CN104729914A - 用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法，属于精密科学显微观测仪器。原位观测平台由圆周运动组件、Z轴运动组件、X轴运动组件、回转组件、显微镜、支撑台组成。该方法的理论基础基于圆柱坐标系，由于圆柱坐标系是极坐标系在Z轴方向的延伸，所以圆柱坐标系中的任意一点可以通过ρ 、 φ 、 z三个变量表示，其中ρ表示极坐标系内该点距离原点的距离、φ表示极坐标系内该点与原点的连线相对极轴的旋转角度、z表示圆柱坐标系内该点在Z轴方向的高度。优点在于：精密驱动、实现了在材料测试过程中对试件观测点的跟随，且跟随效果好、集成性高，实用性强，尤其能够适应试件的旋转运动对观测点进行跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学显微观测仪器，特别涉及一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法。集显微观测、精密驱动、主动跟随等技术于一体。可针对不同载荷状态下的各类材料提供原位测试，揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和变形损伤机理，对于新材料、新工艺、半导体技术及特殊物理场下的材料的原位测试等的发展具有重要的推动作用。
背景技术
材料测试技术一直是材料科学与工程应用的重要手段和方法，材料测试技术的发展与完善对材料科学的发展具有重要作用。所有零部件在使用过程中都不可避免地承受载荷的作用，有的零部件还在特殊的物理场或复合物理场下服役，在一定的使用条件和时间下，材料将发生多种失效现象，如变形、磨损等。通过显微观测技术可以对材料试样提供裂纹、断口分析,从而对材料的力学性能等进行分析。
原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中,通过光学显微镜、电子显微镜或原子力显微镜等仪器对载荷作用下材料及其制品发生的微变形、微损伤等进行全程动态在线监测的测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、变形损伤机理以及载荷的大小、种类、加载方式与材料性能间的相关性规律。
目前的一些观测设备存在下列缺欠：（1）目前的商用显微镜的镜头难以进行大范围移动，对试件发生大变形时难以进行原位观测；（2）目前的商用显微镜难以做到对试件观测点的同步跟随,尤其是涉及扭转及扭转复合载荷且要求试件的旋转大角度的情况，因此难以保证对观测点的稳定成像；（3）目前的商用显微镜难以实现远程控制，因此难以实现特殊物理场如真空、高压、高低温、辐射等下的原位观测。
综上所述，设计一种可多自由度且多角度观测、可主动跟随、远程控制的超精密材料原位观测系统平台具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过调节各个精密驱动组件，实现对显微镜镜头和被观测试件间相对位置、角度的精密调整；测试过程中，可以通过调节各个精密驱动组件并利用显微镜的连续变焦功能，实现在不同载荷测试环境下镜头对试件观测点的跟随运动；在真空、高压、高低温等特殊环境下，还可以对该系统实现远程控制。本发明集成性高、实用性强，可独立作为观测系统，实现对试件的微观形貌进行观察；也可根据具体测试目的与要求，选用不同大小、弧度的导轨、驱动组件与合适的观测设备或检测设备等，将系统平台集成到其他大型测试设备上；可以实现在不同载荷下对被测试件观测点的精密跟随，对被测试件的微观变形、损伤或断裂过程进行实时原位观测。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，包括圆周运动组件4、Z轴运动组件6、X轴运动组件5、回转组件7、显微镜8、支撑台2；所述X轴运动组件5安装于圆周运动组件4之上， Z轴运动组件6安装于X轴运动组件5之上，回转组件7安装于Z轴运动组件6之上，显微镜8安装于回转组件7之上；圆周运动组件4安装于支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11通过滑块14安装在圆形导轨1上；伺服电机9带动滚轮12转动，驱动整套观测平台进行圆周运动。
