CN111060415A - 考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，测试装置包括z轴精密定位单元、压痕力加载及检测单元、压入深度检测单元、两自由度粘滑式压电精密定位平台。压痕力加载及检测单元安装在z轴精密定位单元上，压入深度检测单元安装在压痕力加载及检测单元上，两自由度粘滑式压电精密定位平台安装在z轴精密定位单元上。优点在于：装置考虑了力传感器的变形，通过力传感器和电容式位移传感器的合理布置方式，从结构上避免了由于力传感器变形带来的测量误差，可以得到更精确的压痕深度值，提高了测试精度。装置结构紧凑、尺寸小，具有大范围高精度的二自由度定位能力，可以方便地安装在扫描电子显微镜内对材料进行原位压痕测试。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，其结合了精密驱动技术与原位测试技术，拥有较高的检测精度以及较小的外部尺寸，可用于在扫描电子显微镜的实时监测下，对不同材料进行原位压痕测试试验，以探究材料在微纳米尺度下的力学性能与变形机制。
背景技术
材料的力学性能直接影响了材料的应用场合与使用寿命，材料的宏观破坏源自于微观的变形，而如拉伸试验、硬度测试等传统的力学性能测试方法很难直接用来研究材料的微观力学性能与变形机制。在传统硬度测试的基础上，具有操作简单、分辨率高、可获得信息丰富等优点的压痕测试技术得到了深入发展，而随着微纳米技术与电子显微技术的进步，原位压痕测试方法应运而生，仪器化原位压痕测试装置的开发也受到了国内外学者的关注。瑞士联邦材料测试与研究实验室R.Rabe等人于2004年在《Advanced EngineeringMaterials》第7卷第388-392页提出了一种结构比较紧凑的原位压痕测试装置，可以内置在SEM内实现材料的原位压痕试验，得到实时压痕图像以及压入载荷-深度关系，结构布置如附图6所示，通过手动调节z轴螺旋纽调整试件与压头之间的距离，将力传感器放置在粘滑式x、y轴压电精密定位平台上，应变仪作为位移传感器内置在z轴压痕头中，这种布置方式，位移传感器测量的位移值实质上包含了力传感器的变形，与压入深度并不相等。在此结构的基础上，R.Ghisleni于2009年在《Microscopy Research and Technique》第72卷第242-249页提出了一种改进型，将手动调节z轴螺旋纽调整为步进电机自动调整。Alemnis公司已经将他们的设计商业化。苏黎世联邦理工学院J.M.Wheel等人于2015年在《CurrentOpinion in Solid State and Materials Science》第19卷第354-366页提出了一种适用于高温条件下的原位压痕测试装置，同样是采用与上述相同的，将力传感器放置在粘滑式x、y轴压电精密定位平台上，应变仪作为位移传感器内置在z轴压痕头中的结构布置，并且加入了加热与冷却系统，可以实现在高温条件下的原位压痕试验。国内吉林大学黄虎等人于2011年在《Advanced Materials Research》第314-316卷第1792-1795页提出了一种小型化纳米压痕装置，采用了直动式压电驱动x、y轴移动平台，力传感器同样是放置在x、y轴移动平台上，位移传感器并未像上述纳米压痕仪器一样集合在压痕头内，而是与压痕头分别用手动螺旋微驱动平移台来调整与试件之间的距离，该装置并未实现在SEM内的原位压痕试验。吉林大学黄虎等人于2012年在《AIPAdvance》第2卷第012104页提出了一种可内置在SEM内的原位压痕测试装置，该装置不同于传统的原位压痕测试装置，采用了将压头固定，z轴驱动平台安装在试件与力传感器的下方，来驱动试件逼近压头的结构，试件与压头距离的粗调整是通过手动螺旋微驱动平移台来实现，位移传感器安装在z轴驱动平台上，该装置实现了内置在SEM内的原位压痕试验，然而它的安装方式也没有解决压入深度测量值包含了力传感器变形的问题。