一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统的制作方法

1.本实用新型涉及材料原位拉伸测试装置技术领域，具体为一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统。


背景技术：

2.人类发展史其实也是材料的发展史，随着人类科技的不断进步，对于材料的研究已然从宏观走向微观，从离线表征走向在线表征，从常规工况走向严苛工况。
3.扫描电镜(sem)作为一种介于透射电镜与光学显微镜之间的一种微观形貌观测手段，由于其具有制样相对简单，成像景深大，视野大，成像立体效果好等特点而被广泛的应用于科学研究的各个领域，为了准确研究材料在各载荷状态下的变化过程，机制及其对性能的影响，结合了sem电镜的“原位”技术在近年来有了长足的发展，很多基于sem电镜的微型多功能原位试验台被开发出来，有效解决了科学研究中对不同载荷条件下材料的原位观测问题。
4.随着人类科技向着核能源、深海、深空的快速发展，常规实验条件已经难以满足严苛环境下对材料进行性能评定的需求，一些原位热力耦合原位试验台被相继开发出来。但是由于扫描电镜腔室大小的限制，以及其对真空度的高要求，带有环境的原位试验台开发较为困难，目前通常只有高温环境与力学试验台相耦合的产品，高低温环境由于获得的困难性，以及对sem电镜观测的干扰性，其相关设备十分少见，深冷环境与原位力学试验台的耦合产品更是空白，然而航天、深空探测、液体能源储运等领域向更低温、装置规模大型化发展，火灾、爆炸等恶性事故时有发生，导致人员伤亡、经济损失，为保障低温设备的安全运行，对深冷严苛工况下材料的性能研究及安全评价是急需开展的工作。
5.现有技术cn113138130a-超低温原位拉伸台及扫描电镜超低温原位拉伸测试系统，公开了一种基于扫描电镜的超低温原位拉伸台，记载了低温拉伸试验中工件夹持稳定夹持、循环制冷的技术方案，但该方案存在以下两个重要缺陷：一是无法实现样品自动控温，且无高温加热功能，导致进行低温试验后，在电镜真空腔内自然升温，时长达2-3个小时，由于真空隔热导致升温时间长，打开仓门口含有水蒸气的空气进入扫描电镜真空腔体内，低温模块和样品在低温下凝结水汽结霜，造成扫描电镜极大的存在损坏风险；二是也无法有效屏蔽元件产生的电磁干扰，干扰扫描电镜工作时高能电子束轨迹，造成成像画面出现水波纹，进而影响扫描电镜成像质量。


技术实现要素：

6.基于上述技术缺陷，本实用新型提供一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统，具有高低温控制系统解决了自动控温的技术问题，伺服电机采用主动电磁屏蔽系统以及及输送导线均设置电磁屏蔽涂层解决了电磁干扰的问题。
7.本实用新型一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统，应用在扫描电镜的真空测试腔内，所述高低温力学测试系统包括底座，具有安装槽以及一传动箱；驱动机构和传动机
