原位力加载实验仪器的制作方法

本发明涉及力学实验技术领域，更具体地说，涉及一种原位力加载实验仪器。

背景技术：

纳观尺度内部三维原位力学实验，是理解材料失效破坏机制、优化材料性能、预防材料破坏的关键。原位，是实时在线，是指所做的实验与测量对象在原本的测试环境下，动态观察实验过程。

对于材料的内部结构，可通过纳米分辨率原位断层成像(ct)观测技术观测，然而现有技术中并没有成熟的实验仪器和方法，因此迫切需要发展一种能在材料加载过程中进行原位纳米分辨率原位ct观测的实验技术和仪器。然而在纳米ct实验中需要7～8个自由度复杂轴系的精密定位和联动，力加载系统的引入将造成部分角度投影信息的丢失或轴系联动的破坏，至今仍未能实现材料加载过程的纳米分辨率原位ct实验观测(目前国际上美国阿贡实验室、英国钻石光源，瑞士光源等先进光源，也仅能实现最高0.65微米分辨率的加载过程原位ct检测)。

原位纳米分辨率原位ct观测的技术难度在于，首先，纳米分辨率的ct实验需要一系列复杂轴系的纳米级精密联动，包括试件中心的定位、转轴位置的定位、转轴倾角的调整、试件的旋转。在纳米ct实验中，试件的旋转运动误差需要小于30纳米，而对于转轴倾角的调整，需要通过其中6个自由度的轴系联动，使得转轴与竖直方向夹角弧度小于0.0025。超高精度的多自由度复杂轴系导致了纳米分辨率ct极大的实验难度。

进一步，在ct多自由度复杂运动的基础上引入加载系统，将导致部分角度投影信息的丢失或轴系联动的破坏。目前现有的技术方案一般采用将加载系统简单堆叠于复杂轴系上方，这将导致加载系统对x射线的遮挡，造成部分角度投影信息的丢失。而若将复杂轴系引入加载系统内部，则各个运动轴还需进行同步的加载运动，加载过程本身的拉、压、扭等运动对复杂轴系联动的破坏，导致这一思路是无法实现的。加载系统与多自由度复杂轴系之间的矛盾，使得ct原位加载实验的分辨率难以突破到纳米尺度。

综上，实现纳米分辨率ct原位加载实验的核心技术难点在于，力加载与多自由度复杂轴系的耦合，即在超高精度力学加载的基础上，满足纳米分辨率多自由度复杂运动的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种原位力加载实验仪器，以提高原位加载实验的调节精度并且实现了ct实验信息数据无遮挡采集。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种原位力加载实验仪器，包括对实验试件进行装夹和力加载的微试件加载系统，架撑所述微试件加载系统的支撑框架；

所述支撑框架的底部设置有对其进行支撑和对所述实验试件旋转轴的竖直度与位置调整的转轴定位系统。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述微试件加载系统包括对所述实验试件进行定位与旋转的定位旋转系统，对所述定位旋转系统的位置进行对准的夹具对准系统，和对所述试样试件进行装夹和力学加载的力加载系统；

所述定位旋转系统包括设置于所述支撑框架的顶部，对所述实验试件的位置进行调整和旋转的上定位旋转系统，

和固装于所述夹具对准系统上方，对所述实验试件的位置进行调整和旋转的下定位旋转系统。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述上定位旋转系统包括架装于所述支撑框架的顶部，对所述实验试件进行旋转调节的上部旋转台，

和架装于所述上部旋转台的下方，对所述实验试件进行位置调整的上部正交位移台。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述下定位旋转系统包括架装于所述夹具对准系统的上方，对所述实验试件进行旋转调节的下部旋转台，

和架装于所述下部旋转台的上方，对所述实验试件进行位置调整的下部正交位移台。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述夹具对准系统内设置有对所述定位旋转系统的位置进行调整的第一正交位移台，

以及对所述定位旋转系统的倾斜角度进行调整的第一正交倾斜台。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述微试件加载系统还包括对所述上定位旋转系统和所述下定位旋转系统调节试件位置的正交位移台与信息数据采集过程中负责试件旋转的旋转台进行同步控制的同步装置。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述力加载驱动装置上设置有对其加载力进行监测的力传感器，和对试件形变进行监测的位移传感器。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，所述转轴定位系统包括上下布置，对所述支撑框架进行竖直度调整的转轴定位倾斜台，

