一種高精度儀器化壓入儀及金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法
2023-09-21 20:45:40
專利名稱：一種高精度儀器化壓入儀及金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法
技術領域：
本發明屬於材料力學性能測試技術領域。具體涉及一種高精度儀器化壓入儀的設計。
背景技術：
隨著表面改性材料、薄膜材料、MEMS (微電子微機械系統)材料、複合材料、納米材料等領域的快速發展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由於面臨苛刻工作條件的挑戰，越來越引起人們的重視，成為國內外研究的熱點。然而受尺寸限制，傳統的材料力學性能測試技術及手段已經無法滿足上述材料的力學性能測試需要，使得材料微區力學性能的測試成為亟待解決的關鍵問題。儀器化壓入技術是在傳統布氏硬度和維氏硬度試驗基礎上發展起來的一種新的材料力學性能測試技術，它通過同步測試和記錄特定幾何形狀的壓頭壓入試樣及撤離試樣時的載荷與位移數據，可以提供比傳統硬度試驗更為豐富的反映被測試材料力學性能的有用信息，這為材料諸多基本力學性能參數的識別提供了重要的技術手段。通過構建精細的力學模型並藉助大型有限元數值分析軟體，材料的諸多基本力學性能參數如楊氏模量、屈服強度、硬化指數、斷裂韌性、蠕變參數等均可能被識別。鑑於該技術的價值，美國納米技術公司(先併入MTS公司，後併入Agilent公司)於上世紀九十年代率先開發了被譽為「材料顯微力學性能探針」的「納米壓入儀」。近年來發達國家很多知名公司參與了類似儀器的研製，產品多達數十種，然而根據位移測量所選擇參照系的不同，可以把眾多已經商品化的壓入儀分為兩類「機架參照型壓入儀」和「試樣參照型壓入儀」。前者指壓入儀工作時位移傳感器所測位移系壓杆相對於機架某點的位移，在該類儀器的位移測量數值中既包含了測試所希望獲得的壓頭尖端壓入被測試樣表面的深度，又包含了儀器的機架變形、試樣支撐或夾持導致的可恢復及不可恢復變形。其中機架變形和試樣支撐或夾持導致的可恢復變形目前主要通過儀器柔度的標定來消除，但試樣的材料類型、柔度標定時所選擇的試樣表面不同標定區域以及試樣支撐或夾持方式甚至夾持力的大小均會影響儀器的柔度值，導致精確標定儀器柔度既麻煩又困難。不僅如此，不可恢復的支撐或夾持變形無論如何都不可能通過柔度標定來確定和排除，因此對於「機架參照型壓入儀」，不能準確確定壓頭尖端壓入被測試樣表面的深度是該類儀器硬體設計的固有問題。對於「試樣參照型壓入儀」，其位移傳感器所測位移系壓杆相對於試樣表面某點或相對靜止於試樣表面上的參照物某點的位移。顯然，該類儀器的測量位移可以排除試樣在壓入過程中因支撐或夾持因素導致的試樣表面沿鉛垂方向發生的任何平動位移(包括可恢復及不可恢復位移)，但試樣表面在壓入過程中(加載或卸載)發生小角度傾斜所構成的對測量位移的影響在目前的所有「試樣參照型壓入儀」中均無法排除，而這將影響確定壓頭尖端壓入被測試樣表面深度的準確性。
發明內容
本發明的目的是提供一種高精度儀器化壓入儀及金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法，以解決傳統的商用儀器化壓入儀存在的壓頭尖端壓入被測試樣表面深度的測不準問題；為了實現上述目的，本發明採用如下的技術方案—種高精度儀器化壓入儀，它包括由直線驅動裝置、載荷傳感器及壓頭組件相串聯構成的驅動與載荷測試系統、計算機控制系統、數據自動處理系統、安放試樣的工作檯和機架；所述壓頭組件，由壓杆、金剛石壓頭、電容位移傳感器探頭夾持裝置與被夾持的三個電容位移傳感器探頭以及深度測量隨動盤組成；其中三個探頭式電容位移傳感器與深度測量隨動盤組成金剛石壓頭壓入試樣深度測試系統；金剛石壓頭固定在壓杆下端，壓杆上端與載荷傳感器連接；在位於深度測量隨動盤上方的壓杆上，固定有水平方向的電容位移傳感器探頭夾持裝置，三個電容位移傳感器探頭在以壓杆中心軸為中心，互成120度位置上， 