构，所述驱动机构是指具有在真空环境下工作的电机，连接于所述传动机构，所述传动机构置于所述传动箱中，所述传动机构至少部分位于所述安装槽中；夹具，安装在所述安装槽中的丝杠传动机构上，在夹具一侧设置有力传感器，力传感器与夹具刚性连接，实现对试样的夹持及载荷的传递；高低温试验台，设置在所述安装槽内，且位于两个所述夹具之间；所述低温试验台包括高低温载物台以及与高低温载物台连接的高低温控制系统，所述高低温载物台内部具有相通的制冷液通道，所述制冷液通道具有一进液口和一出液口，所述低温控制系统通过进液管与进液口连通，液氮管路通过真空法兰与外部高低温控制器、液氮罐连通，电磁消除系统，所述的电磁消除系统包括电磁线圈，缠绕于驱动机构伺服电机外部，通过导线与电镜真空腔体外部的信号采集器和信号发生器相连接；真空光栅尺，所述的真空光栅尺与传动机构通过相对位的移滑块连接，当滑块发生位移时将位移信号转换成光电信号传输至外部位移控制器。
8.进一步，所述驱动机构包括一伺服电机，所述伺服电机具有一驱动轴，所述传动机构包括至少一根丝杆，还包括第一同步齿轮、第二同步齿轮以及蜗轮蜗杆，所述驱动轴连接有一光电编码器，所述驱动轴与第一同步齿轮连接，所述第一同步齿轮和第二同步齿轮啮合，所述第二同步齿轮与蜗轮蜗杆啮合，所述蜗轮蜗杆由高速蜗轮蜗杆和低速蜗轮蜗杆组成两级蜗轮蜗杆，进行减速增距，用于改变动力传递方向，所述丝杆为滚珠丝杆，滚珠丝杆输出的动力沿滚珠丝杆的轴线方向，所述伺服电机外部具有电磁线圈与电磁信号检测传感器，通过导线与电镜真空腔体外部的信号采集器和信号发生器相连接，电磁信号检测传感器采集到电磁强度和相位，反馈给信号发生器，信号发生器换将电磁信号算成电磁线圈产生相同强度且相位相差180
°
的电流，电流通过导线激发伺服电机上电磁线圈产生电磁场，消除伺服电机所产生的电磁场。
9.进一步，所述安装槽包括第一安装槽和第二安装槽，第一安装槽内设置有伺服电机以及驱动轴，所述驱动轴与丝杆平行，所述夹具包括至少两个横梁，每一横梁中部均设有一夹具，所述丝杆具有两根，两根丝杆同时与蜗轮蜗杆连接，两根丝杆通过轴承座与底座连接，两根丝杆螺纹旋向相反，丝杆运动时，同步带动横梁相互靠近或者远离，横梁中间设置左右两个夹具，左右夹具上设置有防滑凹槽，并对称开有四个螺纹孔，相应的上盖板通过螺丝与左右夹具结合，在夹具一侧设置有力传感器，力传感器与夹具刚性连接，实现对试样的夹持及载荷的传递。
10.进一步，在夹具连接的滑块上连接水冷板，水冷板为铜制或不锈钢等导热性良好的金属，水冷板内有水冷回路，扫描电镜外部设置水冷循环系统，通过硅胶柔性管路穿过扫描电镜真空腔体的真空密封法兰与水冷板的进液口连接，经过水冷板内的回路后与硅胶软管连接，硅胶软管穿过扫描电镜真空腔体的真空密封法兰回到水冷循环系统，保持夹具后端的力传感器处于-20℃到80℃，保证力传感器的处于正常的工作温度。
11.进一步，所述高低温载物台内部开有螺旋式流道，所述流道的一开口与进液口相通，另一开口与出液口相通，形成贯通的制冷回路，所述高低温载物台内部面粘连有一金属导温层，该金属导温层与高低温载物台之间设有加热装置，所述金属导温层采用银材质或铜材质中的一种。
12.进一步，所述高低温载物台采用金属制成，所述载物台呈矩形、梯形、圆形或椭圆形的一种，所述高低温载物台采用导热性好的银材质、铜材质中的一种，所述高低温载物台
内部设有温度传感器，所述温度传感器与pid温度控制器电性连接，所述温度传感器外部涂覆有电磁屏蔽涂层，其信号传输线采用电磁信号屏蔽线。
13.进一步，所述出液口密封连接一出液管，所述进液管和出液管采用真空金属管，所述进液管和出液管与高低温载物台上的进液口、出液口焊接连接，形成回路。
14.进一步，所述真空测试腔具有电镜接口，所述电镜接口用于进液管和出液管穿过，所述进液管和出液管通过电镜接口导出后与低温控制系统连接，低温控制系统通过低温泵精准调节液氮进入量，以实现对高低温载物台的精准温度控制，所述低温泵将低温液体由低温软管输送入低温控制单元的银质块体中，并通过另一导管将银质块体中的气体及多余低温液体排出。
