CN102288500A - 一种高精度仪器化压入仪及金刚石压头压入试样深度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪器化压入仪的设计。驱动与载荷测试系统采用音圈直线电机与载荷传感器及压头组件相串联设计；金刚石压头压入试样深度测试系统采用三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘的组合设计；计算机控制系统依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式，可控制音圈电机进而控制金刚石压头对试样表面实施压入加载、保载及卸载等试验，同时获得压入载荷、压入深度及时间三者关系。本发明排除了试样在被压入过程中因支撑或夹持因素导致试样表面相对水平面发生小角度倾斜和试样表面沿铅垂方向发生平动位移对压头压入试样深度测量的影响，同时也排除了机架柔度对压头压入试样深度测量的影响，保证了测试压头压入试样深度的精度。

Description

一种高精度仪器化压入仪及金刚石压头压入试样深度的计算方法

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域。具体涉及一种高精度仪器化压入仪的设计。

背景技术

随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。

仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种新的材料力学性能测试技术，它通过同步测试和记录特定几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，可以提供比传统硬度试验更为丰富的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。通过构建精细的力学模型并借助大型有限元数值分析软件，材料的诸多基本力学性能参数如杨氏模量、屈服强度、硬化指数、断裂韧性、蠕变参数等均可能被识别。鉴于该技术的价值，美国纳米技术公司(先并入MTS公司，后并入Agilent公司)于上世纪九十年代率先开发了被誉为“材料显微力学性能探针”的“纳米压入仪”。近年来发达国家很多知名公司参与了类似仪器的研制，产品多达数十种，然而根据位移测量所选择参照系的不同，可以把众多已经商品化的压入仪分为两类：“机架参照型压入仪”和“试样参照型压入仪”。前者指压入仪工作时位移传感器所测位移系压杆相对于机架某点的位移，在该类仪器的位移测量数值中既包含了测试所希望获得的压头尖端压入被测试样表面的深度，又包含了仪器的机架变形、试样支撑或夹持导致的可恢复及不可恢复变形。其中机架变形和试样支撑或夹持导致的可恢复变形目前主要通过仪器柔度的标定来消除，但试样的材料类型、柔度标定时所选择的试样表面不同标定区域以及试样支撑或夹持方式甚至夹持力的大小均会影响仪器的柔度值，导致精确标定仪器柔度既麻烦又困难。不仅如此，不可恢复的支撑或夹持变形无论如何都不可能通过柔度标定来确定和排除，因此对于“机架参照型压入仪”，不能准确确定压头尖端压入被测试样表面的深度是该类仪器硬件设计的固有问题。

对于“试样参照型压入仪”，其位移传感器所测位移系压杆相对于试样表面某点或相对静止于试样表面上的参照物某点的位移。显然，该类仪器的测量位移可以排除试样在压入过程中因支撑或夹持因素导致的试样表面沿铅垂方向发生的任何平动位移(包括可恢复及不可恢复位移)，但试样表面在压入过程中(加载或卸载)发生小角度倾斜所构成的对测量位移的影响在目前的所有“试样参照型压入仪”中均无法排除，而这将影响确定压头尖端压入被测试样表面深度的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度仪器化压入仪及金刚石压头压入试样深度的计算方法，以解决传统的商用仪器化压入仪存在的压头尖端压入被测试样表面深度的测不准问题；

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高精度仪器化压入仪，它包括：由直线驱动装置、载荷传感器及压头组件相串联构成的驱动与载荷测试系统、计算机控制系统、数据自动处理系统、安放试样的工作台和机架；所述压头组件，由压杆、金刚石压头、电容位移传感器探头夹持装置与被夹持的三个电容位移传感器探头以及深度测量随动盘组成；其中三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘组成金刚石压头压入试样深度测试系统；金刚石压头固定在压杆下端，压杆上端与载荷传感器连接；在位于深度测量随动盘上方的压杆上，固定有水平方向的电容位移传感器探头夹持装置，三个电容位移传感器探头在以压杆中心轴为中心，互成120度位置上，被夹持在电容位移传感器探头夹持装置上；所述的深度测量随动盘套装在压杆下端带有键槽的轴肩上，在所述深度测量随动盘的下方临近金刚石压头尖端处，设有与深度测量随动盘连成一体的底端支撑环；当金刚石压头尖端距被测试样表面一定距离时，深度测量随动盘底端支撑环与试样表面接触并落座于试样表面上；在深度测量随动盘落座于试样表面后，当金刚石压头尖端进一步趋近被测试样表面并距试样表面50-100微米时，深度测量随动盘上表面与位移传感器探头的距离进入传感器有效测量范围之内。

