CN105301199B - 一种探针系统多场加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种探针系统多场加载装置，包括多场加载箱、水平移动台、悬臂杆、带滑轨的固定支架、传动轴、伺服电机、探针和力传感器；多场加载箱固定在水平移动台上；试样固定在箱底；预留孔洞通过密封橡胶圈进行密封；探针顶部与试样接触，底部与力传感器连接；力传感器安装在悬臂杆前端内部，不与密封橡胶圈接触；伺服电机带动传动轴转动控制探针垂直移动，实现力场和变形场的加载；可外接真空泵和湿度控制器；箱体嵌入环状加热棒和缠绕铜丝的铁棒，用于加载热场和磁场；通过平板光源加载光场。本发明可同时提供真空度、湿度、力场、变形场、电场、热场、磁场和光场加载，抗干扰能力强，测试结果可靠准确。

Description

一种探针系统多场加载装置

技术领域

本发明涉及材料测量与测试设备，尤其涉及一种用于探针测试系统的多场加载装置。

背景技术

近年来，材料科学与技术得到了快速发展，光、电、磁、热、生化等处理工艺使材料具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物学功能以及相互转化的功能，极大地促进了功能材料的研发与应用，导电高分子、压电陶瓷、光导纤维、光电、热电、磁电等功能材料已经广泛应用于电子信息、能源交通、生物医疗、航空航天、仪器仪表等众多领域。

功能材料的工作环境比以往的普通材料更加复杂，经常工作在光、电、力、热、磁等单个或多个物理场的作用之下。在进行结构设计和建模时，由于现有数据库及材料工程手册中的材料参数多为常规条件下测得，未考虑外加物理场的影响，常常导致设计不合理、寿命降低甚至结构失效，然而传统测试方法与设备难以准确可靠地实现多场作用下的功能材料力学、热学、电学、磁学等基本性能参数的测试。

探针系统是测量材料力学、热学、电学、磁学等性能参数的重要手段，微电子技术的发展不断促使着传感器、控制器等微器件精度、可靠性、小尺寸等性能指标不断提高，极大地扩展了探针测试技术：包括测量材料模量、硬度等力学性能的纳米压痕技术，测量体积电阻率和表面电阻率的四探针测试技术，测量热导率的热探针技术，测量磁场强度的感应磁探针技术等。相比于其他测试手段，探针测试方法及其系统能够测量薄膜等小尺寸样品，限制因素小、测量范围广、外加装置方便、搭配灵活多变，经过多年的发展，已经拥有多项国际和国家测试标准，测量结果具有很强的可比性和工程价值。但是，现有采用探针系统对材料进行测试大多在开放的测试环境中进行，探针与测试样品直接放置在空气环境中进行测试，这样比较容易加载光场、电场、磁场、力场和应变场，但是无法实现湿度条件、真空环境等情况的测试，并且容易受外界环境干扰，影响测试结果的可靠性、准确性和精度。而其他探针系统在封闭环境中进行测试时，虽然可以实现真空和湿度的控制，但是无法实现电、磁、热、力、光等多个物理场同时加载：如果将整个探针系统和测试材料一起置于封闭环境中，电场、磁场、热场将损伤探针系统中的电子元器件，极大地限制了物理场强度、频率等加载参数；如果只将探针与测试材料置于封闭环境中，探针系统难以加载力场和应变场，同时电场、磁场、热场、力场、光场之间会相互干扰，测试过程中容易相互影响，导致测试结果不可靠，准确性不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于探针测试系统的多场加载装置，该装置包括封闭式多场加载箱、探针、力传感器、排气管、丝杆传动轴、伺服电机、电极、环状加热棒、环状缠绕铜丝的圆形铁棒、平板光源，本发明是能够同时集真空度、湿度、力场、变形场、电场、热场、磁场和光场加载功能于一体的封闭式加载箱，能够实现多场作用下针对功能材料进行力学、热学、电学、磁学等性能基本参数的测量和测试，抗外界环境干扰能力强，测试结果更加可靠、准确。

