CN103808281A - 一种高温涂层超导基带用表面粗糙度的在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高温涂层超导基带用表面粗糙度的在线检测装置及检测方法，属于高温涂层超导基带检测技术领域。包括收放带系统、原子力显微镜、动力系统和工控机系统。通过收放带系统将基带置于原子力显微镜的样品台上，针尖作用于待测的基带的表面，激光器发出的激光反射镜聚焦在微悬臂背面上，并反射到光斑位置检测器，在样品扫描时，基带表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互，微悬臂随基带表面形貌而弯曲起伏，反射光束也随之偏移，然后控制系统通过光亮差转化后的电压信号来指示光点位置，通过计算机计算出基带均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra。这种构造简单的原子力在线检查装置和检测方法可以满足样品表面检测的要求。

Description

一种高温涂层超导基带用表面粗糙度的在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于高温涂层超导基带检测技术领域，涉及一种用于基带表面粗糙度的在线检测装置及检测方法。 

背景技术

YBCO涂层高温超导带材是通常生长在带有隔离层的双轴织构金属基带上制备而成的。基带的主要作用是外延生长过渡层和超导层，同时能够承受一定的应力应变。为了满足高性能超导带材的需求须具备以下性能指标：高的立方织构度，通过外延生长YBCO膜，使YBCO晶粒之间形成小角度晶界，克服大角度晶界造成的弱联结行为；优良的表面粗糙度和良好的机械强度，以确保在沉淀过程中足够支持脆性氧化膜和后续加工工艺。 

金属基带的表面粗糙度检测是制备YBCO涂层超导带材的关键，目前对于长带表面粗糙度的检测装置和检测方法还未有报道。这里应用原子力显微镜检测技术，在不破坏长带的基础上进行快速检测，来表征产品的质量。本发明通过在线检测基带的均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra来表征样品的表面质量。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种构造简单的表面粗糙度的在线检测装置和检测方法，能够在不破坏长带的基础上进行快速检测样品的表面质量。 

为了达到以上的目的，本发明采用的方案是： 

一种高温涂层超导基带用表面粗糙度在线检测装置，包括收放带系统、原子力显微镜、动力系统和工控机系统,如图1所示，其中原子力显微镜包括激光器（1）、反射镜（2）、微悬臂（3）、针尖（4）、光斑位置检测器（5）、防震台（6）、样品台（7）、计算机（8）和控制系统（9）等。原子力显微镜的连接关系:反射镜（2）能够将激光器发射的激光反射到微悬臂（3）的背面上，微悬臂（3）的背面朝上，微悬臂（3）上的针尖（4）固定于微悬臂（3）朝下的正面上，将反射镜（2）反射到微悬臂（3）背面上的激光再次反射到光斑位置检测器（5），光斑位置检测器（5）与控制系统（9）连接，同时控制系统（9）分别与样品台（7）和计算机（8）连接，样品台（7）置于防震台（6）上；收放带系统包括收带轮（10）、放带轮（11）和导轮（12），收带轮（10）、放带轮（11）安装在原子力显微镜的防震台上，且分别位于样品台（7）的两侧,用于将待测带材的导入和导出，动力系统的伺服电机（14）与收带轮连接用于驱动收带轮的转动，工控机系统的工控机（15）与电机（14）连接。 

光斑位置检测器5是原子力显微镜的关键部件，是由光电二级管制备，激光由光源发出照射在微悬臂（3）上，经反射后进入光斑位置检测器（5），然后控制系统（9）通过光亮差转化后的电压信号来指示光点位置。收放带系统包括收带轮（10）、放带轮（11）和导轮（12），收带轮和放带轮安装在原子力显微镜的防震台上,用于带材的导入和导出，基带（13）由放带轮经导轮进入样品台中,动力系统包括伺服电机（14），动力系统中伺服电机与收带轮相连，工控机（15） 通过控制伺服电机从而带动收带轮收紧带材，由工控机控制提供走带牵引的动力。 

采用上述检测装置进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过收放带系统将待测的基带置于原子力显微镜的样品台（7）上，微悬臂（3）的针尖（4）作用于待测的基带的表面，将激光器（1）发出的激光束经过光学系统反射镜（2）聚焦在微悬臂（3）背面上，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（5），在样品扫描时，由于待测的基带表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂（3）将随待测的基带表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，然后控制系统（9）通过光亮差转化后的电压信号来指示光点位置，进而通过计算机计算出基带均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra。 