直线驱动装置壳体固定在机架上，驱动器驱动滑块与驱动杆通过螺纹连接成一体，该驱动杆上端通过拉伸弹簧悬挂在机架上，其下端通过螺纹连接与载荷传感器串联。

所述深度测量随动盘由金属材料制成，金刚石压头位于深度测量随动盘下方的腔体内，该腔体的底端靠近金刚石压头尖端处有一圆形开口，形成底端支撑环；压杆穿过深度测量随动盘中心孔，有较中心孔尺寸大的压杆轴肩位于深度测量随动盘中心孔下方；当金刚石压头向上移动时，压杆的轴肩带动深度测量随动盘一同向上移动。

所述的电容位移传感器探头通过放大器与控制器、数据采集卡与计算机控制系统连接；所述载荷传感器通过数据采集卡与计算机控制系统连接；所述计算机控制系统通过驱动装置控制器与直线驱动装置连接；依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式的计算机控制系统还与数据自动处理系统连接。

所述直线驱动装置采用音圈直线电机。

所述高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的压入深度，按如下公式确定：

$h=\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOBC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_A+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOCA}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_B+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOAB}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_C-l(1/\cos \mathrm{\θ}-1)$

其中，S_ΔABC＝(1/2)||(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)||，

S_ΔOBC＝(1/2)||(x_B-x_O)(y_C-y_O)-(x_C-x_O)(y_B-y_O)||，

S_ΔOCA＝(1/2)||(x_C-x_O)(y_A-y_O)-(x_A-x_O)(y_C-y_O)||，

S_ΔOAB＝(1/2)||(x_A-x_O)(y_B-y_O)-(x_B-x_O)(y_A-y_O)||，

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\left|\right|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)\left|\right|}{\sqrt{{[(y_B-y_A)(h_C-h_A)-(y_C-y_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(h_C-h_A)-(x_C-x_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)]}^2}}$

式中，下标字母“A”、“B”、“C”和“O”分别代表在与压杆轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头中心点及金刚石压头顶点位置；“x_A”、“x_B”、“x_C”、“x_O”和“y_A”、“y_B”、“y_C”、“y_O”分别代表相应点在直角坐标系中的x和y坐标；“h”和“h_A”、“h_B”、“h_C”分别代表金刚石压头压入试样的压入深度和金刚石压头与试样接触后的三个位移传感器探头的测量位移；“S_ΔABC”和“S_ΔOBC”、“S_ΔOCA”、“S_ΔOAB”分别代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面积；“l”代表深度测量随动盘的高度；“θ”代表试样表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度。

如上所述的高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，其中所述金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的最大压入载荷可以分别在0.1～2N、2～20N和20～110N三个载荷量程范围内。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)排除了试样在被压入过程中因支撑或夹持因素导致试样表面相对水平面发生小角度倾斜和试样表面沿铅垂方向发生平动位移对压头压入试样深度测量的影响，同时也排除了机架柔度对压头压入试样深度测量的影响，保证了该压入仪测试压头压入试样深度的精度；