本发明提供的技术方案是：

一种探针系统多场加载装置，至少包括多场加载箱、水平移动台、悬臂杆、带滑轨的固定支架、第一传动轴、第一伺服电机、探针和力传感器；多场加载箱的上方和侧面预留出孔洞，可供悬臂杆、探针、传感器、控制器或外接线路出入；多场加载箱固定在水平移动台上；水平移动台可前后和左右移动；多场加载箱为封闭式；试样固定在多场加载箱的底部；多场加载箱预留出的孔洞通过密封橡胶圈进行密封处理；探针的顶部与试样接触，探针的底部与力传感器相连接；力传感器整体安装在悬臂杆的前端的内部，用于实时反馈探针与试样接触载荷的数值，力传感器不与密封橡胶圈接触，不受到悬臂杆前段在移动过程中与密封橡胶圈之间摩擦力的影响，保证力场的准确加载与测量；悬臂杆的前端通过多场加载箱上方的孔洞伸入多场加载箱内，悬臂杆的另一端安装在固定支架的滑轨上；固定支架与第一传动轴连接并保持同步运动，第一伺服电机带动传动轴转动，通过第一伺服电机的转速控制探针在垂直方向的移动速率，结合力传感器的力载荷数据的实时反馈，从而实现力场和变形场的加载。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载装置还包括第二传动轴和第二伺服电机；所述水平移动台产生前后和左右移动具体是通过水平移动台与第二传动轴连接并保持同步运动实现的；所述第二伺服电机带动第二传动轴转动；通过两组十字交叉的第二伺服电机和第二传动轴实现水平移动台的前后和左右移动；通过第二伺服电机的转速控制水平移动台的移动速率。第二传动轴为螺纹丝杆或滚珠丝杆。

在本发明实施例中，上述探针系统多场加载装置中，试样为长方体形状，使用耐高温的无机填充物增强高分子有机粘结剂固定在多场加载箱的底部。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载箱的上方和侧面预留出的孔洞，通过采用聚四氟乙烯橡胶圈进行密封处理；通过多场加载箱的上方和侧面预留出的一个或多个孔洞通过排气管分别外接真空泵和/或湿度控制器；外接真空泵用于实现箱内真空度的加载；外接湿度控制器用于实现箱内湿度的加载。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述力传感器采用应变式力传感器或膜片式力传感器；所述第一伺服电机的转速为0-100000rad/min；所述探针在垂直方向的移动速率为0-1000mm/min；所述力场为10^-6-10⁴N；所述变形场为10^-6-10³mm。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载箱的底部两侧还分别设有矩形电极，分别通过两侧的螺纹丝杆紧紧夹住试样的两侧，两侧的螺纹丝杆分别连接导线，通过外加电流、电压、频率、通电时间的控制实现电场的加载。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载箱的外层按一定间距比例嵌入多根环状加热棒，通过环状加热棒的加热功率、时间、温度的控制实现热场的加载，且保证箱内热场加载的整体均匀性；所述多场加载箱的侧面还可插入一温度传感器，用于实时反馈箱内温度。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载箱的内层按一定间距比例嵌入多根环状缠绕铜丝的圆形铁棒，通过铜丝电流、频率、铁棒直径的控制实现磁场的加载，且保证箱内磁场加载的整体均匀性；所述多场加载箱的最内层上方还安装大功率LED平板灯，通过外加电压电流频率和强度及光波长的控制实现光场的加载。

上述探针系统多场加载装置中，进一步地，所述多场加载箱的箱体采用绝缘隔热材料，所述绝缘隔热材料为陶瓷、耐高温聚合物或耐高温复合材料，绝缘材料可以防止电极、环状加热棒、环状缠绕铜丝的圆形铁棒在同时通电时的相互干扰，避免漏电、短路、电磁屏蔽等现象，减弱电磁、磁电效应；隔热材料可以防止局部升温过快，避免外接电线、平板光源等电子器件被损坏，有利于长时间的恒温加载；同时按一定间距比例嵌入多根环状加热棒和环状缠绕铜丝的圆形铁棒，有利于热场和磁场整体性的均匀、稳定加载。

本发明实施例中提供的基于探针系统的多场加载装置为封闭式加载箱，不仅能够同时提供真空度、湿度、力场、变形场、电场、热场、磁场和光场加载的功能；而且，相对于现有探针系统的开放式物理场加载装置，抗外界环境干扰能力强，测试结果更加可靠、准确。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种探针系统多场加载装置，提供能够同时集真空度、湿度、力场、变形场、电场、热场、磁场和光场加载功能于一体的封闭式加载箱；通过排气管外接真空泵，实现箱内真空度的加载；通过排气管外接湿度控制器，实现箱内湿度的加载；通过力传感器、伺服电机转速的控制，实现力场和变形场的加载；通过矩形电极上外加电流、电压、频率、通电时间的控制，实现电场的加载；通过环状加热棒和温度传感器对加热功率、时间、温度的控制，实现热场的加载；通过环状缠绕铜丝的圆形铁棒上铜丝电流、频率、铁棒直径的控制，实现磁场的加载；通过平板光源外加电压电流频率和强度及光波长的控制，实现光场的加载。相对于现有探针系统的物理场加载装置，本发明的抗外界环境干扰能力强，测试结果更加可靠、准确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的探针系统多场加载装置的结构图；