对所述支撑框架的位置进行调整的转轴定位位移台，

对所述支撑框架的高度进行调整的转轴定位升降台。

优选地，在上述原位力加载实验仪器中，还包括与所述支撑框架的位置配合，产生x射线的同步辐射光源或x射线机，

以及接收所述x射线的x-ray探测器，对接收的所述x射线进行图像反演重建和处理系统。

本发明提供的原位力加载实验仪器，包括对实验试件进行装夹和力加载的微试件加载系统，架撑微试件加载系统的支撑框架；

支撑框架的底部设置有对其进行支撑和对试件旋转轴的竖直度与位置进行调整的转轴定位系统。

在力加载实验前，调整旋转轴竖直且位置位于视场中心，通过试件定位旋转系统将试件位置调整与旋转轴重合，力加载系统对试件装夹和力学加载，在力加载实验试件的形态发生变化时，由试件定位旋转系统旋转试件，同步辐射光源或x射线源产生x光穿过试件被x_ray探测器接收，进行信息数据采集。

通过设置独立的微试件加载系统和转轴定位系统，实验试件加载旋转独立于支撑结构，实现实验试件的信息数据采集过程无遮挡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的原位力加载实验仪器的系统示意图；

图2为本发明提供的原位力加载实验仪器的结构示意图；

图3为图2中定位旋转系统的结构示意图；

图4为图3中夹具对准系统的结构示意图；

图5为图2中转轴定位系统的结构示意图；

图6为同步控制定位旋转系统的同步系统的结构示意图；

图7为图2中支撑框架的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种原位力加载实验仪器，提高了原位加载实验的精度并且实现了ct实验信息数据无遮挡采集。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，图1为本发明提供的原位力加载实验仪器的系统示意图；图2为本发明提供的原位力加载实验仪器的结构示意图；图3为图1中定位旋转系统的结构示意图；图4为图1中夹具对准系统的结构示意图；图5为图1中转轴定位系统的结构示意图；图6为同步控制定位旋转系统的同步装置的结构示意图；图7为图2中支撑框架的结构示意图。

本实施例提供了一种原位力加载实验仪器，包括对实验试件5进行装夹、定位旋转和力加载的微试件加载系统101，架撑微试件加载系统的支撑框架1；

支撑框架1的底部设置有对其进行支撑和对试件旋转轴的竖直度与位置调整的转轴定位系统102。

试件在力加载实验前，通过转轴定位系统102将旋转轴调整为竖直且位于视场中心，然后由试件定位旋转系统1011和1012调整试件位置与旋转轴重合，由支撑框架1架撑，在力加载实验过程中试件的形貌发生变化时，由试件定位旋转系统1011和1012旋转试件，同步辐射光源或x射线源产生x光穿过试件被x_ray探测器接收，进行信息数据采集。

通过设置独立的微试件加载系统101和转轴定位系统102，实验试件加载旋转独立于支撑结构，实现实验试件的信息数据采集过程无遮挡。

在本案一具体实施例中，微试件加载系统101包括对实验试件5进行定位与旋转的定位旋转系统和对定位旋转系统的位置进行调整的夹具对准系统1013，还包括对实验试件进行装夹和力学加载的力加载系统；

微试件加载系统101用于对实验试件5的装夹、定位和旋转，以及在力加载过程中，提供对实验试件5拉、压、扭等运动。

实验试件5进行力加载实验前，由夹具对准系统调整力加载系统的上、下夹具对准，然后装夹试件，试件定位旋转系统调整试件位置与旋转轴重合，在力加载实验过程中，试件形貌发生变化时，由试件定位旋转系统负责样品旋转，同步辐射光源或x射线源产生x光穿过试件被x_ray探测器接收，进行信息数据采集。

定位旋转系统包括设置于支撑框架1的顶部，对实验试件5的位置调整和旋转的上定位旋转系统1011，

和固接于夹具对准系统上方，对实验试件5的位置调整和旋转的下定位旋转系统1012。

在本案一具体实施例中，上定位旋转系统1011包括架装于支撑框架1的顶部，对实验试件进行旋转的上部旋转台2，和架装于上部旋转台2的下方，对实验试件进行位置调整的上部正交位移台3。

下定位旋转系统1012包括架装于夹具对准系统1013的上方，对实验试件进行旋转的下部旋转台7，和架装于下部旋转台7的上方，对实验试件5进行位置调整的下部正交位移台6。

夹具对准系统1013包括架装于支撑结构1上方，对下定位旋转系统1012进行位置调整的第一正交位移台9，和架装于第一正交位移台9下方，对下定位旋转系统1012进行倾斜角度调整的第一正交倾斜台8.