综上，在原位压痕测试装置中，力传感器的柔度往往是最大的，忽略它的变形会严重影响测试精度，通过后续算法处理的方式消除包含的力传感器变形又会大大增加校准难度，因此，开发一种从结构上可以避免力传感器变形引起的压入深度测量误差的原位压痕测试装置将会提升检测精度、简化实验步骤，对推动原位压痕测试的应用有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题，提升了检测精度，可以方便地实现对材料的原位压痕测试，在航空航天、材料科学、超精密加工等领域具有广泛的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，包括z轴精密定位单元1、压痕力加载及检测单元2、压入深度检测单元3、两自由度粘滑式压电精密定位平台4。其中压痕力加载及检测单元2安装在z轴精密定位单元1的导轨滑块组件102上；压入深度检测单元3安装在压痕力加载及检测单元2的柔性铰链机构b201上；两自由度粘滑式压电精密定位平台4安装在z轴精密定位单元1的底板101上。装置的总体尺寸为50mm×90mm×120mm。装置完成装配后，可以安装在扫描电子显微镜真空腔的载物台上，进行原位压痕试验，利用扫描电子显微镜得到的原位图像以及传感器得到的载荷、深度数据，可以直观分析材料的微观力学性能以及变形机制。
所述的z轴精密定位单元1由底板101、导轨滑块组件102、柔性铰链机构a103、压电叠堆a104、楔形块组合a105组成。其中柔性铰链机构a103和导轨滑块组件102安装到底板101上；压电叠堆a104安装在柔性铰链机构a103的方槽里且通过楔形块组合a105预紧。z轴精密定位单元1本质上是一种粘滑式压电驱动器，通过给压电叠堆a104施加控制电压来驱动导轨滑块组件102沿z轴正反向运动，进而精密调整压痕力加载及检测单元2中金刚石压头208与试件之间的距离。具体调整方法：调整z轴精密定位单元1，使得金刚石压头208靠近试件，通过力传感器204来初始判断金刚石压头208与试件的接触，当力传感器204有示数变化时，说明金刚石压头208与试件已经接触，此时反向调整z轴精密定位单元1，使得压痕力加载及检测单元2沿反方向移动一段距离(5μm-10μm)，初始位置调整好以后，准备开始压入试件。
所述的压痕力加载及检测单元2由柔性铰链机构b201、压电叠堆b202、楔形块组合b203、力传感器204、测量板205、压头夹持器206、螺钉a207、金刚石压头208组成。其中压电叠堆b202安装在柔性铰链机构b201的方槽内并通过楔形块组合b203预紧；力传感器204安装在柔性铰链机构b201上；测量板205安装在力传感器204上；压头夹持器206安装在力传感器204上；金刚石压头208安装在压头夹持器206上并通过螺钉a207预紧。压电叠堆b202提供压入运动所需的力与位移。柔性铰链机构b201对压电叠堆b202的输出进行传递并作为压入运动的动力源，同时柔性铰链机构b201中的柔性环节作为解耦环节，可以保证输出位移方向为竖直方向。力传感器204用来实时检测记录压痕力的大小。测量板205作为压入深度检测单元3里的电容式位移传感器305的测量目标。力传感器204的柔度在整个系统中是最大的，之前学者设计的装置里多采用了如附图6所示的布置方式，这样的布置方式会使得位移传感器的测量值包含了力传感器的变形，不完全等于压入深度，这样的布置方式就会产生测量误差，消除该误差还需要复杂的后续算法处理，大大增加了校准难度。而本文采用了如附图5所示的布置方式，将测量板205放在力传感器204的下方，电容式位移传感器305测量的位移值就避免了力传感器204的柔度而引起的变形，可以较为方便地得到准确的压入深度值。金刚石压头208连续压入试件以及卸载的过程中，持续采集力传感器204上的数据，以便于后续形成压入载荷-深度曲线。
所述的压入深度检测单元3由手动精密平移台301、位移传感器夹持器302、螺钉b303、螺钉c304、电容式位移传感器305组成。其中位移传感器夹持器302安装在手动精密平移台301上；电容式位移传感器305安装在位移传感器夹持器302中并通过螺钉b303、螺钉c304进行预紧。电容式位移传感器305用来测量压入深度，手动精密平移台301用来调整电容式位移传感器305与压痕力加载及检测单元2中的测量板205之间的距离，来保证压入和卸载过程中，测量的压入深度处于电容式位移传感器305的量程之内。金刚石压头208连续压入试件以及卸载的过程中，持续采集电容式位移传感器305上的数据，以便于后续形成压入载荷-深度曲线。