其中，1—多场加载箱；2—水平移动台；3—传动轴(第二传动轴)；4—带动第二传动轴转动的伺服电机(第二伺服电机)；5—试样；6—外接真空泵的排气管；7—外接湿度控制器的排气管；8—探针；9—悬臂杆；10—带滑轨的固定支架；11—传动轴(第一传动轴)；12—带动第一传动轴转动的伺服电机(第一伺服电机)；13—力传感器；14—电极；15—螺纹丝杆；16—环状加热棒；17—温度传感器；18—环状缠绕铜丝的圆形铁棒；19—LED平板灯。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种探针系统多场加载装置，在本发明实施例中，如图1所示，该多场加载装置包括多场加载箱1、水平移动台2、传动轴3、带动传动轴3转动的伺服电机4、外接真空泵的排气管6、外接湿度控制器的排气管7、探针8、悬臂杆9、带滑轨的固定支架10、传动轴11、带动传动轴11转动的伺服电机12、力传感器13、电极14、螺纹丝杆15、环状加热棒16、温度传感器17、环状缠绕铜丝的圆形铁棒18和LED平板灯19；下面具体说明上述多场加载装置包括的多个结构的材料、结构之间的连接安装和对试样5进行多场加载测试时的工作过程：

A、多场加载箱1主体采用绝缘隔热材料；绝缘隔热材料可以为陶瓷、耐高温聚合物及其复合材料；多场加载箱1固定在水平移动台2上，水平移动台2与传动轴3连接并保持同步运动，传动轴3可采用螺纹丝杆或滚珠丝杆；伺服电机4带动传动轴3转动，通过电机的转速(0-100000rad/min)控制移动速率(0-1000mm/min)，通过丝杆精度控制移动精度(0.001-100μm/步)，通过两组十字交叉的伺服电机和传动轴实现移动台的前后和左右移动；

B、通过切割和抛光技术制作长方体形状、表面平整(倾斜角<15°)、粗糙度小(Ra<10μm)的试样5，使用耐高温的无机填充物增强高分子有机粘结剂固定在多场加载箱1的底部，通过无机填充物的含量控制粘结剂的粘度与耐高温性能；

C、多场加载箱1的上方和侧面预留出可供传感器、控制器和外接线路出入的孔洞，聚四氟乙烯橡胶圈进行密封处理，通过排气管6外接真空泵，实现箱内真空度的加载(0.001-100KPa)，排气管7外接湿度控制器，实现箱内湿度的加载(0.01％-99.99％R.H)；

D、探针8安装在悬臂杆9前端，悬臂杆9安装在固定支架10的滑轨上，悬臂杆9与连接并保持同步运动，传动轴11可以为螺纹丝杆或滚珠丝杆；伺服电机12带动传动轴11转动，通过电机的转速(0-100000rad/min)控制探针8在垂直方向的移动速率(0-1000mm/min)，通过丝杆精度控制移动精度(0.001-100μm/步)；

E、探针8的底部与力传感器13相连，力传感器13可采用应变式力传感器或膜片式力传感器，力传感器13安装在悬臂杆9前端内部，实时反馈探针8与试样5接触载荷的数值，通过伺服电机12转速的控制实现力场(10^-6-10⁴N)和变形场10^-6-10³mm)的加载；

F、多场加载箱1底部两侧加工矩形电极14，电极14(电极的材料可以采用导电高分子及其复合材料，如高电导率金属及其合金)表面涂抹少量导电胶(导电聚合物及导电粒子填充聚合物基复合材料)，两侧的电极14分别通过两侧的螺纹丝杆15紧紧夹住试样的两侧，两侧的螺纹丝杆15分别连接导线，通过外加电流、电压、频率、通电时间的控制实现电场的加载(0-500KV，0-40GHz)；