均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra为被测样品表面形貌的信息（如见图3）。将基带（13）通过收放带系统置于原子力显微镜的样品台（7）上，工控机系统可以调节走带速度（1mm/s-50mm/s）、步长(1mm‐5m)和等待时间（1s‐600s）。通过光电二极管检测光斑位置的变化，可以获得被测基带表面形貌的信息，经过计算机的软件计算得出均方根粗糙Rq和算术平均粗糙度Ra，从而可以精确测定带材的表面质量。 

试验结果表明，这种构造简单的原子力在线检查装置和检测方法可以满足样品表面检测的要求，经初步认定这种百米级的基带产品性能也符合进一步制备过渡层和超导层的需要。 

附图说明

图1、在线检测系统示意图； 

图2、样品台上微悬臂、激光、待测基带的位置关系； 

图3、在线检测得到的均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra图； 

1 激光器、2 反射镜、3 微悬臂、4 针尖、5 光斑位置检测器、6 防震台、7 样品台、8 计算机、9 控制系统、10 带轮、11 放带轮、12 导轮、13 基带、14 伺服电机、15 工控机。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。所用的在线检测装置示意图见图1和图2。 

实施例1： 

将探针装入探针支架，将完全再结晶退火的基带由收放带系统置于原子力显微镜设备中，打开操作软件，选择形貌模块轻敲模式操作，使得针尖达到刚接触基带表面的情况，可认为原子接触，调节激光并测量共振频率，使得激光信号转化为电信号并由控制系统（9）通过光亮差转化后的电压信号来指示光点位置，然后进针，当针尖靠近样品，针尖与样品间作用力达到设定值，停止进针，开始扫描，扫描范围1.2μm。扫描结束，得到样品表面结构图片，保存图片。 

在线检测系统检测到的表面粗糙度通过计算机计算得到，如图3所示，均方根粗糙度Rq为0.832μm，算术平均粗糙度Ra为1.06μm。从基带使用来看，这种百米级基带产品初步认定符合进一步制备过渡层和超导层的要求。 

Claims (3)

1.一种高温涂层超导基带用表面粗糙度在线检测装置，其特征在于，包括收放带系统、原子力显微镜、动力系统和工控机系统,其中原子力显微镜包括激光器（1）、反射镜（2）、微悬臂（3）、针尖（4）、光斑位置检测器（5）、防震台（6）、样品台（7）、计算机（8）和控制系统（9），原子力显微镜的连接关系:反射镜（2）能够将激光器发射的激光反射到微悬臂（3）的背面上，微悬臂（3）的背面朝上，微悬臂（3）上的针尖（4）固定于微悬臂（3）朝下的正面上，将反射镜（2）反射到微悬臂（3）背面上的激光再次反射到光斑位置检测器（5），光斑位置检测器（5）与控制系统（9）连接，同时控制系统（9）分别与样品台（7）和计算机（8）连接，样品台（7）置于防震台（6）上；收放带系统包括收带轮（10）、放带轮（11）和导轮（12），收带轮（10）、放带轮（11）安装在原子力显微镜的防震台上，且分别位于样品台（7）的两侧,用于将待测带材的导入和导出，动力系统的伺服电机（14）与收带轮连接用于驱动收带轮的转动，工控机系统的工控机（15）与电机（14）连接。

2.利用权利要求1的装置进行在线监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过收放带系统将待测的基带置于原子力显微镜的样品台（7）上，微悬臂（3）的针尖（4）作用于待测的基带的表面，将激光器（1）发出的激光束经过光学系统反射镜（2）聚焦在微悬臂（3）背面上，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（5），在样品扫描时，由于待测的基带表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂（3）将随待测的基带表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，然后控制系统（9）通过光亮差转化后的电压信号来指示光点位置，进而通过计算机计算出基带均方根粗糙度Rq和算术平均粗糙度Ra。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，工控机系统调节走带速度1mm/s-50mm/s、步长1mm-5m和等待时间1s-600s。

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