳定夹持待测微米材料试样和对电极，并使两者之间相互平行、相对距离可调精度为微米尺度；静电激发系统实现微米材料的正弦激发振幅和频率可控；视频采集系统实时采集微米材料的应变过程；运算控制系统实现激发信号输出、视频信号储存与内耗运算、温度控制等功能；力口热装置提供微米材料稳定的温度环境；真空系统确保微米材料高真空测量环境。所述的真空系统由一金属外罩构成，将装置与大气隔开，采用真空机组抽取整个系统内空气实现高真空，以消除空气阻尼对微米尺度材料振动的影响。所述的样品夹持平台由中心夹持平台和外部微调平台两部分组成，所述的中心夹持平台上设有两组相互垂直的滑槽，所述的滑槽内分别设有滑块A和滑块B，所述的外部微调平台上设有三组螺旋测微器，所述的中心夹持平台上设有加热装置。所述的加热装置为一加热圆片，靠近待测样品，为待测样品加热，采集实际温度闭环控制，为样品提供稳定的温度环境。所述的滑块A由基体、设于基体上端面的可旋转圆台及设于可旋转圆台上的金属圆片构成，可旋转圆台上用于放置待测样品。
所述的可旋转圆台通过螺丝与基体固定连接，所述基体中间设有一个螺丝通孔，可通过旋紧螺丝将滑块A固定在滑槽内。所述的滑块B包括基体，所述的基体上设有凹槽，所述的凹槽内设有对电极，所述凹槽的一边上设有螺丝孔，通过旋转螺丝将包裹在绝缘塑料片中间的对电极固定，所述基体上表面一侧有一螺丝通孔，可以通过螺丝将滑块B与滑槽固定。所述的静电激发系统根据计算机发出的数字信号进行数模转换、放大并加载直流偏压，可同时实现O 1000V直流偏压，O 100V交流信号，模数转化精度为16 24位，模数转化速率最大为lOOMB/s，所述的静电激发系统分别连接在待测样品端和对电极端，实现微米材料振幅和频率的精确控制。所述的视频采集系统是采用光学显微镜放大微米材料的振动过程，通过显微镜与自制高速摄像头获取振动的实时图片或录像，图片扫屏频率可达I 100000帧/秒，并将视频信号传输到计算机。所述的控制运算系统是一套专用软硬件系统，管理整个微米尺度材料内耗装置，主要功能是根据实验设置测量模式(强迫振动或自由衰减)、参数(频率、振幅)、温度等参数并发送激发信号和控制信号，同时采集储存视频采集系统传送的数据，分析处理视频信号获取材料的振幅、频率等信息，结合公式计算出相应微米尺度材料的内耗值。本发明的有益效果是:本发明结构简单，易于测量，且测量精确，为表征该尺度材料微观结构性质提供 了科学表征平台。
图1为本发明微米样品高频振动试样的振幅测量示意图；图2为本发明微米样品强迫振动法测量内耗的示意图；图3为本发明微米尺度内耗装置结构图；图4为本发明样品夹持平台结构图；图5为本发明滑块A结构图；图6为本发明滑块B结构图；图7为本发明静电激发控制系统原理图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图3所示，一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，包括底座I，底座I上安装有真空系统2,底座I内部设有光学显微镜3,光学显微镜3上端设有高速摄像头4,光学显微镜3的工作台上安装有样品夹持平台6，真空系统2上设有信号转接口 5，信号转接口 5通过激发信号线和视频采集线分别连接静电激发系统和视频采集系统，视频采集系统和静电激发系统信号连接有运算控制系统，其中样品夹持平台6确保稳定夹持待测微米材料试样和对电极，并使两者之间相互平行、相对距离可调精度为微米尺度；静电激发系统实现微米材料的正弦激发振幅和频率可控；视频采集系统实时采集微米材料的应变过程；运算控制系统实现激发信号输出、视频信号储存与内耗运算、温度控制等功能。真空系统2由一金属外罩构成，将装置与大气隔开，采用真空机组抽取整个系统内空气实现高真空，以消除空气阻尼对微米尺度材料振动的影响。如图4所示，样品夹持平台6由中心夹持平台9和外部微调平台12两部分组成，中心夹持平台9上设有两组相互垂直的滑槽，滑槽内分别设有滑块AlO和滑块B7，外部微调平台12上设有三组螺旋测微器11，中心夹持平台9上设有加热装置8，加热装置8为一加热圆片，靠近待测样品，为待测样品加热，采集实际温度闭环控制，为样品提供稳定的温度环境。如图5所示，滑块A由基体13、设于基体13上端面的可旋转圆台14及设于可旋转圆台14上的金属圆片15构成，可旋转圆台14上用于放置待测样品16，可旋转圆台14通过螺丝与基体13固定连接，基体中间设有一个螺丝通孔，可通过旋紧螺丝将滑块A固定在滑槽内。 如图6所示，滑块B包括基体17，基体17上设有凹槽18，凹槽18内设有对电极19，凹槽18的一边上设有螺丝孔，通过旋转螺丝将包裹在绝缘塑料片中间的对电极19固定，基体17上表面一侧有一螺丝通孔，可以通过螺丝将滑块B与滑槽固定。如图7所示，静电激发系统根据计算机发出的数字信号进行数模转换、放大并加载直流偏压，可同时实现O 1000V直流偏压，O 100V交流信号，模数转化精度为16 24位，模数转化速率最大为lOOMB/s，所述的静电激发系统分别连接在待测样品端和对电极端，实现微米材料振幅和频率的精确控制。视频采集系统是采用光学显微镜放大微米材料的振动过程，通过显微镜与自制高速摄像头获取振动的实时图片或录像，图片扫屏频率可达I 100000帧/秒，并将视频信号传输到计算机。控制运算系统是一套专用软硬件系统，管理整个微米尺度材料内耗装置，主要功能是根据实验设置测量模式(强迫振动或自由衰减)、参数(频率、振幅)、温度等参数并发送激发信号和控制信号，同时采集储存视频采集系统传送的数据，分析处理视频信号获取材料的振幅、频率等信息，结合公式计算出相应微米尺度材料的内耗值。