15.进一步，所述低温控制系统还包括pid温度控制器，所述pid温度控制器包括温度检测模块、主处理器和控制模块，所述温度检测模块用于检测温度并生成检测信号；所述主处理器用于对检测信号进行处理后生成误差信号，并执行pid算法对误差信号进行处理从而生成温度控制信号，所述主处理器中设置有模糊pid控制程序，模糊决策表存放在所述主处理器的闪烁存储器中，所述高低温控制系统与加热装置连接，所述加热装置为电加热片，所述电加热片与pid温度控制器电性连接，所述电加热片用于调节高低温载物台的温度，所述电加热片为棒状或片状或具有网络线路的板状结构，所述电加热片表面涂覆有耐高温、耐腐蚀纳米层。
16.进一步，还包括载荷加载系统，所述载荷加载系统通过电磁屏蔽信号线采集伺服电机、光电编码器、载荷传感器、红外限位传感器的信号，通过控制软件实现高低温力学测试系统的加载，包括拉伸、疲劳测试的实验，所述伺服电机、温度传感器、红外限位传感器、载荷传感器均与电镜接口连接，外部与载荷加载系统连接，实现扫描电镜的真空测试腔的密封环境。
17.本实用新型一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统，结构简单，使用方便，所述载荷加载系统控制驱动机构和传动机构以实现对试样的夹持，以及力的测试，所述低温控制系统调节控制所述低温试验台的实验温度，实现对极低温环境下的力学测试，借助低温泵将低温液体由低温软管输送入低温控制单元的银质块体中，并通过另一导管将银质块体中的气体及多余低温液体排出，以避免银质块体中压力过大同时防止气体分子逸散到扫描电镜的真空腔室中使得相关的离子泵损毁，通过低温液体在银质块体中的气化及传热，使得银质块体达到-196℃～室温之间的某一低温值，并通过高低温载物台利用热传导将试样温度降低至实验目标值，电磁屏蔽涂层减少电磁辐射对电镜的影响，该真空测试腔具有专用电镜接口，利于保持真空状态，提高实验精度。
附图说明
18.图1为本实用新型实施例整体结构示意图；
19.图2为本实用新型实施例的驱动机构结构示意图；
20.图3为高低温载物台结构示意图；
21.图4为本实用新型实施例流程图,。
22.图中：1、底座；2、高低温载物台；3、传动箱；4、夹具；5、丝杆；6、进液管；7、出液管；8、伺服电机；9、真空光栅尺；10、滑块；11、电磁线圈；12、光电编码器；13、力传感器；14、水冷
板；15、加热棒；16、温度传感器；17、透射视窗。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
24.根据图1-图4所示的，本实用新型一种基于扫描电镜的高低温力学测试系统，应用在扫描电镜的真空测试腔内，所述高低温力学测试系统包括底座1，具有安装槽以及一传动箱3；驱动机构和传动机构，所述驱动机构连接于所述传动机构，所述传动机构至少部分位于所述安装槽中；夹具，安装在所述安装槽中的传动机构上；低温试验台，设置在所述安装槽内，且位于两个所述夹具4之间；所述低温试验台包括高低温载物台2以及与高低温载物台2连接的低温控制系统；所述高低温载物台2内部具有相通的制冷液通道，所述制冷液通道具有一进液口和一出液口，所述低温控制系统通过进液管6与进液口连通，液氮管路通过真空法兰与外部高低温控制器、液氮罐连通，电磁消除系统，所述的电磁消除系统包括电磁线圈11，缠绕于驱动机构伺服电机8外部，通过导线与电镜真空腔体外部的信号采集器和信号发生器相连接；真空光栅尺9，所述的真空光栅尺9 与传动机构通过相对位的移滑块10连接，当滑块10发生位移时将位移信号转换成光电信号传输至外部位移控制器，高低温载物台2还具有一透射视窗17。