(2)载荷传感器与压头组件的串联设计保证了压头压入试样载荷的直接测量从而保证了载荷测量的精度。

附图说明

图1是本发明的高精度仪器化压入仪的总体方案设计示意图。

图2-1是本发明的压头组件装配示意图。

图2-2是本发明的压头组件分解示意图。

图3是本发明的高精度仪器化压入仪的控制流程框图。

图4是本发明的机架与弹簧吊架示意图。

图5是本发明的驱动杆示意图。

图6是本发明的音圈直线电机驱动滑块与驱动杆及载荷传感器的连接示意图。

图7是本发明的高精度仪器化压入仪的主体示意图。

图8是本发明的在与压杆轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头中心点及金刚石压头顶点位置示意图。

图9是本发明的深度测量随动盘随试样表面在压入过程中发生小角度倾斜示意图。

图中编号：1-压杆、2-1-电容位移传感器探头1^#、2-2-电容位移传感器探头2^#、2-3-电容位移传感器探头3^#、3-电容位移传感器探头夹持装置、4-金刚石压头、5-深度测量随动盘、6-载荷传感器、7-音圈直线电机、8-驱动杆、9-驱动器驱动滑块、10-圆柱螺旋拉伸弹簧、11-弹簧吊架、12-机架、13-试样、14-工作台。

具体实施方式

以下通过结合附图对本发明的设计进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本发明的范围进行任何限定。

本发明提出了一种高精度仪器化压入仪的设计，其驱动与载荷测试系统采用音圈直线电机7与载荷传感器6及压头组件相串联的设计；金刚石压头4压入试样13深度测试系统采用三个探头式电容位移传感器2-1、2-2、2-3与深度测量随动盘5相结合的组合设计；计算机控制系统依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式，可控制音圈电机进而控制金刚石压头4对试样13表面实施压入加载、保载及卸载等试验，同时获得金刚石压头4压入试样13的压入载荷、金刚石压头4压入试样13的压入深度及时间三者关系。高精度仪器化压入仪的总体方案设计示意图如图1所示。

其中，所述“压头组件”系由压杆1、金刚石压头4、电容位移传感器探头夹持装置3与被夹持的电容位移传感器探头2-1、2-2、2-3以及深度测量随动盘5组成，如图2所示。

其中，所述“深度测量随动盘5”由金属材料制成，其底端支撑环靠近压头尖端。压杆1、压头4、位移传感器夹持装置3与被夹持的电容位移传感器探头2-1、2-2、2-3组装为一体结构，并且一旦完成组装，则在随后的测试过程中，它们之间就不再分离；而深度测量随动盘5与压杆1间则在测试进行过程中的某个阶段可自动分离或结合。具体过程为，当压入仪开始工作时，整个压头组件在音圈直线电机7的驱动下首先一起向下运动，当深度测量随动盘5底端支撑环完全接触到被测试样13表面后，深度测量随动盘5便不再随压杆1、压头4和位移传感器夹持装置3及被夹持的电容位移传感器探头2-1、2-2、2-3一同运动，而是落座于试样13被测试表面上；当音圈直线电机7驱动压头继续趋近被测试样13表面时，深度测量随动盘5上表面与位移传感器探头2-1、2-2、2-3的距离进入传感器有效测量范围之内，随后压头在音圈直线电机7驱动下与试样13表面接触并按设定工作模式对试样13实施加载、保载和卸载作用；当完全卸载后，压头在音圈直线电机7驱动下向上运动，当压杆1轴肩接触到深度测量随动盘5后压杆1将带动深度测量随动盘5一同向上运动，待到达某一设定位置后停止运动。上述过程代表对被测试材料完成一次压入试验。

其中，所述“金刚石压头4压入试样13的压入载荷、金刚石压头4压入试样13的压入深度及时间三者关系”中的压入深度按如下公式确定：

$h=\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOBC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_A+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOCA}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_B+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOAB}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_C-l(1/\cos \mathrm{\θ}-1)$

其中，S_ΔABC＝(1/2)||(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)||，

S_ΔOBC＝(1/2)||(x_B-x_O)(y_C-y_O)-(x_C-x_O)(y_B-y_O)||，

S_ΔOCA＝(1/2)||(x_C-x_O)(y_A-y_O)-(x_A-x_O)(y_C-y_O)||，

S_ΔOAB＝(1/2)||(x_A-x_O)(y_B-y_O)-(x_B-x_O)(y_A-y_O)||，

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\left|\right|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)\left|\right|}{\sqrt{{[(y_B-y_A)(h_C-h_A)-(y_C-y_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(h_C-h_A)-(x_C-x_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)]}^2}}$