所述的圆周运动组件4提供显微镜8的精密圆周运动，由伺服电机9提供动力，经过减速机10减速，驱动与齿圈3啮合的滚轮12转动，带动支撑板Ⅰ11沿着圆形导轨1进行圆周运动；所述伺服电机9与减速机10连接，减速机10采用行星减速机，通过螺钉固定在支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11安装在滑块14上，滑块14安装在圆形导轨1上，圆形导轨1和齿圈3固定在支撑台2上。
所述的X轴运动组件5用于精确调整显微镜8的径向距离，由步进电机19提供动力，驱动滚珠丝杠16输出直线位移，X轴运动组件5通过两侧的双滑块直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21支撑导向；所述步进电机19选用五项步进电机，以缩小系统体积, 电机固定在X轴底板22上；所述滚珠丝杠16为单螺距、小导程丝杠，通过丝杠座Ⅰ18、丝杠座Ⅲ20固定在X轴底板22上；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21上各安装有两个滑块Ⅰ24，以加大对上层工作台的支撑力；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21安装在X轴底板22上，X轴底板22安装在支撑板Ⅰ11上；X轴支撑板15为L型，用于Z轴运动组件6的连接与固定。
所述的Z轴运动组件6用于精确调整显微镜8的高度，其连接方式与X轴运动组件5的连接方式相同，由步进电机Ⅱ28提供动力，驱动滚珠丝杠Ⅱ30输出直线位移，Z轴运动组件6通过两侧的双滑块直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27支撑导向；所述步进电机Ⅱ28选用五项步进电机，以缩小系统体积，电机固定在Z轴底板29上；所述滚珠丝杠Ⅱ30为单螺距、小导程丝杠，通过丝杠座Ⅱ33固定在Z轴底板29上；所述直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27上各安装有两个滑块Ⅱ31，以加强对回转组件7的支撑；所述直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27安装在Z轴底板29上；所述Z轴底板29安装在X轴支撑板15的侧面；Z轴支撑板26与支撑板Ⅱ25通过螺钉连接；支撑板Ⅱ25为L型，用于回转组件7的连接与固定。
所述的回转组件7用于精确调整显微镜8的观测角度，由步进电机Ⅲ40提供动力，通过联轴器42、蜗轮蜗杆组36驱动回转台35沿着弧形导轨Ⅰ37、 弧形导轨Ⅱ44运动；所述步进电机Ⅲ40通过支撑板Ⅲ39、短杆43固定在底板41上；所述蜗轮蜗杆组(36)通过蜗杆座(38)固定在底板(41)上；所述回转台的底板41安装在支撑板Ⅱ25上，支撑板Ⅱ25与Z轴支撑板26通过螺钉连接；所述蜗轮蜗杆组36选择小间隙的精密蜗轮蜗杆组，以使回转台运动平稳。
所述显微镜8安装在回转组件7上，X轴运动组件5的行程为0~150mm，Z轴运动组件6的行程为0~50mm，回转组件7的回转范围为水平面上下各倾斜30°，允许显微镜8的观测位置及观测角度能够在一定的范围进行调整；所述显微镜8为连续变焦单筒显微镜，可以在显微镜调整到合适位置、角度的基础上进一步进行精调，且无须进行物镜的切换，能够实现远程操控；所述显微镜8通过激光笔45对视场进行初步定位，便于观测点的选择与调整。