本发明的另一目的在于提供一种利用考虑力传感器变形的原位压痕装置进行原位压痕测试的方法，包括以下步骤：
a)准备阶段：将权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置安装在扫描电子显微镜内的载物台上，调节两自由度粘滑式压电精密定位平台4使得试件处于金刚石压头208的正下方。调整压入深度检测单元3的手动精密平移台301，使得测试过程中，测量板205的位置始终处在电容式位移传感器305的量程内。调整z轴精密定位单元1，使得金刚石压头208缓慢接触试件，通过观察力传感器204的示数来判断试件与金刚石压头208的接触，未接触时，力传感器204的示数保持稳定，当力传感器204的示数发生变化时，说明此时试件与金刚石压头208已经接触，此时反向调整z轴精密定位单元1使得金刚石压头208离开试件表面并与其保持一段距离(5μm-10μm)。
b)试验阶段：给压痕力加载及检测单元2中的压电叠堆b202施加梯形波加载电压，并且将力传感器204与电容式位移传感器305的示数实时采集到工控机上，测量得到的压入深度与载荷数据不需经过消除误差处理，可以直接用来绘制压入载荷-深度关系曲线，结合通过扫描电子显微镜实时记录加载与卸载过程的原位压痕图像进行后续分析。
c)重复过程：若需更换试件进行原位压痕试验，则需要重复步骤a)和步骤b)，若对同一试件进行多点压痕试验，则只需要重新通过调节两自由度粘滑式压电精密定位平台4重新定位中心点后重复步骤b)。
本发明的有益效果在于：通过本发明提供的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法，避免了由于力传感器变形引起的压入深度的误差，从结构上提高了检测精度、简化了试验步骤，可以方便地进行材料的原位压痕试验。利用两自由度粘滑式压电精密定位平台可以对试件进行大范围的精密定位，通过控制压痕力加载及检测单元，可以做到不同加载速率、不同压入载荷、不同压入深度等丰富试验条件的测试。该装置结构紧凑、尺寸小，总体尺寸为50mm×90mm×120mm，可以安装在扫描电子显微镜真空腔内的载物台上。将力传感器测量的载荷数据与电容式位移传感器测量的压入深度数据采集起来形成压入载荷-深度曲线，结合扫描电子显微镜得到的原位压痕图像，可以较为方便地分析材料在微纳米尺度下的力学性能与变形机制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法的整体结构示意图；
图2为本发明的z轴精密定位单元结构示意图；
图3为本发明的压痕力加载及检测单元结构示意图；
图4为本发明的压入深度检测单元结构示意图；
图5为本发明采用的考虑力传感器变形的压痕测试装置结构布置方式；
图6为未考虑力传感器变形的压痕测试装置结构布置方式。
图中：101、底板；102、导轨滑块组件；103、柔性铰链机构a；104、压电叠堆a；105、楔形块组合a；201、柔性铰链机构b；202、压电叠堆b；203、楔形块组合b；204、力传感器；205、测量板；206、压头夹持器；207、螺钉a；208、金刚石压头；301、手动精密平移台；302、位移传感器夹持器；303、螺钉b；304、螺钉c；305、电容式位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明中的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，包括z轴精密定位单元1、压痕力加载及检测单元2、压入深度检测单元3、两自由度粘滑式压电精密定位平台4。压痕力加载及检测单元2安装在z轴精密定位单元1的导轨滑块组件102上；压入深度检测单元3安装在压痕力加载及检测单元2的柔性铰链机构b201上；两自由度粘滑式压电精密定位平台4安装在z轴精密定位单元1的底板101上。装置完成装配后，可以安装在扫描电子显微镜真空腔的载物台上，进行原位压痕试验，利用扫描电子显微镜得到的原位图像以及传感器得到的压力、深度数据，可以直观分析材料的微观力学性能以及变形机制。
