一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度的在線檢測裝置及檢測方法
2023-11-10 12:04:32
一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度的在線檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度的在線檢測裝置及檢測方法，屬於高溫塗層超導基帶檢測【技術領域】。包括收放帶系統、原子力顯微鏡、動力系統和工控機系統。通過收放帶系統將基帶置於原子力顯微鏡的樣品臺上，針尖作用於待測的基帶的表面，雷射器發出的雷射反射鏡聚焦在微懸臂背面上，並反射到光斑位置檢測器，在樣品掃描時，基帶表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互，微懸臂隨基帶表面形貌而彎曲起伏，反射光束也隨之偏移，然後控制系統通過光亮差轉化後的電壓信號來指示光點位置，通過計算機計算出基帶均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra。這種構造簡單的原子力在線檢查裝置和檢測方法可以滿足樣品表面檢測的要求。
【專利說明】一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度的在線檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於高溫塗層超導基帶檢測【技術領域】，涉及一種用於基帶表面粗糙度的在線檢測裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]YBCO塗層高溫超導帶材是通常生長在帶有隔離層的雙軸織構金屬基帶上製備而成的。基帶的主要作用是外延生長過渡層和超導層，同時能夠承受一定的應力應變。為了滿足高性能超導帶材的需求須具備以下性能指標:高的立方織構度，通過外延生長YBCO膜，使YBCO晶粒之間形成小角度晶界，克服大角度晶界造成的弱聯結行為；優良的表面粗糙度和良好的機械強度，以確保在沉澱過程中足夠支持脆性氧化膜和後續加工工藝。
[0003]金屬基帶的表面粗糙度檢測是製備YBCO塗層超導帶材的關鍵，目前對於長帶表面粗糙度的檢測裝置和檢測方法還未有報導。這裡應用原子力顯微鏡檢測技術，在不破壞長帶的基礎上進行快速檢測，來表徵產品的質量。本發明通過在線檢測基帶的均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra來表徵樣品的表面質量。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種構造簡單的表面粗糙度的在線檢測裝置和檢測方法，能夠在不破壞長帶的基礎上進行快速檢測樣品的表面質量。
[0005]為了達到以上的目的，本發明採用的方案是:
[0006]一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度在線檢測裝置，包括收放帶系統、原子力顯微鏡、動力系統和工控機系統，如圖1所示，其中原子力顯微鏡包括雷射器(I)、反射鏡
(2)、微懸臂(3)、針尖(4)、光斑位置檢測器(5)、防震臺(6)、樣品臺(7)、計算機(8)和控制系統(9)等。原子力顯微鏡的連接關係:反射鏡(2)能夠將雷射器發射的雷射反射到微懸臂(3)的背面上，微懸臂(3)的背面朝上，微懸臂(3)上的針尖(4)固定於微懸臂(3)朝下的正面上，將反射鏡(2)反射到微懸臂(3)背面上的雷射再次反射到光斑位置檢測器(5)，光斑位置檢測器(5)與控制系統(9)連接，同時控制系統(9)分別與樣品臺(7)和計算機
(8)連接，樣品臺(7)置於防震臺(6)上；收放帶系統包括收帶輪(10)、放帶輪(11)和導輪
(12)，收帶輪(10)、放帶輪(11)安裝在原子力顯微鏡的防震臺上，且分別位於樣品臺(7)的兩側，用於將待測帶材的導入和導出，動力系統的伺服電機(14)與收帶輪連接用於驅動收帶輪的轉動，工控機系統的工控機(15)與電機(14)連接。
[0007]光斑位置檢測器5是原子力顯微鏡的關鍵部件，是由光電二級管制備，雷射由光源發出照射在微懸臂(3)上，經反射後進入光斑位置檢測器(5)，然後控制系統(9)通過光亮差轉化後的電壓信號來指示光點位置。收放帶系統包括收帶輪(10)、放帶輪(11)和導輪(12)，收帶輪和放帶輪安裝在原子力顯微鏡的防震臺上，用於帶材的導入和導出，基帶
(13)由放帶輪經導輪進入樣品臺中，動力系統包括伺服電機(14)，動力系統中伺服電機與收帶輪相連，工控機(15)通過控制伺服電機從而帶動收帶輪收緊帶材，由工控機控制提供走帶牽引的動力。
[0008]採用上述檢測裝置進行檢測的方法，其特徵在於，包括以下步驟:通過收放帶系統將待測的基帶置於原子力顯微鏡的樣品臺(7)上，微懸臂(3)的針尖(4)作用於待測的基帶的表面，將雷射器(I)發出的雷射束經過光學系統反射鏡(2)聚焦在微懸臂(3)背面上,並從微懸臂背面反射到由光電二極體構成的光斑位置檢測器(5)，在樣品掃描時，由於待測的基帶表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂(3)將隨待測的基帶表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極體檢測光斑位置的變化，然後控制系統(9)通過光亮差轉化後的電壓信號來指示光點位置，進而通過計算機計算出基帶均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra。