25.还包括载荷加载系统，所述载荷加载系统通过电磁屏蔽信号线采集伺服电机8、光电编码器12、载荷传感器、红外限位传感器的信号，通过控制软件实现高低温力学测试系统的加载，包括拉伸、疲劳测试的实验，所述伺服电机8、温度传感器16、红外限位传感器、载荷传感器均与电镜接口连接，外部与载荷加载系统连接，实现扫描电镜的真空测试腔的密封环境。
26.高低温载物台2为银质块体，实现样品低温是靠液氮泵将液氮(
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196℃)由输送入低温控制单元的银质块体循环流动中，并通过另一导管将银质块体中的气化后的氮气排出，以避免银质块体中压力过大同时防止气体分子逸散到扫描电镜的真空腔室中使得相关的扫描电镜无法工作。实现测试样品高温是靠银质块体内设置的加热棒15，加热棒15通过电加热后，将热量传导至银质块体。测试样品测试过层与银质块体保持接触并进行热传导，使得测试样品达到高温和低温，并通过高低温控制单元实现的目标值高精度(
±
0.1℃)温度控制高低温载物台。
27.所述驱动机构包括一伺服电机8，所述伺服电机8具有一驱动轴，所述传动机构包括至少一根丝杆5，还包括第一同步齿轮、第二同步齿轮以及蜗轮蜗杆，所述驱动轴连接有一光电编码器12，所述驱动轴与第一同步齿轮连接，所述第一同步齿轮和第二同步齿轮啮合，所述第二同步齿轮与蜗轮蜗杆啮合。
28.所述伺服电机8外部具有电磁线圈11与电磁信号检测传感器，通过导线与电镜真空腔体外部的信号采集器和信号发生器相连接，电磁信号检测传感器采集到电磁强度和相位，反馈给信号发生器，信号发生器换将电磁信号算成电磁线圈11产生相同强度且相位相差180
°
的电流，电流通过导线激发伺服电机8上电磁线圈11产生电磁场，消除伺服电机8所产生的电磁场。
29.所述安装槽包括第一安装槽和第二安装槽，所述驱动机构安装在第一安装槽内，所述夹具4包括至少两个横梁，每一横梁中部均设有一夹具 4，在夹具4一侧设置有力传感
器13，力传感器13与夹具刚性连接，实现对试样的夹持及载荷的传递，所述丝杆5具有两根，两根丝杆5同时与蜗轮蜗杆连接，两根丝杆5通过轴承座与底座1连接，两根丝杆5螺纹旋向相反，丝杆5运动时，同步带动横梁相互靠近或者远离，横梁中间设置左右两个夹具，左右夹具上设置有防滑凹槽，并对称开有四个螺纹孔，相应的上盖板通过螺丝与左右夹具结合，实现对试样的夹持及载荷的传递。
30.在夹具4连接的滑块10上连接水冷板14，水冷板14为铜制或不锈钢等导热性良好的金属，水冷板14内有水冷回路，扫描电镜外部设置水冷循环系统，通过硅胶柔性管路穿过扫描电镜真空腔体的真空密封法兰与水冷板14的进液口连接，经过水冷板14内的回路后与硅胶软管连接，硅胶软管穿过扫描电镜真空腔体的真空密封法兰回到水冷循环系统，保持夹具4后端的力传感器13处于-20℃到80℃，保证力传感器13的处于正常的工作温度。
31.所述低温控制系统还包括pid温度控制器和温度传感器16，所述高低温载物台2采用金属制成，所述载物台呈矩形、梯形、圆形或椭圆形的一种，所述高低温载物台2采用导热性好的银材质、铜材质中的一种，所述高低温载物台2内部设有温度传感器16，所述温度传感器16与pid温度控制器电性连接，所述温度传感器16外部涂覆有电磁屏蔽涂层，其信号传输线采用电磁信号屏蔽线。