式中，下标字母“A”、“B”、“C”和“O”分别代表在与压杆轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头中心点及金刚石压头4顶点位置；“x_A”、“x_B”、“x_C”、“x_O”和“y_A”、“y_B”、“y_C”、“y_O”分别代表相应点在直角坐标系中的x和y坐标；“h”和“h_A”、“h_B”、“h_C”分别代表金刚石压头4压入试样13的压入深度和金刚石压头4与试样13接触后的三个位移传感器探头的测量位移；“S_ΔABC”和“S_ΔOBC”、“S_ΔOCA”、“S_ΔOAB”分别代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面积；“l”代表“深度测量随动盘5”的高度；“θ”代表试样13表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度。

其中，所述“金刚石压头4压入试样13的压入载荷、金刚石压头4压入试样13的压入深度及时间三者关系”中的最大压入载荷可以分别在0.1～2N、2～20N和20～110N三个载荷量程范围内。

该高精度仪器化压入仪的控制流程框图如图3所示。

以下详细说明本发明的形成过程。设计如图2所示的压杆1、金刚石压头4、电容位移传感器探头夹持装置3以及深度测量随动盘5，并将其与电容位移传感器探头2-1、2-2、2-3组装成“压头组件”如图2所示。设计机架12和弹簧吊架11如图4所示。设计驱动杆8如图5所示，并将其一端用螺钉固定到音圈直线电机7的驱动滑块9上，另一端用螺纹与载荷传感器6串联，如图6所示。将携带驱动杆8和载荷传感器6的音圈直线电机7固定至机架12上，并将“压头组件”与载荷传感器6另一端用螺纹连接，同时用圆柱螺旋拉伸弹簧10将驱动杆8与弹簧吊架11连接构成仪器化压入仪的主体，如图7所示。进一步将电容位移传感器探头2-1、2-2、2-3与专用导线、放大器及控制器、24位数据采集卡及计算机连接形成金刚石压头4压入试样13深度测试系统，将载荷传感器6与专用导线、24位数据采集卡及计算机连接形成金刚石压头4压入试样13载荷测试系统，将音圈电机控制器与计算机和音圈电机连接形成直线驱动系统；上述系统与仪器化压入仪主体一并构成高精度仪器化压入仪。

基于三个位移传感器探头2-1、2-2、2-3的位移测量值可以确定金刚石压头4压入试样13的压入深度，原理如下：首先用字母“A”、“B”、“C”和“O”分别代表在与压杆1轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头2-1、2-2、2-3中心点及金刚石压头4顶点位置，如图8所示，用“x_A”、“x_B”、“x_C”、“x_O”和“y_A”、“y_B”、“y_C”、“y_O”分别代表相应点在直角坐标系中的x和y坐标，用“S_ΔABC”和“S_ΔOBC”、“S_ΔOCA”、“S_ΔOAB”分别代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面积；用“h”和“h_A”、“h_B”、“h_C”分别代表金刚石压头4压入试样13的压入深度和金刚石压头4与试样13接触后的三个位移传感器探头2-1、2-2、2-3的测量位移；用“l”代表深度测量随动盘5的高度，如图9所示，用“θ”代表试样13表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度，用“O′”代表过金刚石压头4顶点的铅垂线与深度测量随动盘5上表面的交点。其次，根据插值原理可以确定金刚石压头4顶点相对于深度测量随动盘5上表面O′点的相对位移为：

$h^{\′}=\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOBC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_A+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOCA}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_B+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOAB}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_C$

由于上述相对位移中包含了深度测量随动盘5随试样13表面在压入过程中发生小角度倾斜而引入的附加位移Δl：

Δl＝l(1/cosθ-1)

