用于監(jiān)測(cè)材料微觀力學(xué)行為的原位觀測(cè)系統(tǒng)與觀測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密科學(xué)顯微觀測(cè)儀器，特別涉及一種用于監(jiān)測(cè)材料微觀力學(xué)行為的原位觀測(cè)系統(tǒng)與觀測(cè)方法。集顯微觀測(cè)、精密驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)跟隨等技術(shù)于一體。可針對(duì)不同載荷狀態(tài)下的各類材料提供原位測(cè)試，揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)特性和變形損傷機(jī)理，對(duì)于新材料、新工藝、半導(dǎo)體技術(shù)及特殊物理場(chǎng)下的材料的原位測(cè)試等的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。
【背景技術(shù)】
[0002]材料測(cè)試技術(shù)一直是材料科學(xué)與工程應(yīng)用的重要手段和方法，材料測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與完善對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展具有重要作用。所有零部件在使用過程中都不可避免地承受載荷的作用，有的零部件還在特殊的物理場(chǎng)或復(fù)合物理場(chǎng)下服役，在一定的使用條件和時(shí)間下，材料將發(fā)生多種失效現(xiàn)象，如變形、磨損等。通過顯微觀測(cè)技術(shù)可以對(duì)材料試樣提供裂紋、斷口分析，從而對(duì)材料的力學(xué)性能等進(jìn)行分析。
[0003]原位力學(xué)性能測(cè)試是指在微/納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的過程中，通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡或原子力顯微鏡等儀器對(duì)載荷作用下材料及其制品發(fā)生的微變形、微損傷等進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)的測(cè)試手段。該技術(shù)從微觀層面揭示了各類材料及其制品的力學(xué)行為、變形損傷機(jī)理以及載荷的大小、種類、加載方式與材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。
[0004]目前的一些觀測(cè)設(shè)備存在下列缺欠:(1)目前的商用顯微鏡的鏡頭難以進(jìn)行大范圍移動(dòng)，對(duì)試件發(fā)生大變形時(shí)難以進(jìn)行原位觀測(cè)；(2)目前的商用顯微鏡難以做到對(duì)試件觀測(cè)點(diǎn)的同步跟隨，尤其是涉及扭轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷且要求試件的旋轉(zhuǎn)大角度的情況，因此難以保證對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定成像；(3)目前的商用顯微鏡難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因此難以實(shí)現(xiàn)特殊物理場(chǎng)如真空、高壓、高低溫、輻射等下的原位觀測(cè)。
[0005]綜上所述，設(shè)計(jì)一種可多自由度且多角度觀測(cè)、可主動(dòng)跟隨、遠(yuǎn)程控制的超精密材料原位觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于監(jiān)測(cè)材料微觀力學(xué)行為的原位觀測(cè)系統(tǒng)與觀測(cè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)各個(gè)精密驅(qū)動(dòng)組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡鏡頭和被觀測(cè)試件間相對(duì)位置、角度的精密調(diào)整；測(cè)試過程中，可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)精密驅(qū)動(dòng)組件并利用顯微鏡的連續(xù)變焦功能，實(shí)現(xiàn)在不同載荷測(cè)試環(huán)境下鏡頭對(duì)試件觀測(cè)點(diǎn)的跟隨運(yùn)動(dòng)；在真空、高壓、高低溫等特殊環(huán)境下，還可以對(duì)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本發(fā)明集成性高、實(shí)用性強(qiáng)，可獨(dú)立作為觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的微觀形貌進(jìn)行觀察；也可根據(jù)具體測(cè)試目的與要求，選用不同大小、弧度的導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)組件與合適的觀測(cè)設(shè)備或檢測(cè)設(shè)備等，將系統(tǒng)平臺(tái)集成到其他大型測(cè)試設(shè)備上；可以實(shí)現(xiàn)在不同載荷下對(duì)被測(cè)試件觀測(cè)點(diǎn)的精密跟隨，對(duì)被測(cè)試件的微觀變形、損傷或斷裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀測(cè)。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