32.所述出液口密封连接一出液管7，所述进液管6和出液管7采用真空金属管，所述进液管6和出液管7与高低温载物台2上的进液口、出液口焊接连接，形成回路。
33.所述真空测试腔具有电镜接口，所述电镜接口用于进液管6和出液管 7穿过，所述进液管6和出液管7通过电镜接口导出后与低温控制系统连接，低温控制系统通过低温泵精准调节液氮进入量，以实现对高低温载物台2的精准温度控制，所述低温泵将低温液体由低温软管输送入低温控制单元的银质块体中，并通过另一导管将银质块体中的气体及多余低温液体排出。
34.所述pid温度控制器包括温度检测模块、主处理器和控制模块，所述温度检测模块用于检测温度并生成检测信号；所述主处理器用于对检测信号进行处理后生成误差信号，并执行pid算法对误差信号进行处理从而生成温度控制信号，所述主处理器中设置有模糊pid控制程序，模糊决策表存放在所述主处理器的闪烁存储器中。
35.所述低温控制系统与加热装置连接，所述加热装置为电加热片，所述电加热片与pid温度控制器电性连接，所述电加热片用于调节高低温载物台的温度，所述电加热片为网状或具有网络线路的板状结构，所述电加热片表面涂覆有耐高温、耐腐蚀纳米层，所述电加热片与pid温度控制器电性连接，所述加热装置用于调节高低温载物台2的温度。
36.还包括载荷加载系统，所述载荷加载系统通过电磁屏蔽信号线采集伺服电机、光电编码器、载荷传感器、红外限位传感器的信号，通过控制软件实现高低温力学测试系统的加载，包括拉伸、疲劳测试的实验，所述伺服电机、温度传感器、红外限位传感器、载荷传感器均与电镜接口连接，外部与载荷加载系统连接，实现扫描电镜的真空测试腔的密封环境。
37.两根丝杆5一端通过轴承座与床身底座1连接，另一端与齿轮箱相连接，两个丝杆5的螺纹旋向相反，丝杆5运动时，带动左右横梁相互靠近或远离从而实现对试样的加载。齿轮箱中设置的齿轮组可以将电机的运动传递至两根丝杆5，此外齿轮箱中还整合入了位移传感器，通过测量特定齿轮的旋转角度得到横梁的位移值。左右夹具上设置有防滑凹槽，并对称开有四个螺纹孔，方便相应的上盖板通过m2螺丝与夹具结合，实现对试样的夹持。在左
横梁上开有凹槽并对称开有4个m2螺纹孔，用于将载荷传感器安装在横梁上，左夹具通过两个m3螺丝与载荷传感器相连接，从而方便获得实验中的载荷数据。而右夹具则为了简化设备的设计而直接开设在右横梁上。
38.低温控制系统通过低温泵将低温液体经由低温软管输送至银质块体中，并通过连接与银质块体上的另一端口将气体排出，以避免银质块体中压力过高以及气体对扫描电镜的损害。
39.装置可以直接放置于扫描电镜的观察腔中，也可以更换底部端盖为具有电镜固定板的端盖从而实现设备在扫描电镜腔室中的固定安装。
40.本实用新型工作过程：首先将低温软管穿过床身底座1上所开通孔与低温环境腔相应位置密封连接。随后将载荷传感器校零，随后调整左右横梁位置至合适处，将试样放于两夹具上并对中。接下来通过m2螺丝将上盖板与夹具锁紧，确保对试样的夹持紧致可靠。接下来将低温软管与低温泵及低温液体储罐连接，试通入制冷液体，观察是否存在漏液、漏气现象，若无泄漏现象则停止供液，断开相关设备之间的连接。将试验台放入扫描电镜观察腔，将低温软管与扫描电镜中相应接口处，随后进行抽真空，并且将低温泵及低温液体储罐与扫描电镜系统相连接，开始供液制冷。待抽真空完毕，温度达到设定值后按照相应试验要求保温后即可正常开展所需力学实验及扫描电镜观测。
41.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。