CN105486576B - 一种用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置。要点是：还包括自动对心调控装置，自动对心调控装置包括能在底板上滑动且在与样品加热器相应的部位上开设有滑动时不触碰样品加热器的样品腔安置口的对心调控滑板、两个分别设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构两块夹持块上的位移传感器、输入端和输出端分别与位移传感器输出端和对心电机输入端连接的对心自动调控器、连接在对心电机和对心调控滑板间的对心传动机构；双向同步滑动的夹持拉伸机构设装在对心调控滑板上，应力传感器设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构其中的一块夹持块上。能确保在同步辐射原位测试过程中被测样品的被测点始终处于测试装置的检测点处。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于同步辐射原位测试的拉伸对心装置，特别是一种用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置。
背景技术
新材料、新技术，是当今科技的重点领域。支撑新材料、新技术发展的材料科学基础研究所依赖的表征手段已逐步由过去的稳态显微技术过渡到动态微结构监测，研究的重心也由关注物质的稳态特性逐渐发展深入到关切它们在制备过程以及使用状态下的动态过程。同步辐射原位测试技术是正在迅速发展，适用于材料制备过程以及使用状态下动态过程监测的先进技术。应力作用过程材料微结构变化的动态监测是当今科技界的一个研究热点。人们开发了多种用于同步辐射原位监测应力作用过程材料结构演变情况的技术和装置。但是现有的应力作用过程同步辐射原位测试的装置，大多用于压应力作用过程样品结构变化的研究，适用于张应力作用过程同步辐射研究的装置很少。仅有的几套用于张应力作用过程同步辐射研究的装置，却也存在明显的缺陷。现有的用于张应力作用过程同步辐射原位测试装置，难以保证严格意义上的原位测试：由于缺少自动对心功能，会因为样品在张应力作用过程中的形变而导致测试点在样品上发生偏移。这种测试点的偏移，会导致所测试的样品位置发生变化。如果样品不同位置的结构不是严格均匀，将导致难以区分测试获得的材料结构变化信息是来源于测试点变化，还是外加条件变化引起的材料结构变化，即难以实现严格意义上的原位测试。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种在同步辐射原位测试过程中能确保测试样品的被测点始终处于测试装置的检测点处的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置。
一种用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，包括双向同步滑动的夹持拉伸机构、应力传感器、底板和固定在底板上的样品加热器，其特征在于：还包括自动对心调控装置，自动对心调控装置包括能在底板上滑动且在与样品加热器相应的部位上开设有滑动时不触碰样品加热器的样品腔安置口的对心调控滑板、两个分别设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构两块夹持块上的位移传感器、输入端和输出端分别与位移传感器输出端和对心电机输入端连接的对心自动调控器、连接在对心电机和对心调控滑板间的对心传动机构；双向同步滑动的夹持拉伸机构设装在对心调控滑板上，应力传感器设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构其中的一块夹持块上。
本发明的目的是通过自动对心调控装置及将双向同步滑动的夹持拉伸机构设装在对心调控滑板上实现的。所以，本发明不仅能确保在同步辐射原位测试过程中被测样品的被测点始终处于测试装置的检测点处，还具有无需将样品腔密闭就能将样品与大气隔离，能将样品腔直接置于大气中而样品在加热过程中不被氧化，能将测试装置小型化，且便于控制温度、应力、磁场等测试条件，可以大大简化同步辐射测试装置，显著提升实验效率和精度，也无需像现有技术那样将射线出、入窗口密封，消除了射线窗口密封材料对射线的吸收和干扰衍射峰的产生，提高了射线利用率，提升了实验精度和实验效率，且测试操控便捷、省时省事、能大大提高功效等优点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图，