所述的z轴精密定位单元1由底板101、导轨滑块组件102、柔性铰链机构a103、压电叠堆a104、楔形块组合a105组成。其中柔性铰链机构a103和导轨滑块组件102安装到底板101上；压电叠堆a104安装在柔性铰链机构a103的方槽里且通过楔形块组合a105预紧。z轴精密定位单元1本质上是一种粘滑式压电驱动器，通过给压电叠堆a104施加控制电压来驱动导轨滑块组件102沿z轴正反向运动，进而精密调整压痕力加载及检测单元2中金刚石压头208与试件之间的距离。
所述的压痕力加载及检测单元2由柔性铰链机构b201、压电叠堆b202、楔形块组合b203、力传感器204、测量板205、压头夹持器206、螺钉a207、金刚石压头208组成。其中压电叠堆b202安装在柔性铰链机构b201的方槽内并通过楔形块组合b203预紧；力传感器204安装在柔性铰链机构b201上；测量板205安装在力传感器204上；压头夹持器206安装在力传感器204上；金刚石压头208安装在压头夹持器206上并通过螺钉a207预紧。柔性铰链机构b201对压电叠堆b202的输出进行传递并作为压入运动的动力源，力传感器204用来实时检测记录压痕力的大小，测量板205作为压入深度检测单元3里的电容式位移传感器305的测量目标，金刚石压头208用来完成压入动作。金刚石压头208连续压入试件的过程中，持续采集力传感器204上的数据，以便于后续分析。
所述的压入深度检测单元3由手动精密平移台301、位移传感器夹持器302、螺钉b303、螺钉c304、电容式位移传感器305组成。其中位移传感器夹持器302安装在手动精密平移台301上；电容式位移传感器305安装在位移传感器夹持器302中并通过螺钉b303、螺钉c304进行预紧。手动精密平移台301用来调整电容式位移传感器305与压痕力加载及检测单元2中的测量板205之间的距离，使得压入深度处于电容式位移传感器305的量程之内。金刚石压头208连续压入试件的过程中，持续采集电容式位移传感器305上的数据，以便于后续分析。
利用本发明中的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置进行原位压痕测试的方法，包括以下步骤：
a)准备阶段：将权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置安装在扫描电子显微镜内的载物台上，调节两自由度粘滑式压电精密定位平台4使得试件处于金刚石压头208的正下方。调整压入深度检测单元3的手动精密平移台301使得测量板205的位置处在电容式位移传感器305的量程内。调整z轴精密定位单元1，使得金刚石压头208缓慢接触试件，通过观察力传感器204的示数来判断试件与金刚石压头208的接触，未接触时，力传感器204的示数保持稳定，当力传感器204的示数发生变化时，说明此时试件与金刚石压头208已经接触，此时反向调整z轴精密定位单元1使得金刚石压头208离开试件表面并与其保持一段距离(5μm-10μm)。
b)试验阶段：给压痕力加载及检测单元2中的压电叠堆b202施加梯形波加载电压，并且将力传感器204与电容式位移传感器305的示数实时采集到工控机上，测量得到的压入深度与载荷值不需经过消除误差处理，可以直接用来绘制压入载荷-深度关系曲线，结合通过扫描电子显微镜实时记录加载与卸载过程的原位压痕图像进行后续分析。
c)重复过程：若需更换试件进行原位压痕试验，则需要重复步骤a)和步骤b)，若对同一试件进行多点压痕试验，则只需要重新通过调节两自由度粘滑式压电精密定位平台4重新定位中心点后重复步骤b)。
参见图5与图6所示，可以清晰地看出考虑力传感器变形的原位压痕测试装置相比较未考虑力传感器变形的原位压痕测试装置的结构差异。图5的结构布置方式是将力传感器与压痕头结合在一起，位移测量板放置在力传感器下方，位移传感器所测量的位移不包括力传感器的变形。而图6的结构布置方式是力传感器布置在试件下方，位移传感器与压痕头在同一侧，在试件上方进行测量，位移传感器所测量的位移包括着力传感器的变形。本发明采用图5所示的结构布置方式，有效避免了由于力传感器变形引起的测量误差。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：由z轴精密定位单元(1)、压痕力加载及检测单元(2)、压入深度检测单元(3)、两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)组成；其中压痕力加载及检测单元(2)安装在z轴精密定位单元(1)的导轨滑块组件(102)上；压入深度检测单元(3)安装在压痕力加载及检测单元(2)的柔性铰链机构b(201)上；两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)安装在z轴精密定位单元(1)的底板(101)上。