所述的伺服电机9设有20位编码器,使伺服电机9能够达到纳米级的角位移分辨率；滚轮12和齿圈3之间的啮合为无间隙啮合, 便于通过闭环控制使显微镜8的镜头在测试进行过程中能够实现对观测点的跟随观测。
所述的X轴支撑板15的侧面设有直线光栅尺23 通过闭环控制对X轴运动组件5 提供精确的行程控制。
所述的Z轴支撑板26的侧面设有直线光栅尺34，通过闭环控制对Z轴运动组件6提供精确的行程控制。
所述圆形导轨1由6段60°的弧形导轨拼接而成，所述圆形导轨1用于承载整个平台的重量并对平台的圆周运动起精密导向作用。
所述支撑板Ⅰ11上安装了万向滚珠13，万向滚珠可以13在齿圈3上滚动，用于观测平台的辅助支撑。
所述联轴器42选择柔性联轴器，实现步进电机Ⅲ40与蜗轮蜗杆组36的柔性连接。
所述的原位观测系统平台能够实现远程控制，可用于特殊物理场如真空、高压、高低温等环境下的材料测试。
所述的原位观测系统平台能够适应测试过程中试件的变形进行跟随观测，尤其是试件的扭转变形。
所述的观测系统平台可以根据不同的试验目的与要求配备不同的观测设备或检测设备，如将显微镜8换成拉曼光谱仪、声发射检测仪、数字散斑仪等仪器；也可以根据不同的需要，沿着圆形导轨1配置两或三个观测平台，每个平台根据要求配备不同的观测设备或检测设备，每个设备可以在一定范围内单独进行调整，也可以同时进行工作。
本发明的另一目的在于提供一种用于监测材料微观力学行为的原位观测方法，在材料测试之前，先通过圆周运动组件4调整显微镜8的旋转角度φ，再通过X轴运动组件5调整显微镜8的径向尺寸ρ、通过Z轴运动组件6调整显微镜8的高度z、通过回转组件调整显微镜8的观测角度，最后由显微镜8调整焦距，使显微镜8达到最优的观测效果,并明确观测点；
在材料测试过程中，试件的变形导致材料观测点位置的变化，通过光学系统、CCD图像传感器采集到的图像信息，通过相应的接口电路传入计算机，通过处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化，根据处理结果由计算机对驱动模块输入相应指令，经过对应的驱动器及电机，由圆周运动组件4、X轴运动组件5、Z轴运动组件6调整显微镜8的位置，从而适应观测点坐标由ρ、φ、z到ρ 1 、φ 1 、z 1的变化，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的。
本发明旨在动态监测载荷作用下材料发生的微观力学行为和变形损伤机制。该方法的理论基础基于圆柱坐标系，由于圆柱坐标系是极坐标系在Z轴方向的延伸，所以圆柱坐标系中的任意一点可以通过ρ、φ、z三个变量表示，其中ρ表示极坐标系内该点距离原点的距离、φ表示极坐标系内该点与原点的连线相对极轴的旋转角度、z表示圆柱坐标系内该点在Z轴方向的高度。本观测系统通过圆周运动组件调整显微镜的旋转角度φ、通过X轴运动组件调整显微镜的径向尺寸ρ、通过Z轴运动组件调整显微镜的高度z，通过回转组件调整显微镜的观测角度，实现了在材料测试过程中对试件观测点的跟随。
本发明的有益效果在于：观测平台具有能够实现精密驱动、跟随效果好、易于集成、能够适应试件的大变形等优点。通过调节各个精密驱动组件，实现对显微镜镜头和被观测试件间相对位置、观测角度的精密调节；通过显微镜的连续变焦可以进行精确调整，使观测效果最优；测试过程中，可以通过调节各个精密驱动组件，实现在不同载荷测试环境下镜头对试件观测点的跟随运动；在真空、高压、高低温等特殊环境下，可以实现对观测系统平台的远程控制。集成性高、实用性强，可独立作为观测系统平台，实现对试件的微观形貌进行观察；也可根据具体要求，选用不同大小与弧度的导轨、合适的驱动组件与观测设备或检测设备等，将设备集成到其他大型测试设备上；可以实现在不同载荷下对被测试件观测点的精密跟随，对被测试件的微观变形、损伤与断裂过程进行实时原位观测；本观测方法的独特之处在于，体现了圆柱坐标系的优点，即系统的圆周运动始终围绕Z轴进行，对于试件进行扭转或包括扭转的复合加载测试时，将试件的扭转轴线调整到与圆柱坐标系Z轴一致的位置，既便于观测系统跟随待观测点进行圆周运动、实现紧密跟随，也便于观测系统对试件整体表面进行显微观测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的圆周运动组件结构示意图；