被夾持在電容位移傳感器探頭夾持裝置上；所述的深度測量隨動盤套裝在壓杆下端帶有鍵槽的軸肩上，在所述深度測量隨動盤的下方臨近金剛石壓頭尖端處，設有與深度測量隨動盤連成一體的底端支撐環；當金剛石壓頭尖端距被測試樣表面一定距離時，深度測量隨動盤底端支撐環與試樣表面接觸並落座於試樣表面上；在深度測量隨動盤落座於試樣表面後，當金剛石壓頭尖端進一步趨近被測試樣表面並距試樣表面50-100微米時，深度測量隨動盤上表面與位移傳感器探頭的距離進入傳感器有效測量範圍之內。直線驅動裝置殼體固定在機架上，驅動器驅動滑塊與驅動杆通過螺紋連接成一體，該驅動杆上端通過拉伸彈簧懸掛在機架上，其下端通過螺紋連接與載荷傳感器串聯。所述深度測量隨動盤由金屬材料製成，金剛石壓頭位於深度測量隨動盤下方的腔體內，該腔體的底端靠近金剛石壓頭尖端處有一圓形開口，形成底端支撐環；壓杆穿過深度測量隨動盤中心孔，有較中心孔尺寸大的壓杆軸肩位於深度測量隨動盤中心孔下方；當金剛石壓頭向上移動時，壓杆的軸肩帶動深度測量隨動盤一同向上移動。所述的電容位移傳感器探頭通過放大器與控制器、數據採集卡與計算機控制系統連接；所述載荷傳感器通過數據採集卡與計算機控制系統連接；所述計算機控制系統通過驅動裝置控制器與直線驅動裝置連接；依試驗進程的不同設計為開環與閉環兩種工作模式的計算機控制系統還與數據自動處理系統連接。所述直線驅動裝置採用音圈直線電機。所述高精度儀器化壓入儀的金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法，金剛石壓頭壓入試樣的壓入載荷、金剛石壓頭壓入試樣的壓入深度及時間三者關係中的壓入深度，按如下公式確定
權利要求
1.一種高精度儀器化壓入儀，其特徵在於它包括由直線驅動裝置、載荷傳感器及壓頭組件相串聯構成的驅動與載荷測試系統、計算機控制系統、數據自動處理系統、安放試樣的工作檯和機架；所述壓頭組件，由壓杆、金剛石壓頭、電容位移傳感器探頭夾持裝置與被夾持的三個電容位移傳感器探頭以及深度測量隨動盤組成；其中三個探頭式電容位移傳感器與深度測量隨動盤組成金剛石壓頭壓入試樣深度測試系統；金剛石壓頭固定在壓杆下端，壓杆上端與載荷傳感器連接；在位於深度測量隨動盤上方的壓杆上，固定有水平方向的電容位移傳感器探頭夾持裝置，三個電容位移傳感器探頭在以壓杆中心軸為中心，互成120 度位置上，被夾持在電容位移傳感器探頭夾持裝置上；所述的深度測量隨動盤套裝在壓杆下端帶有鍵槽的軸肩上，在所述深度測量隨動盤的下方臨近金剛石壓頭尖端處，設有與深度測量隨動盤連成一體的底端支撐環；當金剛石壓頭尖端距被測試樣表面一定距離時，深度測量隨動盤底端支撐環與試樣表面接觸並落座於試樣表面上；在深度測量隨動盤落座於試樣表面後，當金剛石壓頭尖端進一步趨近被測試樣表面並距試樣表面50-100微米時，深度測量隨動盤上表面與位移傳感器探頭的距離進入傳感器有效測量範圍之內。
2.根據權利要求1所述的一種高精度儀器化壓入儀，其特徵在於，直線驅動裝置殼體固定在機架上，驅動器驅動滑塊與驅動杆通過螺紋連接成一體，該驅動杆上端通過拉伸彈簧懸掛在機架上，其下端通過螺紋連接與載荷傳感器串聯。
3.根據權利要求1所述的一種高精度儀器化壓入儀，其特徵在於，所述深度測量隨動盤由金屬材料製成，金剛石壓頭位於深度測量隨動盤下方的腔體內，該腔體的底端靠近金剛石壓頭尖端處有一圓形開口，形成底端支撐環；壓杆穿過深度測量隨動盤中心孔，有較中心孔尺寸大的壓杆軸肩位於深度測量隨動盤中心孔下方；當金剛石壓頭向上移動時，壓杆的軸肩帶動深度測量隨動盤一同向上移動。