G、加载箱1外层按一定间距嵌入多根环状加热棒16，环状加热棒16可以采用热电阻或电热线，保证箱内加载整体均匀性，通过温度传感器17实时反馈箱内温度，温度传感器17可以采用热电偶温度计、热敏电阻温度计、辐射温度计或光测温度计，通过加热功率、时间、温度的控制实现热场的加载(0-400℃)；

H、加载箱1内层按一定间距嵌入多根环状缠绕铜丝的圆形铁棒18，保证箱内加载整体均匀性，通过铜丝电流、频率、铁棒直径的控制实现磁场的加载(0-1000T)；

I、多场加载箱1最内层上方安装大功率LED平板灯19，通过外加电压电流频率和强度及光波长的控制实现光场的加载(波长200-780nm，光强0-100W/cm²)。

上述探针系统多场加载装置为封闭式加载箱，不仅能够同时提供真空度、湿度、力场、变形场、电场、热场、磁场和光场加载的功能；而且，相对于现有探针系统的物理场加载装置，抗外界环境和多场相互间干扰的能力强，测试结果更加可靠、准确。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种探针系统多场加载装置，至少包括多场加载箱、水平移动台、悬臂杆、带滑轨的固定支架、第一传动轴、第一伺服电机、探针和力传感器；多场加载箱的上方和侧面预留出孔洞，可供悬臂杆、探针、传感器、控制器或外接线路出入；多场加载箱固定在水平移动台上；水平移动台可前后和左右移动；多场加载箱为封闭式箱；所述多场加载箱的箱体采用绝缘隔热材料；

所述多场加载箱的上方和侧面预留出的孔洞，所述预留出的孔洞通过排气管分别外接真空泵和/或湿度控制器；外接真空泵用于实现箱内真空度的加载；外接湿度控制器用于实现箱内湿度的加载；

所述多场加载箱的底部两侧还分别设有矩形电极，分别通过两侧的螺纹丝杆紧紧夹住试样的两侧，两侧的螺纹丝杆分别连接导线，通过外加电流、电压、频率、通电时间的控制实现电场的加载；

所述多场加载箱的外层还嵌入多根环状加热棒，通过环状加热棒的加热功率、时间、温度的控制实现热场的加载，且保证箱内热场加载的整体均匀性；

所述多场加载箱的内层还嵌入多根环状缠绕铜丝的圆形铁棒，通过铜丝电流、频率、铁棒直径的控制，实现磁场的加载，且保证箱内磁场加载的整体均匀性；

试样固定在多场加载箱的底部；多场加载箱预留出的孔洞通过密封橡胶圈进行密封处理；探针的顶部与试样接触，探针的底部与力传感器相连接；力传感器安装在悬臂杆的前端的内部，不与密封橡胶圈接触，用于实时反馈探针与试样接触载荷的数值；悬臂杆的前端通过多场加载箱上方的孔洞伸入多场加载箱内，悬臂杆的另一端安装在固定支架的滑轨上；固定支架与第一传动轴连接并保持同步运动，第一伺服电机带动传动轴转动，通过第一伺服电机的转速控制探针在垂直方向的移动速率，实时反馈力传感器的力载荷数据，从而实现力场和变形场的加载。

2.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述绝缘隔热材料为陶瓷、耐高温聚合物或耐高温复合材料。

3.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述多场加载装置还包括第二传动轴和第二伺服电机；所述水平移动台产生前后和左右移动具体是通过水平移动台与第二传动轴连接并保持同步运动实现的；所述第二伺服电机带动第二传动轴转动；通过两组十字交叉的第二伺服电机和第二传动轴实现水平移动台的前后和左右移动；通过第二伺服电机的转速控制水平移动台的移动速率。

4.如权利要求3所述探针系统多场加载装置，其特征是，第二传动轴为螺纹丝杆或滚珠丝杆。

5.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述多场加载箱的上方和侧面预留出的孔洞为一个或多个，通过采用聚四氟乙烯橡胶圈进行密封处理。

6.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述力传感器采用应变式力传感器或膜片式力传感器；所述第一伺服电机的转速为0-100000rad/min；所述探针在垂直方向的移动速率为0-1000mm/min；所述力场为10^-6-10⁴N；所述变形场为10^-6-10³mm。

7.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述多场加载箱的侧面还可插入一温度传感器，用于实时反馈箱内温度。

8.如权利要求1所述探针系统多场加载装置，其特征是，所述多场加载箱的最内层上方还安装大功率LED平板灯，通过外加电压电流频率和强度及光波长的控制，实现光场的加载。