图3为本发明的X轴运动组件结构示意图；
图4为本发明的Z轴运动组件结构示意图；
图5为本发明的回转组件结构示意图；
图6为本发明的显微镜结构示意图；
图7为本发明的控制原理框图。
图中：1、圆形导轨；2、支撑台；3、齿圈；4、圆周运动组件；5、X轴运动组件；6、Z轴运动组件；7、回转组件；8、显微镜；9、伺服电机；10、减速机；11、支撑板Ⅰ；12、滚轮；13、万向滚珠；14、滑块；15、X轴支撑板；16、滚珠丝杠；17、直线导轨Ⅰ；18、丝杠座Ⅰ；19、步进电机；20、丝杠座Ⅲ；21、直线导轨Ⅱ；22、X轴底板；23、直线光栅尺；24、滑块Ⅰ；25、支撑板Ⅱ；26、Z轴支撑板；27、直线导轨Ⅲ；28、步进电机Ⅱ；29、Z轴底板；30、滚珠丝杠Ⅱ；31滑块Ⅱ；32、直线导轨Ⅳ；33、丝杠座Ⅱ；34、直线光栅尺；35、回转台；36、蜗轮蜗杆组；37、弧形导轨Ⅰ；38、蜗杆座；39、支撑板Ⅲ；40、步进电机Ⅲ；41、底板；42、联轴器；43、短杆；44、弧形导轨Ⅱ；45、激光笔。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，包括圆周运动组件4、Z轴运动组件6、X轴运动组件5、回转组件7、显微镜8、支撑台2；所述X轴运动组件5通过内六角螺钉安装于圆周运动组件4之上， Z轴运动组件6通过内六角螺钉安装于X轴运动组件5之上，回转组件7通过内六角螺钉安装于Z轴运动组件6之上，显微镜8通过螺钉安装于回转组件7之上；圆周运动组件4通过内六角螺钉安装于支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11通过内六角螺钉与滑块14相连，滑块14安装在圆形导轨1上；伺服电机9带动滚轮12转动，驱动整套观测平台进行圆周运动。
所参见图2所示，述的圆周运动组件4提供显微镜8的精密圆周运动，由伺服电机9提供动力，经过减速机10减速，减速机10的输出轴与滚轮12通过夹紧的方式连接，电机输出的动力驱动与齿圈3啮合的滚轮12转动，带动支撑板Ⅰ11沿着圆形导轨1进行圆周运动；所述伺服电机9通过螺钉与减速机10连接，减速机10采用行星减速机，通过螺钉固定在支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11通过螺钉固定在滑块14上，滑块14安装在圆形导轨1上，圆形导轨1 与齿圈3通过螺钉固定在支撑台2上；所述圆形导轨1由6段60°的弧形导轨拼接而成，导轨1用于承载平台的重量并对平台的圆周运动起精密导向作用；所述滚轮12与齿圈3之间的啮合为无间隙啮合，齿圈3通过螺钉固定在支撑台2上；所述支撑板Ⅰ11上安装了万向滚珠13，万向滚珠13可以在齿圈3上滚动，用于观测平台的辅助支撑，防止径向倾覆。
