CN108802442A - 一种开尔文探针测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开尔文探针测试装置，用于测量样件表面；包括中控机、控制器、轴向控制盒、三维移动平台、探针、样品测试台及微区摄像器；中控机与控制器通信连接；控制器通信连接轴向控制盒；轴向控制盒电性连接三维移动平台，且控制三维移动平台沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；探针电性连接控制器，且安装于三维移动平台上，用于扫描测量样件表面；样品测试台用于安装测量样件，测量样件能够以样品测试台的转轴为中心旋转任意角度，并与探针保持位置对应；微区摄像器用于观察探针与样品测试台之间的距离及测量样件表面。本发明提供了其的测试方法，达到了测量非典型平面的目的，提高了测量精度。

Description

一种开尔文探针测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及微区电化学测量技术领域，具体涉及非典型平面测试技术领域，更具体的说是涉及一种开尔文探针测试装置及其测试方法。

背景技术

扫描开尔文探针测试是一种基于振动电容的非接触无损气相环境金属表面电位的测量技术，用于测量

材料的功函数(Work Function)或表面势(Surface Potential)。其用于检测气相环境中因温度、湿度、表面的化学、电学、力学、晶体、吸附及成膜等因素引起的材料表面电势的微小变化，是一种高灵敏的表面电化学分析技术，是唯一能够测定气相环境中腐蚀电极表面电位的方法。近些年来，该方法的应用变得越来越广泛，尤其是在金属腐蚀、涂层等领域，SKP测试技术发挥着重要作用。

随着微区电化学测试领域的不断发展，目前SKP测试技术已发展的较为成熟，测试精度和测试稳定性皆不断提升。然而，现有的SKP测试系统，只能对平面样品进行测试，应用受到了局限。在实际科研生产过程中，有时需要对非平面样品进行分析，比如管状金属外壳、圆柱块状样品表面等，传统的SKP测试装置便无法实现。目前的普遍做法是将待测面加工成平面后，再进行测试，但是这种做法会导致样品表面状况发生改变，进而导致测试结果发生改变，偏离实际情况。

因此，如何提供一种可以对非典型平面样品进行SKP测试的试验装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种开尔文探针测试装置，实现了对于非典型平面样件进行SKP测试，提高了测试样件的表面测量准确性，填补了行业内无法使用开尔文探针测试装置测试非典型平面的空白。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开尔文探针测试装置，用于测量样件表面；包括中控机、控制器、轴向控制盒、三维移动平台、探针、样品测试台及微区摄像器；

中控机与控制器通信连接；

控制器通信连接轴向控制盒；

轴向控制盒电性连接三维移动平台，且控制三维移动平台沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；

探针电性连接控制器，且安装于三维移动平台上，用于扫描测量样件表面；

样品测试台用于安装测量样件，其中部具有转轴，测量样件能够以样品测试台的转轴为中心旋转任意角度，并与探针保持位置对应；

微区摄像器用于观察探针与样品测试台之间的距离及测量样件表面。

其中，中控机用于接收探针扫描的数据，和/或发送扫描模式指令给控制器，并且处理探针扫描的数据及生成扫描报告；

微区摄像器为：一个可调焦距、可调放大倍数的光学显微镜；

轴向控制盒通过发送轴向移动指令，使三维移动平台对应的电机运动，实现三维移动平台带动探针沿沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种开尔文探针测试装置，由于采用了样品测试台，测量样件能够以样品测试台的转轴为中心旋转任意角度，并与探针保持位置对应；轴向控制盒连接三维移动平台，并控制三维移动平台带动探针沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；因此达到了能够测量非典型平面样件的测试，提高了测试精确度。

优选地，轴向控制盒包括XY轴控制盒及Z轴控制盒；XY轴控制盒和Z轴控制盒均与控制器通信连接。采用此方案的效果为：X轴Y轴移动与Z轴移动分开控制，更有利于空间坐标的设计及定位，进一步提高了探针移动路径的准确性。

优选地，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，还包括用于处理探针检测信号信息的锁相放大器；锁相放大器与控制器通信连接，且锁相放大器通过导线与探针连接。采用此方案的效果为：能够抑制无用的噪音，改善检测信噪比，进一步提高扫描数据的准确度。