[0009]均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra為被測樣品表面形貌的信息(如見圖3)。將基帶(13)通過收放帶系統置於原子力顯微鏡的樣品臺(7)上，工控機系統可以調節走帶速度(lmm/s-50mm/s)、步長(1mm - 5m)和等待時間(Is - 600s)。通過光電二極體檢測光斑位置的變化，可以獲得被測基帶表面形貌的信息，經過計算機的軟體計算得出均方根粗糙Rq和算術平均粗糙度Ra，從而可以精確測定帶材的表面質量。
[0010]試驗結果表明，這種構造簡單的原子力在線檢查裝置和檢測方法可以滿足樣品表面檢測的要求，經初步認定這種百米級的基帶產品性能也符合進一步製備過渡層和超導層的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1、在線檢測系統示意圖；
[0012]圖2、樣品臺上微懸臂、雷射、待測基帶的位置關係；
[0013]圖3、在線檢測得到的均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra圖；
[0014]I雷射器、2反射鏡、3微懸臂、4針尖、5光斑位置檢測器、6防震臺、7樣品臺、8計算機、9控制系統、10帶輪、11放帶輪、12導輪、13基帶、14伺服電機、15工控機。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明做進一步說明。所用的在線檢測裝置示意圖見圖1和圖2。
[0016]實施例1:
[0017]將探針裝入探針支架，將完全再結晶退火的基帶由收放帶系統置於原子力顯微鏡設備中，打開操作軟體，選擇形貌模塊輕敲模式操作，使得針尖達到剛接觸基帶表面的情況，可認為原子接觸，調節雷射並測量共振頻率，使得雷射信號轉化為電信號並由控制系統
(9)通過光亮差轉化後的電壓信號來指示光點位置，然後進針，當針尖靠近樣品，針尖與樣品間作用力達到設定值，停止進針，開始掃描，掃描範圍1.2 μ m。掃描結束，得到樣品表面結構圖片，保存圖片。
[0018]在線檢測系統檢測到的表面粗糙度通過計算機計算得到，如圖3所示，均方根粗糙度Rq為0.832 μ m，算術平均粗糙度Ra為1.06 μ m。從基帶使用來看，這種百米級基帶產品初步認定符合進一步製備過渡層和超導層的要求。
【權利要求】
1.一種高溫塗層超導基帶用表面粗糙度在線檢測裝置，其特徵在於，包括收放帶系統、原子力顯微鏡、動力系統和工控機系統，其中原子力顯微鏡包括雷射器(I)、反射鏡(2)、微懸臂(3)、針尖(4)、光斑位置檢測器(5)、防震臺(6)、樣品臺(7)、計算機(8)和控制系統(9)，原子力顯微鏡的連接關係:反射鏡(2)能夠將雷射器發射的雷射反射到微懸臂(3)的背面上，微懸臂(3)的背面朝上，微懸臂(3)上的針尖(4)固定於微懸臂(3)朝下的正面上，將反射鏡(2)反射到微懸臂(3)背面上的雷射再次反射到光斑位置檢測器(5)，光斑位置檢測器(5)與控制系統(9)連接，同時控制系統(9)分別與樣品臺(7)和計算機(8)連接，樣品臺(7)置於防震臺(6)上；收放帶系統包括收帶輪(10)、放帶輪(11)和導輪(12)，收帶輪(10)、放帶輪(11)安裝在原子力顯微鏡的防震臺上，且分別位於樣品臺(7)的兩側，用於將待測帶材的導入和導出，動力系統的伺服電機(14)與收帶輪連接用於驅動收帶輪的轉動，工控機系統的工控機(15 )與電機(14 )連接。
2.利用權利要求1的裝置進行在線監測的方法，其特徵在於，包括以下步驟:通過收放帶系統將待測的基帶置於原子力顯微鏡的樣品臺(7)上，微懸臂(3)的針尖(4)作用於待測的基帶的表面，將雷射器(I)發出的雷射束經過光學系統反射鏡(2)聚焦在微懸臂(3)背面上，並從微懸臂背面反射到由光電二極體構成的光斑位置檢測器(5 ),在樣品掃描時，由於待測的基帶表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂(3)將隨待測的基帶表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極體檢測光斑位置的變化，然後控制系統(9)通過光亮差轉化後的電壓信號來指示光點位置，進而通過計算機計算出基帶均方根粗糙度Rq和算術平均粗糙度Ra。
3.按照權利要求2的方法,其特徵在於,工控機系統調節走帶速度lmm/s-50mm/s、步長lmm-5m和等待時間ls_600s。
【文檔編號】G01B11/30GK103808281SQ201310553140
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月7日 優先權日:2013年11月7日
【發明者】索紅莉, 王毅, 梁雅儒, 田輝, 孟易辰, 彭發學, 王盼 申請人:北京工業大學