夹具对准系统1013在试验试件装夹前，由第一正交位移台9调整下定位旋转系统1012位置，由第一正交倾斜台8调整下定位旋转系统1012倾斜角度保证上、下夹具的对准，装夹试件后，由试件定位旋转系统的上部正交位移台3和下部正交位移台6共同调整试件位置与旋转轴重合，在力加载实验过程中，试件形貌发生变化时，试件定位旋转系统的上部旋转台2和下部旋转台7共同旋转试件，同步辐射光源或x射线源产生x光穿过试件被x_ray探测器接收，进行信息数据采集。试件优选地，微试件加载系统101还包括对实验试件进行加载的力加载系统；还包括对上定位旋转系统和下定位旋转系统的位置调整与信息数据采集过程试件旋转进行同步控制的同步装置13。

由于上定位旋转系统和下定位旋转系统同步动作，同步装置对二者进行同步控制，保证二者位置调整和旋转动作一致性。

在本案一具体实施例中，力加载驱动装置上设置有对其加载力进行监测的力传感器，和对其位移进行监测的位移传感器。实验试件在进行力学加载后，其夹持位置发生变化，为了对实验试件实验数据进行准确测量，在力加载驱动装置内设置力传感器和位移传感器，实现对实验过程中实验试件的实验过程进行准确记录和测量。

在本案一具体实施例中，转轴定位系统102包括上下布置，对支撑框架1竖直度进行调整的转轴定位倾斜台10，

对支撑框架1的横向位置进行调整的转轴定位位移台11，

对支撑框架1的高度进行调整的转轴定位升降台12。

支撑框架1底部设置对实验试件旋转过程旋转轴的位置和竖直度调整的转轴定位系统。为满足拉伸加载的实验精度要求，在支撑框架1的底部设置转轴定位系统102，对支撑框架1进行横向位置、竖向高度和竖直度的多自由度调节，由可进行倾斜角度调整的转轴定位倾斜台10、可进行支撑框架1横向位置调整转轴定位位移台11和可对支撑框架1的竖向高度进行调整的转动定位升降台12，实现力加载系统的支撑框架1，与独立的多自由度调节的转轴定位系统102耦合，保证实验精确度。

支撑框架1为框状结构，其顶部为上定位旋转系统的框架顶板171，其底部为支撑夹具对准系统102的框架底板172，框架顶板171和框架底板172之间通过多条支撑柱173架撑。优选框架顶板171和框架底板172均为矩形结构，支撑柱173对矩形结构框架顶板171和框架底板172的边角进行支撑。

在本案一具体实施例中，还包括与支撑框架的位置配合，产生x射线的同步辐射光源或x射线机，以及接收x射线的x-ray探测器，对接收的x射线进行图像反演重建和处理系统。检测过程中，x射线经过一系列光学元件后穿透试件后从射出，然后由x-ray探测器接收成像。在具体实施过程中，x射线可有同步辐射光源或x射线机产生，其光束类型包括但不限于平行束、锥束和扇形束等。

穿透试件后射出的x射线被x-ray探测器接收，并存储于计算机硬盘上，然后利用处理系统进行图像反演重建和处理得到各时刻的试件内部的纳米分辨率三维微结构形貌图像。

本实施例提供的原位力加载实验仪器，在具体实施时，通过以下步骤按特定顺序完成：

1.利用夹具对准系统1013、转轴定位系统102和上定位旋转系统1011、下定位旋转系统1012将支撑框架1内的上、下夹具对准；

2.利用转轴定位系统102和上定位旋转系统1011、下定位旋转系统1012将系统转轴调整至竖直方向且位于水平方向探测器视场中心；

3.利用升降台12，将实验试件中心5移至探测器视场高度中心；

4.利用上定位旋转系统1011、下定位旋转系统1012将试件移至水平方向的探测器视场中心，使试件中心、转轴、视场中心重合；

5.利用力加载系统对实验试件5进行加载，同时利用上部旋转台2、下部旋转台7对实验试件5进行高精度旋转；

6.利用图像采集及重建系统的x-ray探测器采集完整的投影数据，利用处理系统对投影数据进行反演重建和处理

8.得到试件加载过程各时刻的纳米分辨率超高精度内部三维结构演化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。