优选地，样品测试台还包括：金属支架、盖板、样品托、金属旋钮及套管；

金属支架两侧沿水平方向上开设第一通孔；

盖板为两个，分别安装于金属支架两侧，每一个盖板上均具有与第一通孔位置对应的安装孔；转轴贯穿第一通孔和安装孔，且转轴的一端向外延伸；

样品托连接于转轴，且位于金属支架上；

金属旋钮连接转轴向外延伸的一端上；

套管套设在盖板与金属旋钮之间的位置对应的转轴上。

其中，金属支架可以为两部分组成，两侧结构相同；也可以是一个整体结构；

每一个盖板上均具有螺纹孔，通过螺钉将其与金属支架固定；

样品托可以为PVC材料制成；优选硬聚氯乙烯，其具有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，适合测试样件使用，且便于加工。

金属旋钮可以为圆环形，内部连接转轴，外壁上具有角度标识，便于实时调整转轴角度。

优选地，样品托包括托本体及至少两个金属卡扣；

托本体上开设有用于容纳测量样件的容腔；且容纳腔两侧具有第二通孔；转轴贯穿第二通孔，且可转动于容腔内；容腔上固定有多个螺栓；

金属卡扣上具有沿垂直方向上开设的第三通孔，通过螺母与螺栓适配将金属卡扣固定在容器腔上，且两者的空隙形成一个空间；空间内安装有测量样件。

其中金属卡扣可以为半圆形，或者类似于“Ω”形，也可以根据其他非平面结构进行选择不同形状的金属卡扣，使本发明提供的测试装置，能够测量任意非典型平面的测试，满足使用需求。

优选地，每一个金属卡扣上均具有对应的定位线。采用此方案的效果为：测试前可以先进行定位，使用微区摄像器，观察两个金属卡扣上的定位线处于同一条直线上，即为测试基准。

优选地，套管上具有一个用于观察金属旋钮旋转角度的定位槽或定位凸起。采用此方案的效果为：设定“0”位，当旋转金属旋钮任意角度后，便于观察角度变化。

优选地，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，还包括水平基座，样品测试台和三维移动平台均固定在水平基座上。采用此方案的效果为：便于调整测量基准的水平，为精确扫描数据进一步提供了前提保证。

优选地，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，还包括数据处理模块，数据处理模块连接控制器；采用此方案的效果为：降低了数据处理的难度，降低了工控机的功耗，进而提高了数据处理速度。

本发明还提供了一种开尔文探针测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤a、将测量样件内部加工成能够贴合转轴的形状；

步骤b、将步骤a中加工后测量样件固定在样品测试台上，与转轴贴合；

步骤c、利用中控机与微区摄像器将探针调节到与步骤b中测量样件对应位置；

步骤d、根据步骤c中的测量样件的形状及大小，在中控机上选择对应的扫描模式；

步骤e、将步骤d中已选择了扫描模式的测量样件进行扫描；然后根据测量需求任意角度旋转转轴进行线扫描，以此类推，直到扫描完待测测量样件全部表面；中控机对扫描的数据进行处理；

步骤f、根据步骤e中扫描的数据获得扫描报告。

其中，步骤b中，先将样品台固定在水平底座上，调整水平；测量样件与转轴贴合后，通过金属卡扣将测量样件固定在样品托的容腔内；

步骤c中，对应的位置即：两个金属卡扣的定位线处于同一条直线上的位置；

步骤d中，中控机上具有多种扫描模式，可以有平面扫面、圆柱面扫面。锥面扫描等；中控机可以通过界面进行人机交互，进行选择模式，或者进行模式数据的编辑，参数设定等；

步骤e中，获得的扫描报告至少包括原型伏打电位图及表面展开后的伏打电位图。

本发明技术方案中的扫描模式具体可以包括：平面扫描模式、柱面扫描模式、锥面扫描模式，球形曲线扫描模式等。本发明通过测量样件选择不同的扫描模式，中控机发送扫描指令给控制器，控制器通过轴向控制盒控制三维移动平台带动探针实现平面扫描或曲面扫描。

