本實用新型涉及力場加載裝置，尤其是涉及一種拉曼光譜測試的力場加載裝置。

背景技術：

拉曼光譜技術在材料領域被廣泛應用研究于材料的微結構變化，在材料科學研究中發(fā)揮了重要作用。而材料在外力場作用下的疲勞失效機理和微結構之間的關系，是材料學科前沿研究領域的熱點，在拉曼光譜儀器上進行材料外力場試驗，實現(xiàn)材料在外加力場作用下微結構變化的拉曼光譜觀測方面，可以擴展拉曼光譜測試的分析功能，為此，很多學者進行大量的研究工作，發(fā)展了各種實驗方法，但都因為在拉曼測試中難以進行力場加載，而不能實現(xiàn)材料在力場加載下的原位拉曼測試。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于針對美國普林斯頓儀器(Princeton Instruments)公司出廠的TriVista CRS557型三級共焦顯微拉曼光譜儀等力場加載困難的問題，為了克服拉曼測試過程中無法進行力場加載的不足，提供能夠與拉曼光譜儀器聯(lián)用，實現(xiàn)對測試材料力場加載作用下的拉曼測試的一種用于拉曼測試的力場加載裝置。

本實用新型設有馬達驅(qū)動電路、馬達裝置、驅(qū)動螺桿、力場加載機械平臺、位移傳感器、載荷傳感器、位移信號轉(zhuǎn)換器、載荷信號轉(zhuǎn)換器和計算機；所述馬達驅(qū)動電路的輸出端接馬達裝置，驅(qū)動螺桿的一端設在馬達裝置上，驅(qū)動螺桿的另一端接力場加載機械平臺；所述力場加載機械平臺設有上移動滑塊、上移動滑塊壓頭、下固定塊和下固定塊壓頭，上移動滑塊壓頭設于上移動滑塊底部，下固定塊壓頭設于下固定塊頂部，待測試樣設于上移動滑塊壓頭和下固定塊壓頭之間，位移傳感器設于上移動滑塊上，載荷傳感器設于下固定塊上，位移傳感器的位移信號輸出端接位移信號轉(zhuǎn)換器的輸入端，載荷傳感器的載荷信號輸出端接載荷信號轉(zhuǎn)換器的輸入端，位移信號轉(zhuǎn)換器的輸出端和載荷信號轉(zhuǎn)換器的輸出端分別接計算機的輸入端口。

本實用新型可配合TriVista CRS557型拉曼光譜儀器，本實用新型便于安裝在拉曼觀測平臺上，通過力場加載機械平臺進行力場作用，力場加載機械平臺上設有上移動滑塊和下固定滑塊，通過馬達驅(qū)動螺桿，螺桿驅(qū)動移動滑塊上下移動，從而實現(xiàn)對試樣擠壓，形成拉伸、壓縮及四點彎曲應力場。

本實用新型的有益效果是，在拉曼光譜儀的基礎上，設計搭建一個力場加載裝置，使其與商用拉曼光譜儀進行聯(lián)用配合，實現(xiàn)外力場作用下的原位拉曼光譜觀測，在材料力場下加載下原位拉曼觀測方面有了突破進展，能夠方便實現(xiàn)對測試樣品進行動態(tài)力場加載下的原位拉曼光譜測試。操作方便，結構簡單。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的工作原理圖。

圖2為本實用新型實施例的力場加載機械平臺的結構組成示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1和2所示，本實用新型實施例設有馬達驅(qū)動電路1、馬達裝置2、驅(qū)動螺桿3、力場加載機械平臺4、位移傳感器5、載荷傳感器6、位移信號轉(zhuǎn)換器7、載荷信號轉(zhuǎn)換器8和計算機9；所述馬達驅(qū)動電路1的輸出端接馬達裝置2，驅(qū)動螺桿3的一端設在馬達裝置2上，驅(qū)動螺桿3的另一端接力場加載機械平臺4；所述力場加載機械平臺4設有上移動滑塊41、上移動滑塊壓頭42、下固定塊44和下固定塊壓頭45，上移動滑塊壓頭42設于上移動滑塊41底部，下固定塊壓頭45設于下固定塊44頂部，待測試樣43設于上移動滑塊壓頭42和下固定塊壓頭45之間，位移傳感器5設于上移動滑塊41上，載荷傳感器6設于下固定塊44上，位移傳感器5的位移信號輸出端接位移信號轉(zhuǎn)換器7的輸入端，載荷傳感器6的載荷信號輸出端接載荷信號轉(zhuǎn)換器8的輸入端，位移信號轉(zhuǎn)換器7的輸出端和載荷信號轉(zhuǎn)換器8的輸出端分別接計算機9的輸入端口。

本實用新型可動態(tài)觀測試樣受載后的變形狀態(tài)以及應力應變關系，載荷位移關系以及試樣局部損傷過程等，而且加載、數(shù)據(jù)采集、曲線繪制全部由信號傳感器和轉(zhuǎn)換器控制，為材料研究人員提供了理想的輔助工具。

本實用新型通過加載裝置，利用高倍率的電子顯微鏡可以對材料動態(tài)受力過程中的拉曼光譜變化進行跟蹤觀察、記錄，可以根據(jù)實驗需要，在設置相應的參數(shù)后，在不同的預定載荷下自動繪制出材料的“載荷-位移”曲線、“應力-應變”曲線或“載荷-時間”曲線等。為定量描繪材料的力學行為與微結構變化之間的關系提供了一種非常有用的研究方法。