2.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的z轴精密定位单元(1)由底板(101)、导轨滑块组件(102)、柔性铰链机构a(103)、压电叠堆a(104)、楔形块组合a(105)组成；其中柔性铰链机构a(103)和导轨滑块组件(102)安装到底板(101)上；压电叠堆a(104)安装在柔性铰链机构a(103)的方槽内，且通过楔形块组合a(105)预紧。
3.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的压痕力加载及检测单元(2)由柔性铰链机构b(201)、压电叠堆b(202)、楔形块组合b(203)、力传感器(204)、测量板(205)、压头夹持器(206)、螺钉a(207)、金刚石压头(208)组成；其中压电叠堆b(202)安装在柔性铰链机构b(201)的方槽内并通过楔形块组合b(203)预紧；力传感器(204)安装在柔性铰链机构b(201)上；测量板(205)安装在力传感器(204)上；压头夹持器(206)安装在力传感器(204)上；金刚石压头(208)安装在压头夹持器(206)上并通过螺钉a(207)预紧。
4.根据权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置，其特征在于：所述的压入深度检测单元(3)由手动精密平移台(301)、位移传感器夹持器(302)、螺钉b(303)、螺钉c(304)、电容式位移传感器(305)组成；其中位移传感器夹持器(302)安装在手动精密平移台(301)上；电容式位移传感器(305)安装在位移传感器夹持器(302)中并通过螺钉b(303)、螺钉c(304)进行预紧。
5.应用权利要求1所述的一种考虑力传感器变形的原位压痕测试装置进行原位压痕测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)准备阶段：将权利要求1所述的考虑力传感器变形的原位压痕测试装置安装在扫描电子显微镜内的载物台上，调节两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)使得试件处于金刚石压头(208)的正下方；调整压入深度检测单元(3)的手动精密平移台(301)，使得试验过程中测量板(205)的位置始终处在电容式位移传感器(305)的量程内；调整z轴精密定位单元(1)，使得金刚石压头(208)缓慢接触试件，通过观察力传感器(204)的示数来判断试件与金刚石压头(208)的接触，未接触时，力传感器(204)的示数保持稳定，当力传感器(204)的示数发生变化时，说明此时试件与金刚石压头(208)已经接触，此时反向调整z轴精密定位单元(1)使得金刚石压头(208)离开试件表面并与其保持一段距离(5μm-10μm)；
b)试验阶段：给压痕力加载及检测单元(2)中的压电叠堆b(202)施加梯形波加载电压，并且将力传感器(204)与电容式位移传感器(305)的示数实时采集到工控机上，测量得到的压入深度与载荷数据不需经过消除误差处理，可以直接用来绘制压入载荷-深度关系曲线，结合通过扫描电子显微镜实时记录加载与卸载过程的原位压痕图像进行后续分析；
c)重复过程：若需更换试件进行原位压痕试验，则需要重复步骤a)和步骤b)，若对同一试件进行多点压痕试验，则只需要重新通过调节两自由度粘滑式压电精密定位平台(4)重新定位中心点后重复步骤b)。
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