CN103163135B - 一种微区内耗测量仪的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器技术领域，更具体地，涉及一种微区内耗测量仪,用于测量试样的微区内耗值，包括加热测试系统和控制系统。其中加热测试系统包括有加热平台、固定夹头、试样、石英玻璃窗口、摆杆、电磁驱动线圈、永久磁铁、轻质弹簧和测试架，计算机控制系统包括有信号发生器、光学显微镜、高速照相机、模/数多功能卡、计算机系统和加热平台控温器。本发明能够准确测量材料微区性能，提供一种材料微观性能研究的新工具。

Description

一种微区内耗测量仪的控制方法

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，更具体地，涉及一种微区内耗测量仪。

背景技术

目前，微区中的电、磁、光学性能，微区形貌等的表征，已有很成熟的方法，例如各型扫描探针显微镜（SPM）。但是微区力学谱表征方法这一领域还是一片空白。力学谱具有其他方法所不可替代的特点，它是通过应变对应力的位相滞后得到材料的能量耗散(内耗)，以此来研究材料的微观机制，对与力学量耦合的各种参量变化的响应强、灵敏度高，能得到精确的测量结果及过程的激活能。大块试样力学谱方法的缺点也显而易见，那就是宏观现象虽然丰富，但它是一个统计平均的结果，且其微观机制不清，真正获得广泛接受的微观机制不多。

微结构中微区性能的表征是发展新材料、提高材料性能的重要手段。因此，发展微区性能的新表征方法具既有重要的科学意义，又具有重要的应用价值。

发明内容

[0003] 本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够测量材料微区性能、获得材料各微区的弛豫或相变特征的微区内耗测量仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种微区内耗测量仪，用于测量试样的微区内耗值，包括加热测试系统和控制系统，所述加热测试系统包括加热平台、摆杆和两个电磁驱动线圈；所述加热平台为一具有内腔的盒状结构，加热平台的顶面设有正对试样的窗口；所述加热平台内设有固定机构，测试时，试样一端连接在所述固定机构上，另一端连接摆杆，摆杆另一端从加热平台伸出后连接在一轻质弹簧上，所述轻质弹簧另一端固定，所述摆杆可在水平面上自由振动；所述固定夹头、试样、摆杆和轻质弹簧连接在一水平直线上；所述两个电磁驱动线圈设于加热平台外，并分别设于所述摆杆两侧，两个电磁驱动线圈的中心连线在水平面上并与摆杆垂直；所述摆杆上设有永久磁铁，所述永久磁铁的南北极处于两个电磁驱动线圈的中心连线上；

所述控制系统包括信号发生器、光学显微镜、高速照相机、模/数转换器、计算机系统和加热平台控温器，模/数转换器分别与信号发生器、高速照相机以及计算机系统连接，加热平台控温器连接于计算机系统和加热平台上；信号发生器和高速照相机通过模/数转换器由计算机系统控制，信号发生器与两个电磁驱动线圈连接；所述光学显微镜位于加热平台的石英玻璃窗口的正上方，高速照相机通过光学显微镜接收来自石英玻璃窗口下试样的显微图像并传送给计算机系统。

本发明的微区内耗测量仪能够测量材料的微区性能，通过特别设计的加热测试系统，可带动试样在控制系统的信号驱动下水平振动，从而得到试样各微区的弛豫或相变特征，由此可以探索这些材料中相和界面等对材料的性能的影响，为微结构和性能之间关系的研究提供新的研究工具。

一种上述的微区内耗测量仪的控制方法，包括如下步骤：

S1.将试样两端分别和摆杆、固定机构连接；

S2.由计算机系统控制加热平台温控器将加热平台加热至设定温度；

S3.信号发生器输出正弦波信号至两个电磁驱动线圈以激励永久磁铁振动，该正弦波信号作为试样的应力信号输入到模/数转换器，永久磁铁带动摆杆水平振动，此时试样也跟随摆杆振动；高速照相机通过光学显微镜拍摄照片直接传送给计算机系统而存储，作为试样的应变信号的数据来源；信号发生器和高速照相机通过模/数转换器由计算机系统控制同时取样；

S4.在获得的照片上选取标志点，通过计算机系统得到一系列照片上该标志点的轨迹坐标，作为试样在该微区的应变信号，进而得到试样该微区在该设定温度下的内耗值。

进一步的，所述模/数转换器为模/数多功能卡。

进一步的，模/数多功能卡的取样速度远大于高速照相机的拍摄速度。这样可以尽量利用高速照相机的拍摄速度，保证高速照相机的拍摄均由模/数多功能卡控制取样。因为高速照相机的拍摄速度越高，一个周期内取样的数目越多，测试的精确度越高。