图2是本发明的另一种结构示意图；
图3是本发明的一种开放式加热器结构示意图，
图4是图3是的纵断面立体图，
图5是图3中部横断面立体图。
图中：对心调控滑板滑轨1、夹持拉伸滑块滑轨2、夹持拉伸滑块3、夹持块4、位移传感器5、样品6、样品腔安置口7、开放式样品加热器8、开放式射线出射孔9、应力传感器10、对心调控滑板11、对心顶块12、对心压电陶瓷13、对心调节块14、对心调节螺杆15、对心电机16、底板窗口17、滑轮组18、拉绳19、拉伸电机20、转轮21、热偶温度计探头22、底板23、拉伸滑块力臂24、拉伸螺杆25、螺杆固定块组26、传动蜗杆27、传动涡轮28、驱动齿轮29、传动齿轮30、导热块31、开放式样品腔32、惰性气体通气管道33、加热片34、开放式射线入射孔35、惰性气体通气管道与开放式样品腔相通口36。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明进行详述：
图中的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，主要包括双向同步滑动的夹持拉伸机构、应力传感器10、底板23和固定在底板上的样品加热器8，其特征在于：还包括自动对心调控装置，自动对心调控装置包括能在底板23上滑动且在样品加热器8相应的部位上开设有滑动时不触碰样品加热器8的样品腔安置口7的对心调控滑板11、两个分别设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构两块夹持块4上的位移传感器5、输入端和输出端分别与位移传感器5输出端和对心电机(16)输入端连接的对心自动调控器、连接在对心电机16和对心调控滑板11间的对心传动机构；双向同步滑动的夹持拉伸机构设装在对心调控滑板11上，应力传感器10设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构其中的一块夹持块4上。
图中的双向同步滑动的夹持拉伸机构包括由设装在样品加热器8两侧的对心调控滑板11上的夹持拉伸滑块滑轨2、设装在夹持拉伸滑块滑轨2上的夹持拉伸滑块3、设装在夹持拉伸滑块3上的夹持块4构成的双向同步滑动夹持机构和双向同步拉伸机构。图1中的双向同步拉伸机构包括转轮21、拉伸电机20、滑轮组18、两端分别连接在夹持拉伸滑块3和转轮21上的拉绳19。图2中的双向同步拉伸机构包括拉伸电机20、拉伸滑块力臂24、拉伸螺杆25、螺杆固定块组26、传动蜗杆27、传动涡轮28、驱动齿轮29、传动齿轮30。
为了确保调控的被测试样品的被测点能精确定位，图中的对心传动机构由对心调节螺杆15、对心调节块14、对心压电陶瓷13和对心顶块12构成。
图中的样品加热器8为开放式加热器，包括导热块31和设装在导热块31侧面上的加热片34，并在导热块31中部上开设有样品可以自由贯穿的开放式样品腔32，在开放式样品腔32外的导热块31内开设有若干依次贯通且一端开口且与惰性气体气源连接另一端尾部与开放式样品腔32相通的惰性气体通气管道33，开设在导热块31上横穿开放式样品腔32且相通的开放式射线入射孔35和开放式射线出射孔9。
为了便于对心操控，图中的对心自动调控器为电脑。使同步辐射射线从开放式射线入射孔35的中心点入射，衍射线从开放式射线出射孔9的中心往外衍射。利用双向同步滑动的夹持拉伸机构的两块夹持块4夹持样品后，调节双向同步滑动的夹持拉伸机构使两块夹持块4的位置关于开放式射线入射孔35和开放式射线出射孔9的中心点对称，使样品中心位置与开放式射线入射孔35和开放式射线出射孔9的中心点重合，即让同步辐射的射线入射到样品中心位置，也即让同步辐射监测样品中心位置或者说将样品中心位置设置为同步辐射原位测试点。当在应力施加过程中，由两个分别设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构两块夹持块4上的位移传感器5分别监测样品左端和右端相对于开放式射线入射孔35和开放式射线出射孔9的中心点(即同步辐射射线入射到样品处，也即测试装置的检测点)的位移，将位移传感器5的信号传输给电脑，由电脑计算样品左右端的坐标是否与测试装置的检测点对称，即判定被测样品的被测点是否相对同步辐射检测点偏移。