本實用新型在加載實驗前需要進行相應的參數(shù)設置，可以根據(jù)實驗需要自由選擇：加載方式(拉伸/壓縮/四點彎曲)、X軸標度(點/絕對位移/相對位移/時間(S))、采集記錄顯示間額(100ms/點～5sec/點)、Y軸放大系數(shù)(ⅹ1～ⅹ100)、加載速度(0.1～2mm/min)、加載力值(300N/2000N/5000N)等。當所有參數(shù)設置好后，就可以進行測試了。

應用TriVista CRS557型三級共焦顯微拉曼光譜儀對材料進行力場加載下原位觀測時，其工作基本原理是，通過激光發(fā)射器產(chǎn)生入射光，激光通過入射光路盒然后進入顯微鏡頭對試樣進行照射，散射光通過顯微鏡頭進入到散射光路盒然后進入單色器，通過光電倍增管到達光子計數(shù)器，進入記錄系統(tǒng)，最后得到拉曼譜圖。

原位拉曼光譜觀測在Trivista CRS557型三級共焦顯微拉曼光譜儀上進行。以波長為532nm的Ar⁺為激發(fā)光源，聚焦于樣品表面，功率約100mW，測試前采用單晶硅片校準，采譜范圍70～1000cm^-1。幾何配置為采用四點彎曲力加載裝置對試樣進行應力加載。對塊狀陶瓷材料進行力場下隨應力加載大小、恒應力下加載時間變化的原位拉曼觀測。

本實用新型能方便固定于拉曼儀器的樣品臺上，通過馬達驅(qū)動電路將信息傳輸?shù)今R達裝置，再通過驅(qū)動螺桿的傳動機構連接到力場加載機械平臺，從而實現(xiàn)力場加載。力場加載過程中，通過力場加載機械平臺的連接線將位移信息和載荷信息分別通過位移傳感器和載荷傳感器傳輸?shù)轿灰菩盘栟D(zhuǎn)換器和載荷信號轉(zhuǎn)換器，最后輸送到電腦獲取試樣的位移和載荷等數(shù)據(jù)。在不同的預定載荷下對待測試樣進行拉曼光譜測試獲得拉曼圖譜，實現(xiàn)對測試材料力場加載作用下拉曼測試。

實際力場加載下原位拉曼觀測的步驟如下：

①打開拉曼儀器開關和配備電腦，加入足量的液氮進行冷卻，將力加載主裝置連接電腦，打開拉曼測試和力加載裝置電源，待拉曼儀器溫度降低到-120℃(工作溫度)后，再進行力場加載和拉曼測試工作；

②將待測試樣放入力場加載機械平臺中，通過力加載裝置的馬達驅(qū)動電路來驅(qū)動馬達裝置，再通過驅(qū)動螺桿的傳動機構驅(qū)動力場加載機械平臺的上移動滑塊。如果對待測試樣進行拉壓力場作用時，調(diào)節(jié)上移動滑塊與下固定塊的位移，使移動滑塊剛好接觸待測試樣，此時力加載裝置電腦上的載荷讀數(shù)為0N；如果對待測試樣進行四點彎曲力場作用時，需要預先在上移動滑塊和下固定塊的特定位置安裝四個彎曲壓頭，再調(diào)節(jié)上移動滑塊與下固定塊的位移，使移動滑塊的彎曲壓頭剛好接觸待測試樣，此時力加載裝置電腦上的載荷讀數(shù)為0N；

③通過拉曼儀器的自動移位平臺，在待測試樣表面選取合適的晶粒，對試樣進行聚焦，拉曼光斑必須聚焦在待測試樣表面的單個晶粒內(nèi)部，達到最好的聚焦狀態(tài)(入射光斑大小最小且視場內(nèi)畫面較清晰)。

④通過馬達裝置和驅(qū)動螺桿來驅(qū)動上移動滑塊相對運動對試樣進行應力加載，這時力場加載機械平臺上的上移動滑塊連接的位移傳感器將試樣的位移信息傳輸?shù)轿灰菩盘栟D(zhuǎn)換器，而下固定塊連接的載荷傳感器將試樣的載荷信息傳輸?shù)捷d荷信號轉(zhuǎn)換器，最后電腦收集到試樣的位移信息和載荷信息。當加載到預定的載荷值時，待測試樣保壓1分鐘，再回到原始聚焦狀態(tài)，將拉曼激光強度調(diào)到最大值，進行拉曼圖譜的采集，拉曼采譜時間參數(shù)為5秒5次，獲得待測試樣在預定載荷下的拉曼圖譜⑤重復以上步驟，在不同的預定載荷狀態(tài)下對試樣進行拉曼譜圖的采集。

值得注意的是，在力加載實驗過程中發(fā)現(xiàn)，隨著應力的增加，試樣會發(fā)生微小的形變和晶粒的移動，導致拉曼光斑的移動，從而使拉曼聚焦狀態(tài)發(fā)生變化，需要采用顯微拉曼技術對試樣進行原位拉曼觀測。顯微拉曼技術是光學顯微技術和拉曼光譜技術的結合，因而兼有二者的優(yōu)點，顯微鏡能高效地將拉曼散射光收集并耦合到拉曼譜儀中，且可以在光學放大的條件下移動和觀察試樣。在應力加載的過程中采取如下手段確保拉曼觀測的原位性：每次應力加載保壓完成之后，回到原始的聚焦狀態(tài)，觀察拉曼光斑與原始位置，通過對移動平臺進行微調(diào)，利用光學顯微鏡使得拉曼光斑聚焦到原位，保證拉曼測試信息的準確性。