进一步的，所述加热平台是一个扁平状的盒子。这样可以将试样基本处于一个密闭的空间里，试样的运动较少受到外界环境干扰，增加测试准确度。

进一步的，所述加热平台上的窗口为石英玻璃窗口。因为石英玻璃具有耐高温、硬度大、膨胀系数低、化学性质稳定、电绝缘性能良好和不易损坏等优点，可以耐受加热平台的高温，给本发明的微区内耗测量仪提供更宽的测量范围。

进一步的，本发明的微区内耗测量仪还包括测试架，所述加热平台和轻质弹簧固定在测试架上。

进一步的，所述加热平台控温器的温度控制范围为室温至400^oC之间。与此相适应，在上述控制方法中，步骤S2中的设定温度的范围是室温至400℃之间。该温度与加热平台上石英玻璃窗口的温度和光学显微镜的物镜耐受温度有关，适当的散热系统可以把本发明的温度控制范围进一步提高。

进一步的，所述固定机构为固定夹头。当然，也可以是其他的固定机构，只要能够把试样固定住就可以。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明的微区内耗测量仪能够测量材料的微区性能，通过特别设计的加热测试系统，可带动试样在控制系统的信号驱动下水平振动，从而得到试样各微区的弛豫或相变特征，由此可以探索这些材料中相和界面等对材料的性能的影响，为微结构和性能之间关系的研究提供新的研究工具。

附图说明

图1为本发明实施例的微区内耗测量仪结构示意图。

图2为本发明实施例的试样上选取的2个标志点。

图3为本发明实施例中被测试样在80℃时9.97Hz的驱动信号和标志点A、B的位移信号曲线。

图4为本发明实施例中被测试样9.97Hz时标志点A、B的内耗-温度谱。

图5为本发明实施例中9.97Hz时块材的内耗-温度谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了便于解释和说明，各个部分和结构的大小，并不代表实际尺寸，有夸大的，有缩小的，附图表示的仅是示意图，而非实物图。为了清楚具体地说明，有些公知功能和结构可能是省略的，对这些结构的说明也省略了。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须以特定的方位构造和操作，除非另有规定或限定，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有规定或者限定，需要说明的是，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是机械连接或者电连接或者气路连接或信号连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1所示本发明实施例的微区内耗测量仪结构示意图，包括加热测试系统和控制系统。

其中，加热测试系统包括加热平台1、摆杆5、两个电磁驱动线圈6和测试架9；加热平台1为一具有内腔的扁平状的盒子，加热平台1固定在测试架9上。加热平台1的顶面设有正对试样3的石英玻璃窗口4。加热平台1内设有固定夹头2，测试时，试样3一端连接在固定夹头2上，另一端连接摆杆5，摆杆5另一端从加热平台1伸出后连接在一轻质弹簧8上，轻质弹簧8另一端固定连接在测试架上。固定夹头2、试样3、摆杆5和轻质弹簧8连接在一水平直线上。摆杆5可在水平面上自由振动。两个电磁驱动线圈6设于加热平台1外，并分别设于摆杆5两侧，两个电磁驱动线圈6的中心连线在水平面上并与摆杆5垂直。摆杆5上设有永久磁铁7，永久磁铁7的南北极处于两个电磁驱动线圈6的中心连线上。

其中，控制系统包括信号发生器10、光学显微镜11、高速照相机12、模/数多功能卡13、计算机系统和加热平台1控温器，模/数多功能卡13分别与信号发生器10、高速照相机12以及计算机系统14连接，加热平台控温器15连接于计算机系统14和加热平台1上；信号发生器10和高速照相机12通过模/数多功能卡13由计算机系统14控制，信号发生器10与两个电磁驱动线圈6连接；光学显微镜11位于加热平台1的石英玻璃窗口的正上方，高速照相机12通过光学显微镜11接收来自石英玻璃窗口下试样3的显微图像并传送给计算机系统14。

上述的微区内耗测量仪的控制方法，包括如下步骤：

S1.将试样3两端分别和摆杆5、固定夹头2连接；

S2.由计算机系统14控制加热平台温控器15将加热平台1加热至设定温度；

S3.信号发生器10输出正弦波信号至两个电磁驱动线圈6以激励永久磁铁7振动，该正弦波信号作为试样的应力信号输入到模/数多功能卡13，永久磁铁7带动摆杆5水平振动（就图1中所示的方位来看，就是上下振动），此时试样3也跟随摆杆5振动；高速照相机12通过光学显微镜11拍摄照片直接传送给计算机系统14而存储，作为试样的应变信号的数据来源；信号发生器10和高速照相机12通过模/数多功能卡13由计算机系统14控制同时取样；