其中，试样13表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度θ可以根据解析几何原理确定为

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\left|\right|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)\left|\right|}{\sqrt{{[(y_B-y_A)(h_C-h_A)-(y_C-y_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(h_C-h_A)-(x_C-x_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)]}^2}}$

最后，在h′中减去Δl即为金刚石压头4压入试样13的压入深度h：

$h=\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOBC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_A+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOCA}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_B+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOAB}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_C-l(1/\cos \mathrm{\θ}-1)$

其中，S_ΔABC＝(1/2)||(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)||，

S_ΔOBC＝(1/2)||(x_B-x_O)(y_C-y_O)-(x_C-x_O)(y_B-y_O)||，

S_ΔOCA＝(1/2)||(x_C-x_O)(y_A-y_O)-(x_A-x_O)(y_C-y_O)||，

S_ΔOAB＝(1/2)||(x_A-x_O)(y_B-y_O)-(x_B-x_O)(y_A-y_O)||，

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\left|\right|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)\left|\right|}{\sqrt{{[(y_B-y_A)(h_C-h_A)-(y_C-y_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(h_C-h_A)-(x_C-x_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)]}^2}}$

应用实施例

对于最大压入载荷为20～110N量程范围的高精度仪器化压入仪的设计，可以选择美国SMAC公司生产的型号为LAS95-025-8的音圈电机7及相应驱动器控制器作为驱动装置，其最大推力为162N，持续力为65N，最大行程为25mm；载荷测量可以选美国Interface公司的WMC-25型应变式拉压载荷传感器6，其载荷量程为111N(25磅力)、测试精度为±0.15％；圆柱螺旋拉伸弹簧10的刚度应在0.5～2N/mm范围内。对于最大压入载荷为0.1～2N量程范围的高精度仪器化压入仪的设计，可以选择型号为LAS10-005-5的音圈电机7及相应驱动器控制器作为驱动装置，其最大推力为3.8N，持续力为1.5N，最大行程为5mm；载荷测量可以选美国Interface公司的ULC-2N型应变式拉压载荷传感器6，其载荷量程为2N、测试精度为±0.05％，圆柱螺旋拉伸弹簧10的刚度应在0.25～0.5N/mm范围内。此外，无论对于载荷量程为0.1～2N、2～20N还是20～110N的高精度仪器化压入仪，其位移传感器均可以选用德国Micro-Epsilon公司的型号为CS05的探头式电容位移传感器，同时采用型号为capaNCDT6500的放大器及控制器，其位移量程为500μm，线性度为±0.05％，位移分辨力为0.375nm。至于数据采集卡，无论对于载荷量程为0.1～2N、2～20N还是20～110N的高精度仪器化压入仪，均可采用美国NI公司生产的9219系列的24位数据采集卡。将音圈电机7及相应驱动器控制器、驱动杆8、机架12、弹簧吊架11、圆柱螺旋拉伸弹簧10、载荷传感器6、压头组件、机架12、探头式电容位移传感器放大器及控制器、数据采集卡以及计算机按图7和图1所示进行连接即可获得所设计的高精度仪器化压入仪。该高精度仪器化压入仪的控制流程框图如图3所示。

Claims (7)

1.一种高精度仪器化压入仪，其特征在于它包括：由直线驱动装置、载荷传感器及压头组件相串联构成的驱动与载荷测试系统、计算机控制系统、数据自动处理系统、安放试样的工作台和机架；所述压头组件，由压杆、金刚石压头、电容位移传感器探头夹持装置与被夹持的三个电容位移传感器探头以及深度测量随动盘组成；其中三个探头式电容位移传感器与深度测量随动盘组成金刚石压头压入试样深度测试系统；金刚石压头固定在压杆下端，压杆上端与载荷传感器连接；在位于深度测量随动盘上方的压杆上，固定有水平方向的电容位移传感器探头夹持装置，三个电容位移传感器探头在以压杆中心轴为中心，互成120度位置上，被夹持在电容位移传感器探头夹持装置上；所述的深度测量随动盘套装在压杆下端带有键槽的轴肩上，在所述深度测量随动盘的下方临近金刚石压头尖端处，设有与深度测量随动盘连成一体的底端支撑环；当金刚石压头尖端距被测试样表面一定距离时，深度测量随动盘底端支撑环与试样表面接触并落座于试样表面上；在深度测量随动盘落座于试样表面后，当金刚石压头尖端进一步趋近被测试样表面并距试样表面50-100微米时，深度测量随动盘上表面与位移传感器探头的距离进入传感器有效测量范围之内。