此外，扫描模式可通过操作人员在中控机上编辑，实现非典型平面的测量样件表面的测量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种开尔文探针测试装置的测试方法，由于工控机统一控制各模块，扫描后测量样件数据后，能够自动生成扫描报告，自动化程度高；同时能够进行非典型平面开尔文探针扫描，提高了测量样件测量的准确度；此外测量方法简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供一种开尔文探针测试装置的整体结构示意图；

图2附图为本发明提供一种开尔文探针测试装置测试测量样件的示意图；

图3附图为本发明提供一种开尔文探针测试装置的样品测试台的立体图；

图4附图为本发明提供一种开尔文探针测试装置的样品测试台的主视图；

图5附图为本发明提供一种开尔文探针测试装置的控制原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种开尔文探针测试装置，实现了对于非典型平面样件进行SKP测试，提高了测试样件的表面测量准确性，填补了行业内无法使用开尔文探针测试装置测试非典型平面的空白。

参见附图1-5，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，用于测量样件表面；包括中控机1、控制器3、轴向控制盒、三维移动平台6、探针7、样品测试台8及微区摄像器10；

中控机1与控制器3通信连接；控制器3通信连接轴向控制盒；

轴向控制盒电性连接三维移动平台6，且控制三维移动平台6沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；

探针7电性连接控制器3，且安装于三维移动平台6上，用于扫描测量样件表面，；

样品测试台8用于安装测量样件，其中部具有转轴，测量样件能够以转轴86为中心旋转任意角度，并与探针7保持位置对应；

微区摄像器10用于观察探针7与样品测试台之间的距离及测量样件表面。

其中，中控机1用于接收探针7扫描的数据，和/或发送扫描模式指令给控制器3，并且处理探针7扫描的数据及生成扫描报告；

微区摄像器10为：一个可调焦距、可调放大倍数的光学显微镜；

轴向控制盒通过发送轴向移动指令，使三维移动平台6对应的电机运动，实现三维移动平台6带动探针7沿沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动。

本发明公开提供了一种开尔文探针测试装置，由于采用了样品测试台，测量样件能够以样品测试台8的转轴86为中心旋转任意角度，并与探针7保持位置对应；轴向控制盒连接三维移动平台6，并控制三维移动平台6带动探针7沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；因此达到了能够测量非典型平面样件的测试，提高了测试精确度。

在本发明的一个实施例中，轴向控制盒包括XY轴控制盒4及Z轴控制盒5；XY轴控制盒4和Z轴控制盒5均与控制器3通信连接。采用此方案的效果为：X轴Y轴移动与Z轴移动分开控制，更有利于空间坐标的设计及定位，进一步提高了探针7移动路径的准确性。

在本发明的另一个实施例中，还包括用于处理探针7检测信号信息的锁相放大器2；锁相放大器2与控制器3通信连接，且通过导线与探针7连接。采用此方案的效果为：能够抑制无用的噪音，改善检测信噪比，进一步提高扫描数据的准确度。

在本发明的另一些实施例中，样品测试台8还包括：金属支架81、盖板84、样品托82、金属旋钮83及套管87；

金属支架81两侧沿水平方向上开设第一通孔；

盖板84为两个，分别安装于金属支架81两侧，每一个盖板84上均具有与第一通孔位置对应的安装孔；转轴贯穿第一通孔和安装孔，且转轴86的一端向外延伸；

样品托82连接于转轴86，且位于金属支架81上；

金属旋钮83连接转轴86向外延伸的一端上；

套管87套设在盖板84与金属旋钮83之间的位置对应的转轴86上。

其中，金属支架81可以为两部分组成，两侧结构相同；也可以是一个整体结构；

每一个盖板84上均具有螺纹孔，通过螺钉将其与金属支架81固定；

样品托82可以为PVC材料制成；优选硬聚氯乙烯，其具有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，适合测试样件使用，且便于加工。

金属旋钮83可以为圆环形，内部连接转轴86，外壁上具有角度标识，便于实时调整转轴角度。

具体而言，样品托82包括托本体及至少两个金属卡扣85；

托本体上开设有用于容纳测量样件的容腔；且容纳腔两侧具有第二通孔；转轴86贯穿第二通孔，且可转动于容腔内；容腔上固定有多个螺栓；

金属卡扣85上具有沿垂直方向上开设的第三通孔，通过螺母与螺栓适配将金属卡扣85固定在容器腔上，且两者的空隙形成一个空间；空间内安装有测量样件。

其中金属卡扣85可以为半圆形，或者类似于“Ω”形，也可以根据其他非平面结构进行选择不同形状的金属卡扣85，使本发明提供的测试装置，能够测量任意非典型平面的测试，满足使用需求。