用于監(jiān)測(cè)材料微觀力學(xué)行為的原位觀測(cè)系統(tǒng)，包括圓周運(yùn)動(dòng)組件4、Z軸運(yùn)動(dòng)組件6、X軸運(yùn)動(dòng)組件5、回轉(zhuǎn)組件7、顯微鏡8、支撐臺(tái)2 ;所述X軸運(yùn)動(dòng)組件5安裝于圓周運(yùn)動(dòng)組件4之上，Z軸運(yùn)動(dòng)組件6安裝于X軸運(yùn)動(dòng)組件5之上，回轉(zhuǎn)組件7安裝于Z軸運(yùn)動(dòng)組件6之上，顯微鏡8安裝于回轉(zhuǎn)組件7之上；圓周運(yùn)動(dòng)組件4安裝于支撐板I 11上，支撐板I 11通過滑塊14安裝在圓形導(dǎo)軌I上；伺服電機(jī)9帶動(dòng)滾輪12轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)整套觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。
[0008]所述的圓周運(yùn)動(dòng)組件4提供顯微鏡8的精密圓周運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)9提供動(dòng)力，經(jīng)過減速機(jī)10減速，驅(qū)動(dòng)與齒圈3嚙合的滾輪12轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)支撐板I 11沿著圓形導(dǎo)軌I進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)；所述伺服電機(jī)9與減速機(jī)10連接，減速機(jī)10采用行星減速機(jī)，通過螺釘固定在支撐板I 11上，支撐板I 11安裝在滑塊14上，滑塊14安裝在圓形導(dǎo)軌I上，圓形導(dǎo)軌I和齒圈3固定在支撐臺(tái)2上。
[0009]所述的X軸運(yùn)動(dòng)組件5用于精確調(diào)整顯微鏡8的徑向距離，由步進(jìn)電機(jī)19提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠16輸出直線位移，X軸運(yùn)動(dòng)組件5通過兩側(cè)的雙滑塊直線導(dǎo)軌I 17、直線導(dǎo)軌II 21支撐導(dǎo)向；所述步進(jìn)電機(jī)19選用五項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，以縮小系統(tǒng)體積，電機(jī)固定在X軸底板22上；所述滾珠絲杠16為單螺距、小導(dǎo)程絲杠，通過絲杠座I 18、絲杠座III 20固定在X軸底板22上；所述直線導(dǎo)軌I 17、直線導(dǎo)軌II 21上各安裝有兩個(gè)滑塊I 24，以加大對(duì)上層工作臺(tái)的支撐力；所述直線導(dǎo)軌I 17、直線導(dǎo)軌II 21安裝在X軸底板22上，X軸底板22安裝在支撐板I 11上；X軸支撐板15為L(zhǎng)型，用于Z軸運(yùn)動(dòng)組件6的連接與固定。
[0010]所述的Z軸運(yùn)動(dòng)組件6用于精確調(diào)整顯微鏡8的高度，其連接方式與X軸運(yùn)動(dòng)組件5的連接方式相同，由步進(jìn)電機(jī)II 28提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠II 30輸出直線位移，Z軸運(yùn)動(dòng)組件6通過兩側(cè)的雙滑塊直線導(dǎo)軌IV 32、直線導(dǎo)軌III27支撐導(dǎo)向；所述步進(jìn)電機(jī)II 28選用五項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，以縮小系統(tǒng)體積，電機(jī)固定在Z軸底板29上；所述滾珠絲杠II 30為單螺距、小導(dǎo)程絲杠，通過絲杠座II 33固定在Z軸底板29上；所述直線導(dǎo)軌IV 32、直線導(dǎo)軌III 27上各安裝有兩個(gè)滑塊II 31，以加強(qiáng)對(duì)回轉(zhuǎn)組件7的支撐；所述直線導(dǎo)軌IV 32、直線導(dǎo)軌III 27安裝在Z軸底板29上；所述Z軸底板29安裝在X軸支撐板15的側(cè)面；Z軸支撐板26與支撐板II 25通過螺釘連接；支撐板II 25為L(zhǎng)型，用于回轉(zhuǎn)組件7的連接與固定。
[0011]所述的回轉(zhuǎn)組件7用于精確調(diào)整顯微鏡8的觀測(cè)角度，由步進(jìn)電機(jī)III 40提供動(dòng)力，通過聯(lián)軸器42、蝸輪蝸桿組36驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)35沿著弧形導(dǎo)軌I 37、弧形導(dǎo)軌II 44運(yùn)動(dòng)；所述步進(jìn)電機(jī)III 40通過支撐板III 39、短桿43固定在底板41上；所述蝸輪蝸桿組(36)通過蝸桿座(38)固定在底板(41)上；所述回轉(zhuǎn)臺(tái)的底板41安裝在支撐板II 25上，支撐板II 25與Z軸支撐板26通過螺釘連接；所述蝸輪蝸桿組36選擇小間隙的精密蝸輪蝸桿組，以使回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