本发明的微米尺度材料内耗与模量测量原理:采用静电激发方式驱动微米材料做自由衰减(自由衰减测量模式，即测量微米样品从一定偏转幅度开始的阻尼振动)或者强迫振动运动(强迫振动测量模式，即测量微米样品在周期性应力作用下的应变)，通过高速视频采集系统(高速相机)将电子显微镜观测的样品振动信号进行实时处理并运算出纳米材料的内耗值和相对模量；其具体测量方法采用高频振动试样的振幅测量和低频振动试样的振幅测量；高频振动试样的振幅测量，即在覆盖共振频率的不同频率下激发试样，由于微米样品共振频率较高，一般在kHz左右，当共振频率高于IKHz时，高速相机难以分辨样品振动具体位置，只能探测到振动试样的平均效果，即一个展宽的像(如图1)所示，如静止试样的像宽度为a，则振动试样的像将展宽为A = k+a，其中k/2即是试样振幅；对于高频振动试样一方面可以采用共振峰法获取内耗值和模量，另一方面可以采用自由衰减法测量内耗；采用共振峰法获取内耗值和模量:首先设定一个频率扫描范围，能够覆盖试样的本征共振频率，然后由计算机按一定的步长从低频段开始扫描，在每一个激发频率下(保持激发电压不变)，分析处理经电子显微镜放大后由高速相机传过来的图像信号，得到试样振动的振幅，作振动振幅与频率的关系曲线，可得到一个中心位于共振频率的共振峰，由公式(I)拟合此共振峰,即可得到共振频率,并可同时估算出内耗值；
权利要求
1.一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:包括底座，所述底座上安装有真空系统，所述底座内部设有光学显微镜，所述光学显微镜上端设有高速摄像头，所述的光学显微镜的工作台上安装有样品夹持平台，所述的真空系统上设有信号转接口，所述的信号转接口通过激发信号线和视频采集线分别连接静电激发系统和视频采集系统，所述的视频采集系统和静电激发系统信号连接有运算控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的真空系统由一金属外罩构成。
3.根据权利要求1所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的样品夹持平台由中心夹持平台和外部微调平台两部分组成，所述的中心夹持平台上设有两组相互垂直的滑槽，所述的滑槽内分别设有滑块A和滑块B，所述的外部微调平台上设有三组螺旋测微器，所述的中心夹持平台上设有加热装置。
4.根据权利要求3所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的加热装置为一加热圆片。
5.根据权利要求3所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的滑块A由基体、设于基体上端面的可旋转圆台及设于可旋转圆台上的金属圆片构成。
6.根据权利要求4所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的可旋转圆台通过螺丝与基体固定连接，所述基体中间设有一个螺丝通孔。
7.根据权利要求3所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的滑块B包括基体，所述的基体上设有凹槽,所述的凹槽内设有对电极,所述凹槽的一边上设有螺丝孔，所述基体上表面一侧有一螺丝通孔。
8.根据权利要求1所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的静电激发系统根据计算机发出的数字信号进行数模转换、放大并加载直流偏压，可同时实现O IOOOV直流偏压，O 100V交流信号，模数转化精度为16 24位，模数转化速率最大为lOOMB/s，所述的静电激发系统分别连接在待测样品端和对电极端。
9.根据权利要求1所述的一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的视频采集系统是采用光学显微镜放大微米材料的振动过程，通过显微镜与自制高速摄像头获取振动的实时图片或录像，图片扫屏频率可达I 100000帧/秒，并将视频信号传输到计算机。
10.根据权利要求1所述的一 种微米尺度材料内耗与模量测量装置，其特征在于:所述的控制运算系统是一套专用软硬件系统，管理整个微米尺度材料内耗装。
全文摘要
一种微米尺度材料内耗与模量测量装置，涉及测量设备技术领域，其特征在于包括底座，所述底座上安装有真空系统，所述底座内部设有光学显微镜，所述光学显微镜上端设有高速摄像头，所述的光学显微镜的工作台上安装有样品夹持平台，所述的真空系统上设有信号转接口，所述的信号转接口通过激发信号线和视频采集线分别连接静电激发系统和视频采集系统，所述的视频采集系统和静电激发系统信号连接有运算控制系统。本发明结构简单，易于测量，且测量精确，为表征该尺度材料微观结构性质提供了科学表征平台。
文档编号G01N29/11GK103245727SQ20121003274
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者庄重, 程帜军, 郭丽君, 吴兵, 王先平, 方前锋 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院