参见图3所示，所述X轴运动组件5用于精确调整显微镜8的径向距离，由步进电机19提供动力，驱动滚珠丝杠16输出直线位移，X轴运动组件5通过两侧的双滑块直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21支撑导向，X轴支撑板15一侧装有直线光栅尺23，通过闭环控制对X轴运动组件5提供精确的径向行程控制；所述步进电机19选用五项步进电机，以缩小系统体积, 电机通过螺钉固定在X轴底板22上；所述滚珠丝杠16为单螺距、小导程丝杠, 通过丝杠座Ⅰ18、丝杠座Ⅲ20固定在X轴底板22上；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21上安装有两个滑块Ⅰ24，以加大对上层工作台的支撑力；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21通过螺钉固定在X轴底板22上；所述X轴底板22通过螺栓安装在支撑板Ⅰ11上；所述X轴支撑板15加工成L型，用于Z轴运动组件6的连接与固定。
参见图4所示，所述Z轴运动组件6用于精确调整显微镜8的高度，其连接方式与X轴运动组件5的连接方式相同，由步进电机Ⅱ28提供动力，驱动滚珠丝杠Ⅱ30输出直线位移，Z轴运动组件6通过两侧的双滑块直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27支撑导向，Z轴支撑板26一侧装有直线光栅尺34，通过闭环控制对Z轴运动组件6提供精确的Z轴行程控制；所述步进电机Ⅱ28选用五项步进电机，以缩小系统体积，电机通过螺钉固定在Z轴底板29上；所述滚珠丝杠Ⅱ30为单螺距、小导程丝杠, 通过丝杠座Ⅱ33固定在Z轴底板29上；所述直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27上各安装有两个滑块Ⅱ31，以加大对回转组件7的支撑力；所述直线导轨Ⅳ32、直线导轨Ⅲ27通过螺钉固定在Z轴底板29上；所述Z轴底板29通过螺栓安装在X轴支撑板15的侧板上；所述Z轴支撑板26与支撑板Ⅱ25通过螺钉连接；支撑板Ⅱ25加工成L型，用于回转组件7的连接与固定。
参见图5所示，所述回转组件7用于精确调整显微镜8的观测角度，由步进电机Ⅲ40提供动力，通过联轴器42、蜗轮蜗杆组36，驱动回转台35沿着弧形导轨Ⅰ37、 弧形导轨Ⅱ44运动；所述步进电机Ⅲ40通过支撑板Ⅲ39、短杆43连接到底板41上；所述回转台的底板41通过螺钉固定在支撑板Ⅱ25上，支撑板Ⅱ25与Z轴支撑板26通过螺钉连接；所述蜗轮蜗杆组36选择小间隙的精密蜗轮蜗杆组，以使回转台运动平稳；所述联轴器42选择柔性联轴器，实现柔性连接。
参见图6所示，所述的显微镜8安装于观测系统的最上端，X轴运动组件5的行程为10mm、50mm、90mm、100mm、120mm、140mm、150mm，Z轴运动组件6的行程为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm，回转组件7的回转范围为水平面上下各倾斜30°，使显微镜8的观测位置及观测角度能够在一定的范围内进行调整；所述的显微镜8为连续变焦单筒显微镜，可以在观测平台调整到合适位置、角度的基础上进一步进行精调，且无须进行物镜的切换，能够实现远程操控；所述的显微镜8可以通过激光笔45对视场进行初步定位，便于观测点的选择与调整。
所述的伺服电机9带有20位编码器，使伺服电机9能够达到纳米级的角位移分辨率。
所述的伺服电机9带有20位编码器，使伺服电机9能够达到纳米级的角位移分辨率。
所述的滚轮12和齿圈3之间的啮合为无间隙啮合，可以通过闭环控制使显微镜8的镜头在测试进行过程中能够实现对观测点的跟随观测。
所述圆形导轨1由6段60°的弧形导轨拼接而成，所述圆形导轨1用于承载整个平台的重量并对平台的圆周运动起精密导向作用。
所述原位观测系统平台能够实现远程控制，可用于特殊物理场如真空、高压、高低温等环境下的材料测试；并能够适应测试过程中试件的变形进行跟随观测，尤其是试件的扭转变形。
所述的观测系统平台可以根据不同的试验目的与要求配备不同的观测设备或检测设备，如将显微镜8换成拉曼光谱仪、声发射检测仪、数字散斑仪等仪器；也可以根据不同的需要，沿着圆形导轨1配置两或三个观测平台，每个平台根据要求配备不同的观测设备或检测设备，每个设备可以在一定范围内单独进行调整，也可以同时进行工作。
