载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试系统和方法

本发明涉及载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试系统和方法。
背景技术：
：在许多工业领域中，材料之间相互(运动)接触、导电、导热等情况耦合在一起，导致很难评估材料的各种特性。例如，在单纯力学接触体系中能够相对准确的估计元件的疲劳过程，但是在高速、重载、复杂载荷谱、高低温环境的耦合情况下，对疲劳过程的预估就与单纯力学接触情况有很大的偏差。若仍按照单纯力学接触模型进行估计，则会导致许多关键部件设计无法达到预期。再如，对于力-电接触体系，力-电耦合作用会对材料产生弱化，导致接触导电失效几率大幅度提升。又如，半导体领域中常见的力-热接触体系，随着半导体器件向着多功能、微型化、高功率方向发展，接触界面热流密度已经从0.4w/cm2急剧增加至80w/cm2，接触界面导热不良造成的高温占据芯片故障的55％，低热阻设计成为我国芯片制造业的关键技术难题之一。由此可见，运动接触状态下材料力-热-电接触失效是目前许多重大工程的瓶颈问题之一。而该问题较为复杂，运动条件下的力-热-电接触材料研究为材料科学与表界面科学的交叉领域。固体表面接触是实现各类器件、部件之间能量传输的基本途径。无论是机械零部件的机械能传输，还是导电、导热器件之间的电能、热能的传输，固体表面的接触状态在很大程度上决定了能量传输系统的性能。在足够小的尺度下，任何光滑的接触表面都呈现出粗糙不平的形貌，真实的接触实际上仅发生在部分微观的凸峰之间。也就是说，宏观接触行为实际上是大量微区接触行为的集合。因此，要进行运动条件下的力-热-电接触材料研究，必须聚焦这些微区进行研究。然而，由于界面接触区域的不可视性、接触状态的瞬时性等特点，目前仍然缺乏评价材料运动条件下的力-热-电接触性能的技术手段，尤其是对力-热-电微区接触行为的解析手段在国际上仍是空白。技术实现要素：本申请的目的在于提供一种载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试系统和方法，用以填补现有技术的空白，提供研究力-热-电微区接触行为的手段。为实现上述目的，本发明提出了一种载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试系统，包括：两个固定装置，分别用于固定一个摩擦副的两个试样中的一个；至少一个驱动装置，用于驱动至少一个所述固定装置沿至少一个方向运动；电负荷加载装置，用于在两个试样之间加载电负荷；激励线圈，用于对至少一个试样所在区域施加交变磁场；若干个涡流传感器构成的涡流传感器阵列，用于检测所述交变磁场在摩擦接触过程中产生的响应；信号处理部分，用于对所述涡流传感器检测的信号进行解耦，形成接触面上各个微区的压力信息和温度信息。进一步的，所述固定装置包括用于固定上试样(2)的试样卡具(3)和用于固定下试样(11的)盘状支撑架。进一步的，所述驱动装置包括用于带动所述试样卡具(3)沿水平面内两个方向运动的x-y二轴平移台(5)，以及驱动所述x-y二轴平移台(5)的平移电机(1)；所述驱动装置还包括用于带动所述盘状支撑架上下移动的升降台(10)，以及驱动所述升降台(10)的升降电机(8)。进一步的，所述激励线圈(19)设于下试样(11)下方，所述涡流传感器(9)设于所述激励线圈(19)和下试样(11)之间。进一步的，所述上试样(2)为单个或多个针试样；所述下试样(11)为具有光滑水平表面的块状试样。进一步的，所述试样卡具(3)上设有压力传感器，用于检测上试样(2)和下试样(11)之间因挤压而产生的压力。进一步的，所述电负荷加载装置中设有电流传感器，用于采集上下试样之间电流回路的电流。本发明还提供了一种载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试方法，步骤如下：对摩擦副施加交变磁场，并且通过涡流传感器进行检测；将整个接触面划分为若干个微区，对检测到的信号进行解耦，得到各个微区的温度信息和压力信息；根据微区状态判据进行判断，得到各个微区的状态并且进行可视化展示；其中，所述微区状态判据包括接触状态判定和导电状态判定，并且通过所述压力信息对接触状态进行判定，通过所述温度信息对导电状态进行判定。