S4.在获得的照片上选取标志点，通过计算机系统得到一系列照片上该标志点的轨迹坐标，作为试样在该微区的应变信号，进而得到试样该微区在该设定温度下的内耗值。

在步骤S4中，当选取不同温度下照片上相同的标志点，可以得到试样3该微区的内耗值-温度谱，同样的方法可以得到试样3其他微区的内耗值-温度谱。

一般来说，模/数多功能卡13的取样速度远大于高速照相机12的拍摄速度，这样，高速照相机12的拍摄速度越高，一个周期内取样的数目越多，测试精度的精确度越高。

测定试样的微区内耗时，内耗由试样3和轻质弹簧8耦合产生，由于选用的是内耗在室温下较小的轻质弹簧8，其内耗可忽略不计，使测试得到的内耗可以表征试样3的内耗。

本发明选择加热平台控温器15的温度范围为室温至温度到400^oC，该400摄氏度的最高加热温度与加热平台1上石英玻璃窗口4的温度和光学显微镜11的物镜耐受温度有关，适当的散热系统可以把本发明的温度控制范围进一步提高。

下面通过具体的实验来说明本发明的测量结果：

本实施例选用的试样3是10mm*3mm*0.5mm钛酸钡陶瓷片，测试的温度范围是80^oC加热到140^oC，钛酸钡陶瓷在120^oC附近铁电-顺电相变。试样安装时，陶瓷片的面法线方向在水平面上，振动方向垂直于陶瓷片，以减少其他振动模式的干扰。

如图2所示，在钛酸钡陶瓷试样照片上选取的2个标志点A、B。在80^oC时，输入到电磁驱动线圈的9.97Hz的驱动信号如图3中(a)中曲线所示，同时取样的一系列照片上，得到的标志点A、B的的位移信号曲线如图3(b)、(c)所示，标志点A、B均做简谐振动。

使用强迫振动测量内耗时，振动系统的内耗等于tanδ，其中δ为应变信号对应力信号的位相差。对于不同温度下获得的位移信号（或应变信号）和驱动信号，可以得到位移信号（或应变信号）对驱动信号的位相差对温度的曲线，扣除背景（由驱动线圈等电抗元件以及摆杆随温度变化产生）后，得到试样上应变信号对应力信号的位相差δ对温度的曲线，然后转换成内耗（tanδ）-温度谱。钛酸钡陶瓷试样在9.97Hz时标志点A、B的内耗-温度谱如图4所示，两标志点的内耗-温度谱十分相似，与同一钛酸钡陶瓷片9.97Hz时块材的内耗-温度谱内耗峰的形状相似（如图5所示，其中计算内耗tanδ时，位相差δ也是扣除背景后的值），均在120^oC附近有一个内耗峰，对应钛酸钡陶瓷在120^oC附近的铁电-顺电相变，两者的曲线是相对应的，由此说明了本发明的微区内耗测量仪的测试结构是可靠的。同时可以看出，标志点A、B的内耗峰的绝对值更大，因此本发明的微区内耗测量仪有更高的测试精度。

上述实施例是本发明的较佳实施方案，应该理解的是，上述实施例并不用于限制本发明，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的宗旨的情况下，对上述实施例所做的变化、修改、替换和变形，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微区内耗测量仪的控制方法，包括用于测量试样的微区内耗值，包括加热测试系统和控制系统，其特征在于，所述控制系统包括信号发生器、光学显微镜、高速照相机、模/数转换器、计算机系统和加热平台控温器，模/数转换器分别与信号发生器、高速照相机以及计算机系统连接，信号发生器和高速照相机通过模/数转换器由计算机系统控制，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将试样两端分别和摆杆、固定机构连接；

S2.由计算机系统控制加热平台温控器将加热平台加热至设定温度；

S3.信号发生器输出正弦波信号至两个电磁驱动线圈以激励永久磁铁振动，该正弦波信号作为试样的应力信号输入到模/数转换器，永久磁铁带动摆杆水平振动，此时试样也跟随摆杆振动；高速照相机通过光学显微镜拍摄照片直接传送给计算机系统而存储，作为试样的应变信号的数据来源；信号发生器和高速照相机通过模/数转换器由计算机系统控制同时取样；

S4.在获得的照片上选取标志点，通过计算机系统得到一系列照片上该标志点的轨迹坐标，作为试样在该微区的应变信号，进而得到试样该微区在该设定温度下的内耗值。

2.根据权利要求1所述的微区内耗测量仪的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的设定温度范围是室温至400℃之间。