有利的，每一个金属卡扣85上均具有对应的定位线。采用此方案的效果为：测试前可以先进行定位，使用微区摄像器10，观察两个金属卡扣85上的定位线处于同一条直线上，即为测试基准。

更有利的，套管87上具有一个用于观察金属旋钮83旋转角度的定位槽或定位凸起。采用此方案的效果为：设定“0”位，当旋转金属旋钮83任意角度后，便于观察角度变化。

在本发明的另一些实施例中，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，还包括水平基座9，样品测试台8和三维移动平台6均固定在水平基座9上。采用此方案的效果为：便于调整测量基准的水平，为精确扫描数据进一步提供了前提保证。

在本发明的另一些实施例中，本发明提供的一种开尔文探针测试装置，还包括数据处理模块，数据处理模块连接控制器3；采用此方案的效果为：降低了数据处理的难度，降低了工控机1的功耗，进而提高了数据处理速度。

本发明还提供了一种开尔文探针测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤a、将测量样件内部加工成能够贴合转轴的形状；

步骤b、将步骤a中加工后测量样件固定在样品测试台上，与转轴贴合；

步骤c、利用中控机与微区摄像器将探针调节到与步骤b中测量样件对应位置；

步骤d、根据步骤c中的测量样件的形状及大小，在中控机上选择对应的扫描模式；

步骤e、将步骤d中已选择了扫描模式的测量样件进行扫描；然后根据测量需求任意角度旋转转轴进行线扫描，以此类推，直到扫描完待测测量样件全部表面；中控机对扫描的数据进行处理；

步骤f、根据步骤e中扫描的数据获得扫描报告。

其中，步骤b中，先将样品台固定在水平底座上，调整水平；测量样件与转轴贴合后，通过金属卡扣将测量样件固定在样品托的容腔内；

步骤c中，对应的位置即：两个金属卡扣的定位线处于同一条直线上的位置；

步骤d中，中控机上具有多种扫描模式，可以有平面扫面、圆柱面扫面。锥面扫描等；中控机可以通过界面进行人机交互，进行选择模式，或者进行模式数据的编辑，参数设定等；

步骤e中，获得的扫描报告至少包括原型伏打电位图及表面展开后的伏打电位图。

本发明技术方案中的扫描模式具体可以包括：平面扫描模式、柱面扫描模式、锥面扫描模式，球形曲线扫描模式等。本发明通过测量样件选择不同的扫描模式，中控机1发送扫描指令给控制器3，控制器3通过轴向控制盒控制三维移动平台6带动探针7实现平面扫描或曲面扫描。

此外，扫描模式可通过操作人员在中控机上编辑，实现非典型平面的测量样件表面的测量。

本发明公开提供了一种开尔文探针测试装置的测试方法，由于工控机统一控制各模块，扫描后测量样件数据后，能够自动生成扫描报告，自动化程度高；同时能够进行非典型平面开尔文探针扫描，提高了测量样件测量的准确度；此外测量方法简单，操作方便。

根据上述方法，测量铜合金棒材端口附近的腐蚀试样，将试样切割加工，使截面成为半圆，将样品放在样品托上，并通过金属卡扣固定在样品托上，将测量样件旋转至初始角度(两个金属卡扣上的定位线处于同一直线上的位置)，并将水平底座调至水平；随后通过中控机操作，使得探针针尖处于样品上方金属卡扣的定位线位置，在中控机上选择柱面扫描模式，然后逐步旋转金属旋钮从-85°到85°，每次旋转2°后，都进行一次完整线扫描，扫描长度2cm，直到获得整个长度为2cm的半圆柱面的SKP数据，经处理，得到腐蚀区域和未腐蚀区域的伏打电位分布图。