参见图1至图7所示，本发明的用于监测材料微观力学行为的原位观测方法，具体步骤如下：
a.进行力学测试前，首先对显微镜8进行定位。即通过圆周运动组件4调整显微镜8围绕Z轴的旋转角度φ，再通过X轴运动组件5调整显微镜8的径向尺寸ρ、通过Z轴运动组件6调整显微镜8的高度z、通过回转组件调整显微镜8的观测角度，使显微镜8的观测位置和角度最佳；
b.微调显微镜8的焦距，使试件的观测表面在显示器界面内的成像最清晰；
c.微调圆周运动组件4、Z轴运动组件6以定位测试过程中跟随观测的观测点；
d.以上调整完成后，准备试验过程中对观测点进行跟随观测；
e.在测试过程中，由于施加载荷，试件会发生变形,导致材料观测点位置的变化；
f.通过光学系统、CCD图像传感器采集图像信息；
g.通过相应的接口电路，将图像信息传入计算机；
h.通过计算机内相应的处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化；
i.根据软件处理结果，由计算机对驱动模块输入相应指令；
j.由驱动器接收驱动指令，使相应的电机驱动圆周运动组件4、X轴运动组件5、Z轴运动组件6来调整显微镜8的位置，从而跟随观测点坐标由ρ、φ、z到ρ 1、φ 1、z 1的变化；
k.通过以上调整完成闭环控制，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：包括圆周运动组件(4)、Z轴运动组件(6)、X轴运动组件(5)、回转组件(7)、显微镜(8)、支撑台(2)；所述X轴运动组件(5)安装于圆周运动组件(4)之上， Z轴运动组件(6)安装于X轴运动组件(5)之上，回转组件(7)安装于Z轴运动组件(6)之上，显微镜(8)安装于回转组件(7)之上；圆周运动组件(4)安装于支撑板Ⅰ(11)上，支撑板Ⅰ(11)通过滑块(14)安装在圆形导轨(1)上；伺服电机(9)带动滚轮(12)转动，驱动整套观测平台进行圆周运动。
2.根据权利要求1所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的圆周运动组件(4)提供显微镜(8)的精密圆周运动，由伺服电机(9)提供动力，经过减速机(10)减速，驱动与齿圈(3)啮合的滚轮(12)转动，带动支撑板Ⅰ(11)沿着圆形导轨(1)进行圆周运动；所述伺服电机(9)与减速机(10)连接，减速机(10)采用行星减速机，通过螺钉固定在支撑板Ⅰ(11)上，支撑板Ⅰ(11)安装在滑块(14)上，滑块(14)安装在圆形导轨(1)上，圆形导轨(1)和齿圈(3)固定在支撑台(2)上。
3.根据权利要求1所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的X轴运动组件(5)调整显微镜(8)的径向距离，由步进电机(19)提供动力，驱动滚珠丝杠(16)输出直线位移，X轴运动组件(5)通过两侧的直线导轨Ⅰ(17)、直线导轨Ⅱ(21)支撑导向；所述步进电机(19)选用五项步进电机，固定在X轴底板(22)上；所述滚珠丝杠(16)为单螺距、小导程丝杠，通过丝杠座Ⅰ(18)、丝杠座Ⅲ(20)固定在X轴底板(22)上；所述直线导轨Ⅰ(17)、直线导轨Ⅱ(21)上各安装有两个滑块Ⅰ(24)，所述直线导轨Ⅰ(17)、直线导轨Ⅱ(21)安装在X轴底板(22)上，X轴底板(22)安装在支撑板Ⅰ(11)上；X轴支撑板(15)为L型，用于Z轴运动组件(6)的连接与固定。