如出现偏移，则由电脑发出指令给对心电机16，由对心电机16带动对心调节螺杆15旋转，对心调节螺杆15旋转通过螺纹驱动对心调节块14移动，对心调节块14的移动通过对心调节顶块12带动对心调控滑板11在滑轨1上滑动，设装在对心调控滑板11上的双向同步滑动的夹持拉伸机构随着对心调控滑板11滑动而滑动，进而实现测试样品的被测点始终处于测试装置的检测点处，即测试样品的被测点处于开放式样品加热器8的射线孔9处而对心。1微米以上的偏移由对心电机16完成，1微米以下的偏移由压电陶瓷13完成。压电陶瓷13的对心行为也由电脑根据位移传感器5的信息进行控制。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：
首先，能够实现原位测试。严格意义上的原位测试，要求测试样品的被测点相对于测试装置的检测点处不发生相对位移。在现有技术中，为了便于实施，通常采用非对称方式，即一端固定，另一端活动的方式加应力。这种非对称的应力施加方式，由于样品的形变，使得测试样品的被测点相对于测试装置的检测点处有位移，即实际测试点会因为样品形变而发生变化，因此，现有技术的非对称的应力施加方式，只能实现在线测试，而不能实现严格意义上的原位测试，导致测试结果难以区分是因为测试位置变化所致还是其它因素所致。而本发明将测试装置的检测点选择在样品中心位置处，采用双向同步滑动的夹持拉伸机构并配以自动对心装置。本发明采用关于样品中心对称的装置对样品两端同步施加应力，使得样品在应力作用过程中的导热、形变等物理现象关于中心点对称。本发明技术在测试应力作用过程材料结构信息的同时，实时监测样品两端关于测试装置的检测点的位移，根据样品两端相对于测试装置的检测点的位移量，判定样品中心点是否相对测试点有漂移。若样品两端位移等值反向，则说明测试点与样品中心点重合未发生相对位移，若监测所得样品两端位移有差异，则说明测试点相对样品中心点发生偏移，由对心装置将样品向位移量小的一端移动差值的二分之一量，实现自动对心。继续跟踪，若出现样品中心偏移，则采用相同方法进行调整，保证样品测试点原位。整个检测和调整功能由电脑根据位移传感器信号控制对心装置自动完成。
其次，本发明采用开放式样品腔，实现开放式加热控温，相比现有的密闭式样品腔具有明显的优势。在研究应力作用过程时，通常要研究温度对应力作用效果的影响，因此，高温是必备条件，为了避免样品在测试过程中被氧化，现有技术通常采用密闭腔体隔离空气的方法来保证样品在加热过程中不被氧化。但是，这种密闭措施，给测试过程带来了很多困难。如射线孔的密封问题，迄今还没有对射线完全透明的材料，即射线孔的密封势必导致对射线的吸收，影响有效信息的获取和测试效率。而且，迄今还未找到能耐高温的射线孔密封材料，使得射线孔不能贴近高温腔。射线孔不能贴近控温腔中的样品，尤其是衍射孔与样品的距离严重制约了衍射射线的出射角。现有技术的这种密闭样品腔，给应力的控制带来了更多困难。为了实现样品腔的密闭，需将整个应力控制装置也纳入密闭腔。处在密闭腔中的应力控制装置，为了小型化需尽量简化和紧凑，而简化势必影响性能，紧凑会导致拥挤。更困难的是，在高温实验时，由于密闭腔体整体温度的升高，控制所需的测试探头会产生误差甚至失灵。为此，又得采取繁琐的冷却处理。而本发明采用开放样品腔，用持续流动惰性热气体对样品加热和保护，突破了现有密闭技术，免去了所有因为样品腔密闭带来的麻烦。无需密闭射线孔，免去了射线窗口的吸收和信号干扰，提高了射线利用率和实验效率，提高了测试信号的纯度。无需密闭腔体，实现装置简化的同时，还实现了控制过程的简便和测量精度的大幅度提升以及实验效率的提升。值得强调的是，采用密闭样品腔技术，由于射线窗口密封材料对射线能量的衰减，通常要求射线能量在100KeV左右，无法在低于50KeV的较低能量同步辐射线站获得微米量级厚度金属薄带样品的有效信息，而采用本发明技术，由于采用开放式样品腔，无需对射线窗口密封，在射线能量只有20KeV的上海光源14BL线站能获了45微米厚的铁基合金薄带的高质量应力退火过程的原位XRD测试信息。