[0012]所述顯微鏡8安裝在回轉(zhuǎn)組件7上，X軸運(yùn)動(dòng)組件5的行程為0~150mm，Z軸運(yùn)動(dòng)組件6的行程為0~50mm，回轉(zhuǎn)組件7的回轉(zhuǎn)范圍為水平面上下各傾斜30°，允許顯微鏡8的觀測(cè)位置及觀測(cè)角度能夠在一定的范圍進(jìn)行調(diào)整；所述顯微鏡8為連續(xù)變焦單筒顯微鏡，可以在顯微鏡調(diào)整到合適位置、角度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行精調(diào)，且無(wú)須進(jìn)行物鏡的切換，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控；所述顯微鏡8通過激光筆45對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行初步定位，便于觀測(cè)點(diǎn)的選擇與調(diào)整。
[0013]所述的伺服電機(jī)9設(shè)有20位編碼器，使伺服電機(jī)9能夠達(dá)到納米級(jí)的角位移分辨率；滾輪12和齒圈3之間的嚙合為無(wú)間隙嚙合，便于通過閉環(huán)控制使顯微鏡8的鏡頭在測(cè)試進(jìn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的跟隨觀測(cè)。
[0014]所述的X軸支撐板15的側(cè)面設(shè)有直線光柵尺23通過閉環(huán)控制對(duì)X軸運(yùn)動(dòng)組件5提供精確的行程控制。
[0015]所述的Z軸支撐板26的側(cè)面設(shè)有直線光柵尺34，通過閉環(huán)控制對(duì)Z軸運(yùn)動(dòng)組件6提供精確的行程控制。
[0016]所述圓形導(dǎo)軌I由6段60°的弧形導(dǎo)軌拼接而成，所述圓形導(dǎo)軌I用于承載整個(gè)平臺(tái)的重量并對(duì)平臺(tái)的圓周運(yùn)動(dòng)起精密導(dǎo)向作用。
[0017]所述支撐板I 11上安裝了萬(wàn)向滾珠13，萬(wàn)向滾珠可以13在齒圈3上滾動(dòng)，用于觀測(cè)平臺(tái)的輔助支撐。
[0018]所述聯(lián)軸器42選擇柔性聯(lián)軸器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)III 40與蝸輪蝸桿組36的柔性連接。
[0019]所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可用于特殊物理場(chǎng)如真空、高壓、高低溫等環(huán)境下的材料測(cè)試。
[0020]所述的原位觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)能夠適應(yīng)測(cè)試過程中試件的變形進(jìn)行跟隨觀測(cè)，尤其是試件的扭轉(zhuǎn)變形。
[0021]所述的觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)可以根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康呐c要求配備不同的觀測(cè)設(shè)備或檢測(cè)設(shè)備，如將顯微鏡8換成拉曼光譜儀、聲發(fā)射檢測(cè)儀、數(shù)字散斑儀等儀器；也可以根據(jù)不同的需要，沿著圓形導(dǎo)軌I配置兩或三個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)根據(jù)要求配備不同的觀測(cè)設(shè)備或檢測(cè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備可以在一定范圍內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，也可以同時(shí)進(jìn)行工作。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于監(jiān)測(cè)材料微觀力學(xué)行為的原位觀測(cè)方法，在材料測(cè)試之前，先通過圓周運(yùn)動(dòng)組件4調(diào)整顯微鏡8的旋轉(zhuǎn)角度0，再通過X軸運(yùn)動(dòng)組件5調(diào)整顯微鏡8的徑向尺寸P、通過Z軸運(yùn)動(dòng)組件6調(diào)整顯微鏡8的高度&通過回轉(zhuǎn)組件調(diào)整顯微鏡8的觀測(cè)角度，最后由顯微鏡8調(diào)整焦距，使顯微鏡8達(dá)到最優(yōu)的觀測(cè)效果，并明確觀測(cè)點(diǎn)；
在材料測(cè)試過程中，試件的變形導(dǎo)致材料觀測(cè)點(diǎn)位置的變化，通過光學(xué)系統(tǒng)、CCD圖像傳感器采集到的圖像信息，通過相應(yīng)的接口電路傳入計(jì)算機(jī)，通過處理軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)空間位置的變化，根據(jù)處理結(jié)果由計(jì)算機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊輸入相應(yīng)指令，經(jīng)過對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，由圓周運(yùn)動(dòng)組件4、X軸運(yùn)動(dòng)組件5、Z軸運(yùn)動(dòng)組件6調(diào)整顯微鏡8的位置，從而適應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)由P、0、^到Φ,,ζ,的變化，使通過光學(xué)系統(tǒng)、CXD圖像傳感器能夠采集到完整、清晰的圖像信息，從而達(dá)到對(duì)觀測(cè)點(diǎn)跟隨觀測(cè)的目的。
[0023]本發(fā)明旨