根据上述方法，测量球形铁合金陶瓷涂层试样，将测量样件中心去料；或切割切割成半球形，将样品选择对应形状的金属卡扣安放好，调至初始角度位置，调整水平基座；将探针移动到样品表面上金属扣上的刻线位置处，在中控机上选择球形曲线扫描模式，随后逐步旋转金属旋钮，从10°到150°，每次旋转0.5°后，都进行一次完整线扫描，扫描长度0.4cm，得到测量样件圆弧区域的SKP测试数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种开尔文探针测试装置，用于测量样件表面；其特征在于，包括：中控机(1)、控制器(3)、轴向控制盒、三维移动平台(6)、探针(7)、样品测试台(8)及微区摄像器(10)；

所述中控机(1)与所述控制器(3)通信连接；

所述控制器(3)通信连接所述轴向控制盒；

所述轴向控制盒电性连接所述三维移动平台(6)，且控制所述三维移动平台(6)沿X轴和/或Y轴和/或Z轴移动；

所述探针(7)电性连接所述控制器(3)，且安装于所述三维移动平台(6)上，用于扫描所述测量样件表面；

所述样品测试台(8)用于安装所述测量样件，其中部具有转轴(86)，所述测量样件能够以所述转轴(86)为中心旋转任意角度，并与所述探针(7)位置对应；

所述微区摄像器(10)用于观察所述探针(7)与所述样品测试台(8)之间的距离及所述测量样件表面。

2.根据权利要求1所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，所述轴向控制盒包括XY轴控制盒(4)及Z轴控制盒(5)；所述XY轴控制盒(4)和所述Z轴控制盒(5)均与所述控制器(3)通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，还包括用于处理所述探针(7)检测信号信息的所述锁相放大器(2)；所述锁相放大器(2)与所述控制器(3)通信连接，且所述锁相放大器(2)通过导线与所述探针(7)连接。

4.根据权利要求1所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，所述样品测试台(8)还包括：金属支架(81)、盖板(84)、样品托(82)、金属旋钮(83)及套管(87)；

所述金属支架(81)两侧沿水平方向上开设第一通孔；

所述盖板(84)为两个，分别安装于所述金属支架(81)两侧，每一个所述盖板(84)上均具有与所述第一通孔位置对应的安装孔；所述转轴(86)贯穿所述第一通孔和所述安装孔，且所述转轴(86)的一端向外延伸；

所述样品托(82)连接于所述转轴(86)，且位于所述金属支架(81)上；

所述金属旋钮(83)连接所述转轴(86)向外延伸的一端上；

所述套管(87)套设在所述盖板(84)与所述金属旋钮(83)之间的位置对应的所述转轴(86)上。

5.根据权利要求4所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，所述样品托(82)包括托本体及至少两个金属卡扣(85)；

所述托本体上开设有用于容纳所述测量样件的容腔；且所述容纳腔两侧具有第二通孔；所述转轴(86)贯穿所述第二通孔，且可转动于所述容腔内；所述容腔上固定有多个螺栓；

所述金属卡扣(85)上具有沿垂直方向上开设的第三通孔，通过螺母与所述螺栓适配将所述金属卡扣(85)固定在所述容器腔上，且两者的空隙形成一个空间；所述空间内安装有所述测量样件。

6.根据权利要求5所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，每一个所述金属卡扣(85)上均具有对应的定位线。

7.根据权利要求4所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，所述套管(87)上具有一个用于观察所述金属旋钮(83)旋转角度的定位槽或定位凸起。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，还包括水平基座(9)，所述样品测试台(8)和所述三维移动平台(6)均固定在所述水平基座(9)上。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种开尔文探针测试装置，其特征在于，还包括数据处理模块，所述数据处理模块连接所述控制器(3)。

10.一种开尔文探针测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将测量样件内部加工成能够贴合转轴的形状；

步骤b、将步骤a中加工后测量样件固定在样品测试台上，与转轴贴合；

步骤c、利用中控机与微区摄像器将探针调节到与步骤b中测量样件对应位置；

步骤d、根据步骤c中的测量样件的形状及大小，在中控机上选择对应的扫描模式；

步骤e、将步骤d中已选择了扫描模式的测量样件进行扫描；然后根据测量需求任意角度旋转转轴进行线扫描，以此类推，直到扫描完待测测量样件全部表面；中控机对扫描的数据进行处理；

步骤f、根据步骤e中扫描的数据获得扫描报告。