进一步的，所述微区状态分为两种以上的状态，为每种状态赋予一种颜色或图案以对相应的微区进行标注，得到整个接触面的可视化图像。进一步的，所述微区状态包括接触导电、接触不导电、不接触导电和不接触不导电四种状态。本发明的有益效果是：本发明可实现导体摩擦副表面微区接触状态的实时观测，既包括普通摩擦接触状态的检测，也包括带有电、热的复合接触状态检测；而且通过涡流传感器进行检测，不破坏试样，属于无损检测；检测时可以最大程度的反映接触表面微区的状态变化。附图说明图1是本发明的测试装置示意图；图2是标定原理示意图；图3是涡流信号检测系统示意图；图4是数据处理流程图；图5是微区接触状态图；其中，a为真空系统，b为磁屏蔽系统，1为平移电机，2为针试样(即上试样)，3为试样卡具，4为压力传感器，5为x-y二轴平移台，6为支架，7为避震台，8为升降电机，9为涡流传感器，10为升降台，11为平面试样(即下试样)，19为激励线圈。具体实施方式测试系统实施例如图1为用于载流摩擦微区表层力-热-电负荷分布测试的系统。被测试的摩擦副包括上试样2和下试样11，上试样2为针试样，即具有针状尖端的试样，其尖端与下试样11的表面接触；从微观角度来说，即凸起上的微凸峰与下试样表面的微凸峰进行接触、摩擦。系统主要包括试样卡具3，用于卡住上试样2；一个盘状支撑架，用于支撑、固定下试样11，下试样11下方的盘状支撑架内设置多个涡流传感器9，形成涡流传感器阵列。涡流传感器阵列下方设置激励线圈19，用于产生交变磁场(如图2所示，激励线圈19连接激励信号产生模块，激励信号产生模块包括激励信号发生器和信号解调器)。盘状支撑架设置在一个升降台10上，升降台10由升降电机8驱动，使升降台10能够上下移动。试样卡具3固定在一个x-y二轴平移台5上，在平移电机1的驱动下，能够沿x方向和y方向移动。试样卡具3上还设置有压力传感器4，用于测量由于上试样2和下试样11之间挤压而传递到试样卡具3上的压力。系统还包括电负荷加载装置，包括直流电源，其正负端子分别连接上试样2和下试样11，用于在上试样2和下试样11之间施加直流电；作为其他实施方式，也可以利用交流电源在上试样2和下试样11之间施加交流电。系统还包括控制部分，包括电机控制系统和数据采集处理系统，电机控制系统控制所述平移电机1(vx和vy)和升降电机8(vz)，数据采集处理系统包括涡流信号检测模块、电流信号采集模块和压力信号采集模块，如图2所示，涡流传感器9采集的信号通过信号预处理单元、信号解调单元和ad转换单元后上送到上位机。其中信号预处理单元、信号解调单元和ad转换单元可以由硬件、软件或者硬件与软件的结合实现。电流信号采集模块连接电负荷加载装置中的电流传感器，用于采集上下试样之间电流回路的电流。压力信号采集模块连接所述压力传感器4，用于采集上试样2和下试样11之间因挤压而产生的压力。综上，该系统可以使上试样2、下试样11之间静止接触、运动接触、接触的同时导电，从而提供了一种研究力-热-电微区接触行为的测试系统。本实施例中，下试样11上下运动，上试样2在xy方向运动。作为其他实施方式，可以下试样11在xy方向运动，上试样2上下运动，甚至由单个试样在三个方向上运动，另一个静止。系统的主要设备均置于一个磁屏蔽系统b中，包括支架6和端盖，以保证系统不受外界磁场干扰。为了保证试验环境不受空气压力影响，本实施例还设置了密封系统用于将磁屏蔽系统密封起来，形成一个真空系统a。整个系统下方还设置有避震台7，避免整个系统震动。本实施例中。上试样2的往复运动通过与其连接的驱动装置(平移电机1)实现，下试样11在摩擦方向相对固定，采用合适尺寸的双面抛光单晶铜标准试样，为简化接触模型和运算量，粗糙度控制在5nm以内。接触正压力通过下试样相连的加载系统(升降电机8)实现。上试样2为块状的、多针的实际检测试样或标定试样，作为其他实施方式，也可以采用单针的试样。本实施例的系统可实现摩擦和导电的复合接触检测和单独接触检测(若要实现单独的普通摩擦接触，关闭电源即可)。电流、电压、摩擦系数在试验过程中可以同步采集。