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原文传递考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法

专利名称：	考虑力传感器变形的原位压痕测试装置与方法
摘要：	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。
专利类型：	发明专利
申请人：	吉林大学
发明人：	黄虎;李轩;王馗沣;杨智鑫;孙午向;徐智
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T09:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN202010020479.0
公开号：	CN111060415A
代理机构：	长春市恒誉专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李荣武
分类号：	G01N3/42;G01N3/06;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/42;G01N3/06
申请人地址：	130012 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	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)。
所属类别：	发明专利