4.根据权利要求1所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的Z轴运动组件(6)调整显微镜(8)的高度，其连接方式与X轴运动组件(5)的连接方式相同，由步进电机Ⅱ(28)提供动力，驱动滚珠丝杠Ⅱ(30)输出直线位移，Z轴运动组件(6)通过两侧的直线导轨Ⅳ(32)、直线导轨Ⅲ(27)支撑导向；所述步进电机Ⅱ(28)选用五项步进电机，固定在Z轴底板(29)上；所述滚珠丝杠Ⅱ(30)为单螺距、小导程丝杠, 通过丝杠座Ⅱ(33)固定在Z轴底板(29)上；所述直线导轨Ⅳ(32)、直线导轨Ⅲ(27)上各安装有两个滑块Ⅱ(31)，以加强对回转组件(7)的支撑；所述直线导轨Ⅳ(32)、直线导轨Ⅲ(27)安装在Z轴底板(29)上；所述Z轴底板(29)安装在X轴支撑板(15)的侧面；Z轴支撑板(26)与支撑板Ⅱ(25)通过螺钉连接；支撑板Ⅱ(25)为L型，用于回转组件(7)的连接与固定。
5.根据权利要求1所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的回转组件(7)调整显微镜(8)的观测角度，由步进电机Ⅲ(40)提供动力，通过联轴器(42)、蜗轮蜗杆组(36)驱动回转台(35)沿着弧形导轨Ⅰ(37)、 弧形导轨Ⅱ(44)运动；所述步进电机Ⅲ(40)通过支撑板Ⅲ(39)、短杆(43)固定在底板(41)上；所述蜗轮蜗杆组(36)通过蜗杆座(38)固定在底板(41)上；所述回转台的底板(41)安装在支撑板Ⅱ(25)上，支撑板Ⅱ(25)与Z轴支撑板(26)通过螺钉连接。
6.根据权利要求1所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述显微镜(8)安装在回转组件(7)上，X轴运动组件(5)的行程为0~150mm，Z轴运动组件(6)的行程为0~50mm，回转组件(7)的回转范围为水平面上下各倾斜30°；所述显微镜(8)为连续变焦单筒显微镜；所述显微镜(8)通过激光笔(45)对视场进行初步定位。
7.根据权利要求2所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的伺服电机(9)设有20位编码器，使伺服电机(9)能够达到纳米级的角位移分辨率；滚轮(12)和齿圈(3)之间的啮合为无间隙啮合，便于通过闭环控制使显微镜(8)的镜头在测试进行过程中能够实现对观测点的跟随观测。
8.根据权利要求3或4所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的X轴支撑板(15)的侧面设有直线光栅尺(23) 通过闭环控制对X轴运动组件(5) 提供精确的行程控制。
9.根据权利要求5所述的用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，其特征在于：所述的Z轴支撑板(26)的侧面设有直线光栅尺(34)，通过闭环控制对Z轴运动组件(6)提供精确的行程控制。
10.一种用于监测材料微观力学行为的原位观测方法，其特征在于：在材料测试之前，先通过圆周运动组件(4)调整显微镜(8)的旋转角度φ，再通过X轴运动组件(5)调整显微镜(8)的径向尺寸ρ、通过Z轴运动组件(6)调整显微镜(8)的高度z、通过回转组件调整显微镜(8)的观测角度，最后由显微镜(8)调整焦距，使显微镜(8)达到最优的观测效果，并明确观测点；
在材料测试过程中，试件的变形导致材料观测点位置的变化，通过光学系统、CCD图像传感器采集到的图像信息，通过相应的接口电路传入计算机，通过处理软件对图像信息进行处理，计算出观测点空间位置的变化，根据处理结果由计算机对驱动模块输入相应指令，经过对应的驱动器及电机，由圆周运动组件(4)、X轴运动组件(5)、Z轴运动组件(6)调整显微镜(8)的位置，从而适应观测点坐标由ρ、φ、z到ρ 1、φ 1、z 1的变化，使通过光学系统、CCD图像传感器能够采集到完整、清晰的图像信息，从而达到对观测点跟随观测的目的。
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