4.根據權利要求1所述的一種高精度儀器化壓入儀，其特徵在於，所述的電容位移傳感器探頭通過放大器與控制器、數據採集卡與計算機控制系統連接；所述載荷傳感器通過數據採集卡與計算機控制系統連接；所述計算機控制系統通過驅動裝置控制器與直線驅動裝置連接；依試驗進程的不同設計為開環與閉環兩種工作模式的計算機控制系統還與數據自動處理系統連接。
5.根據權利要求1所述的一種高精度儀器化壓入儀，其特徵在於，所述直線驅動裝置採用音圈直線電機。
6.一種高精度儀器化壓入儀的金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法，其特徵在於，金剛石壓頭壓入試樣的壓入載荷、金剛石壓頭壓入試樣的壓入深度及時間三者關係中的壓入深度，按如下公式確定其中，Saabc = (1/2) | (χΒ-χΑ) (yc_yA) -(χ。-、)(yB_yA) | |, Saobc = (1/2) I I (xB"X0) (Υο"Υο)" (xc"Xo) (Υβ"Υο) I I， Saoca = (1/2) I I (xc_x。)(yA_y。)- (χΑ_χ。)(yc-y0) I I， Saoab = (1/2) I (xA"X0) (Υβ"Υο) " (xB"Xo) (Υα"Υο) I I，_1( - X^iyc - >'A) - Oc - ^)( - >'A)|^[(Vb -.VaXAc -ZiJ-Cvc - >v )( ~K)f +[(% - xtiXhc - hA) - (xc - xA)(hB -hA)f +[( - χα)'ο ~ VA)" (xc ~ xa)(Jb ~ -Va)]'式中，下標字母「A」、「B」、「C」和「0」分別代表在與壓杆軸線垂直的投影平面裡三個位移傳感器探頭中心點及金剛石壓頭頂點位置；『、」、「&」、「xc」、「xQ」和「yA」、「yB」、「yc」、「yQ」 分別代表相應點在直角坐標系中的χ和y坐標；「h」和「hA」、「t!B」、「h。」分別代表金剛石壓頭壓入試樣的壓入深度和金剛石壓頭與試樣接觸後的三個位移傳感器探頭的測量位移； 霞」和「SaQBC」、「SAQCA」、「SA_」分別代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面積；「1」代表深度測量隨動盤的高度；「 θ 」代表試樣表面在壓入過程中發生小角度傾斜的傾斜角度。
7.根據權利要求6所述的一種高精度儀器化壓入儀的金剛石壓頭壓入試樣深度的計算方法，其特徵在於，其中所述金剛石壓頭壓入試樣的壓入載荷、金剛石壓頭壓入試樣的壓入深度及時間三者關係中的最大壓入載荷可以分別在0. 1 2Ν、2 20Ν和20 IlON三個載荷量程範圍內。
全文摘要
本發明公開了一種儀器化壓入儀的設計。驅動與載荷測試系統採用音圈直線電機與載荷傳感器及壓頭組件相串聯設計；金剛石壓頭壓入試樣深度測試系統採用三個探頭式電容位移傳感器與深度測量隨動盤的組合設計；計算機控制系統依試驗進程的不同設計為開環與閉環兩種工作模式，可控制音圈電機進而控制金剛石壓頭對試樣表面實施壓入加載、保載及卸載等試驗，同時獲得壓入載荷、壓入深度及時間三者關係。本發明排除了試樣在被壓入過程中因支撐或夾持因素導致試樣表面相對水平面發生小角度傾斜和試樣表面沿鉛垂方向發生平動位移對壓頭壓入試樣深度測量的影響，同時也排除了機架柔度對壓頭壓入試樣深度測量的影響，保證了測試壓頭壓入試樣深度的精度。
文檔編號G01B7/26GK102288500SQ20111011846
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者宋仲康, 郭俊宏, 陳偉, 馬德軍 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院