再者，本发明采用对称式单力臂方式对样品施加应力，力臂(螺杆或拉绳)与样品的轴心重合，并且从样品的左右两端同时作用。这种同轴的单力臂结构，相比现有的双螺杆结构，具有显著的优势：相比现有的双螺杆结构，由于本发明采用样品与力臂同轴结构，可以使力臂的作用力直接作用与样品，无需像双螺杆结构那样通过横跨在双螺杆之间的臂梁将应力传动给样品夹头，要求臂梁具有承受强切应力的能力。因此，本发明结构不但省略了要求苛刻的臂梁，使应力直接作用与样品夹头，使装置大大简化，重量和体积显著减少，而且，本发明的简洁结构还为样品区腾出了空间，实现了样品区简洁和空阔，使样品装卸十分方面，同时使射线出射不受限制和干扰。
Claims (6)
1.一种用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，包括双向同步滑动的夹持拉伸机构、应力传感器(10)、底板(23)和固定在底板上的样品加热器(8)，其特征在于：还包括自动对心调控装置，自动对心调控装置包括能在底板(23)上滑动且在样品加热器(8)相应的部位上开设有滑动时不触碰样品加热器(8)的样品腔安置口(7)的对心调控滑板(11)、两个分别设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构两块夹持块(4)上的位移传感器(5)、输入端和输出端分别与位移传感器(5)输出端和对心电机(16)输入端连接的对心自动调控器、连接在对心电机(16)和对心调控滑板(11)间的对心传动机构；双向同步滑动的夹持拉伸机构设装在对心调控滑板(11)上，应力传感器(10)设装在双向同步滑动的夹持拉伸机构其中的一块夹持块(4)上。
2.根据权利要求1所述的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，其特征在于：双向同步滑动的夹持拉伸机构包括由设装在样品加热器(8)两侧的对心调控滑板(11)上的夹持拉伸滑块滑轨(2)、设装在夹持拉伸滑块滑轨(2)上的夹持拉伸滑块(3)、设装在夹持拉伸滑块(3)上的夹持块(4)构成的双向同步滑动夹持机构，由转轮(21)、拉伸电机(20)、滑轮组(18)、两端分别连接在夹持拉伸滑块(3)和转轮(21)上的拉绳(19)构成的双向同步拉伸机构。
3.根据权利要求1所述的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，其特征在于：双向同步滑动的夹持拉伸机构包括由设装在样品加热器(8)两侧的对心调控滑板(11)上的夹持拉伸滑块滑轨(2)、设装在夹持拉伸滑块滑轨(2)上的夹持拉伸滑块(3)、设装在夹持拉伸滑块(3)上的夹持块(4)构成的双向同步滑动夹持机构，由拉伸电机(20)、拉伸滑块力臂(24)、拉伸螺杆(25)、螺杆固定块组(26)、传动蜗杆(27)、传动涡轮(28)、驱动齿轮(29)、传动齿轮(30)构成的双向同步拉伸机构。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，其特征在于：对心传动机构由对心调节螺杆(15)、对心调节块(14)、对心压电陶瓷(13)和对心顶块(12)构成。
5.根据权利要求4所述的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，其特征在于：样品加热器(8)为开放式加热器，包括导热块(31)和设装在导热块(31)侧面上的加热片(34)，并在导热块(31)中部上开设有样品可以自由贯穿的开放式样品腔(32)，在开放式样品腔(32)外的导热块(31)内开设有若干依次贯通且一端开口且与惰性气体气源连接另一端与开放式样品腔(32)相通的惰性气体通气管道(33)，开设在导热块(31)上横穿开放式样品腔(32)且相通的开放式射线入射孔(35)和开放式射线出射孔(9)。
6.根据权利要求1、2或3所述的用于同步辐射原位测试的拉伸自动对心装置，其特征在于：样品加热器(8)为开放式加热器，包括导热块(31)和设装在导热块(31)侧面上的加热片(34)，并在导热块(31)中部上开设有样品可以自由贯穿的开放式样品腔(32)，在开放式样品腔(32)外的导热块(31)内开设有若干依次贯通且一端开口且与惰性气体气源连接另一端与开放式样品腔(32)相通的惰性气体通气管道(33)，开设在导热块(31)上横穿开放式样品腔(32)且相通的开放式射线入射孔(35)和开放式射线出射孔(9)。
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