2.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，直线驱动装置壳体固定在机架上，驱动器驱动滑块与驱动杆通过螺纹连接成一体，该驱动杆上端通过拉伸弹簧悬挂在机架上，其下端通过螺纹连接与载荷传感器串联。

3.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述深度测量随动盘由金属材料制成，金刚石压头位于深度测量随动盘下方的腔体内，该腔体的底端靠近金刚石压头尖端处有一圆形开口，形成底端支撑环；压杆穿过深度测量随动盘中心孔，有较中心孔尺寸大的压杆轴肩位于深度测量随动盘中心孔下方；当金刚石压头向上移动时，压杆的轴肩带动深度测量随动盘一同向上移动。

4.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述的电容位移传感器探头通过放大器与控制器、数据采集卡与计算机控制系统连接；所述载荷传感器通过数据采集卡与计算机控制系统连接；所述计算机控制系统通过驱动装置控制器与直线驱动装置连接；依试验进程的不同设计为开环与闭环两种工作模式的计算机控制系统还与数据自动处理系统连接。

5.根据权利要求1所述的一种高精度仪器化压入仪，其特征在于，所述直线驱动装置采用音圈直线电机。

6.一种高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，其特征在于，金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的压入深度，按如下公式确定：

$h=\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOBC}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_A+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOCA}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_B+\left(\frac{S_{\mathrm{\ΔOAB}}}{S_{\mathrm{\ΔABC}}}\right)h_C-l(1/\cos \mathrm{\θ}-1)$

其中，S_ΔABC＝(1/2)||(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)||，

S_ΔOBC＝(1/2)||(x_B-x_O)(y_C-y_O)-(x_C-x_O)(y_B-y_O)||，

S_ΔOCA＝(1/2)||(x_C-x_O)(y_A-y_O)-(x_A-x_O)(y_C-y_O)||，

S_ΔOAB＝(1/2)||(x_A-x_O)(y_B-y_O)-(x_B-x_O)(y_A-y_O)||，

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\left|\right|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)\left|\right|}{\sqrt{{[(y_B-y_A)(h_C-h_A)-(y_C-y_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(h_C-h_A)-(x_C-x_A)(h_B-h_A)]}^2+{[(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(x_C-x_A)(y_B-y_A)]}^2}}$

式中，下标字母“A”、“B”、“C”和“O”分别代表在与压杆轴线垂直的投影平面里三个位移传感器探头中心点及金刚石压头顶点位置；“x_A”、“x_B”、“x_C”、“x_O”和“y_A”、“y_B”、“y_C”、“y_O”分别代表相应点在直角坐标系中的x和y坐标；“h”和“h_A”、“h_B”、“h_C”分别代表金刚石压头压入试样的压入深度和金刚石压头与试样接触后的三个位移传感器探头的测量位移；“S_ΔABC”和“S_ΔOBC”、“S_ΔOCA”、“S_ΔOAB”分别代表三角形ABC和OBC、OCA、OAB的面积；“l”代表深度测量随动盘的高度；“θ”代表试样表面在压入过程中发生小角度倾斜的倾斜角度。

7.根据权利要求6所述的一种高精度仪器化压入仪的金刚石压头压入试样深度的计算方法，其特征在于，其中所述金刚石压头压入试样的压入载荷、金刚石压头压入试样的压入深度及时间三者关系中的最大压入载荷可以分别在0.1～2N、2～20N和20～110N三个载荷量程范围内。

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