在摩擦和导电复合接触或单独接触的过程中通过涡流传感器采集信号。采用的激励信号为双频激励信号，由频率可调的信号发生器产生，经信号调制模块调制后送至激励线圈19。tmr阵列传感器置于下试样下方。封装后的传感器形状设计为长方体，内部阵列传感器的核心在20μm以下，相邻传感器间距根据微凸峰量级测试需求设计。采用双频激励的原因在于，双频激励下，涡流传感器对温度和应力响应存在差异，因此能够对采集的信号进行解耦分别获得应力信息和温度信息。如图3所示，信号上送到上位机后，上位机进行数据解耦、分析以及可视化呈现。相关内容在方法实施例中具体介绍。测试方法实施例由于双频涡流传感器对温度和应力响应存在差异，因此本项目采用双频涡流传感器实现温度和应力信号的解耦处理。在复合接触条件下，涡流传感器在时刻t检测信号包括了应力分量p(t)与温度分量t(t)，双频涡流传感器阵列的输出的电压信号分别为：u(t)＝g·p(t)+h·t(t)+cu′(t)＝g′·p(t)+h′·t(t)+c′其中矩阵g、h和g`、h`分别为双频涡流传感器应力和温度信号的传播衰减，向量c和c′分别为双频涡流传感器空载时输出的电压信号。由于传感器垂直上方的涡流信号最强，随着传感器与被测点距离的增加，接收信号强度减弱。因此矩阵g、h和g`、h`都是非奇异矩阵。通过求解上述方程可以得到信号输出时刻的温度和应力分量。矩阵g、h和g`、h`中的元素和空载输出信号c和c′都可通过标定精确确定，矩阵求逆可以预先计算存储，计算时直接使用。应用同时刻阵列传感器温度、应力解耦结果，对接触表面的各微区接触状态进行判断，确定出该时刻接触表面微区位置坐标，并形成可视化的接触状态的时刻信息图。对不同时刻摩擦接触表面微区位置坐标的连续分析可获得摩擦过程接触状态的动态演变规律。数据处理系统技术路线如图4所示。对于某一时刻，将整个接触面分为若干个微区，采集涡流传感器的信号并且通过信号解耦得到各个微区的温度信息和压力信息；然后根据接触状态判据(根据标定情况确定)进行判断，得到各个微区的接触状态，最后进行可视化呈现。具体判断方法如下:根据传感器阵列采集的信号进行温度和压力信号的解耦处理，得到每个微区域瞬时的压力信息p(t)＝[p1(t),p2(t),...,pn(t)]t和温度信息t(t)＝[t1(t),t2(t),...,tn(t)]t，然后对每个微区的状态进行判断，包括接触状态判定和导电状态判定。第i个微区在t时刻的接触状态的判定准则为当sc(i,t)为1，表示处于接触状态；当sc(i,t)为0，表示处于不接触状态。第i个微区在t时刻的导电状态的判定准则为：当se(i,t)为1,表示处于导电状态；当se(i,t)为0，表示处于不导电状态。其中,温度阈值tth和压力阈值pth通过实验标定确定。然后，根据sc(i,t)和se(i,t)的状态值，将第i个微区在t时刻的状态值s(i,t)表示如下：依据s(i,t)值将第i个微凸区域在t时刻的状态分成接触导电、接触不导电、不接触导电(电弧放电)和不接触不导电四种状态，分别对应的微区定义如表1。表1表面微区分类sc(i,t)se(i,t)s(i,t)状态000非工作区011非接触电弧导电区102接触绝缘区113接触导电区然后，对每种状态赋予一种颜色(或图案)，对相应的微区进行标注，即可得到如图所示的可视化效果图；可视化效果如图5所示。上述测试过程中，涉及许多试验参数，例如激励信号频率的选择，接触状态判据等需要标定，包括：涡流激励参数的确定为了进行温度、应力信号检测，需要依据试样材料电导率、被测试样的结构、拟检测试样的服役工况(速度、压力、电流)进行涡流激励参数的优化。为此，本系统在单接触峰的微区载荷和电流输入条件下，建立涡流检测信号强度与激励频率之间的关系，通过优化设计确定适用于给定厚度试样的激励频率范围及双频频率确定方案。静态接触下多峰接触标定在多峰接触条件下，峰与峰之间的检测信号有可能发生耦合作用；如图2所示，处于中间的涡流传感器接收到的信号由u1，u2，u3组成，u1由自身正上方单峰所产生的，u2、u3由两侧单峰产生。采用标准结构的多峰接触，通过改变试样与传感器之间的水平相对位置，获得单峰完整的涡流信号沿峰半径方向的强度分布，为确定接触状态判据提供依据。当前第1页12