CN109618559B - 补偿机械测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械测试系统，其具有框架及用于固持样品的载物台。臂用于使工具压抵所述样品的表面。主要致动器连接到所述框架且施加主要力且相对于所述样品驱动所述工具，借此导致所述框架挠曲。位移传感器测量包括两个分量的位移值，第一分量包含在施加所述主要力时探针行进到所述样品中的距离，且第二分量包含在施加所述主要力时所述框架的挠曲程度的测量。补偿致动器连接到所述框架且施加补偿力，所述补偿力减小所述位移值的所述第二分量。

Description

补偿机械测试系统

技术领域

本发明涉及材料的机械测试的领域。更特定来说，本发明涉及样品的机械性质的补偿测量。

背景技术

材料的机械测试涉及将力施加到材料的样品且测量材料的所得位移，或替代地将位移施加到样品且测量完成那个位移所需的力。在任一情况中，样品的形状改变是此类实验中的重要参数。

由样品的一个部分相对于另一部分的位移来测量形状改变。通常，这通过固定样品上的参考点的位置(例如通过在那个点处夹持样品)，将力施加到样品且测量样品上的测试点相对于参考点的运动而完成。本发明尽可能固定地固持参考点。但是，如果夹持系统不是无限刚性的，那么参考点将移动。如果基于参考点固定的假设进行测量而情况并非如此，那么会引入位移测量中的误差。

其中应用此概念的特定实例是压痕测试。压痕是通常用于测量硬度的机械测试。它是通过由与测试样品表面接触的探针尖端施加已知力达已知时间长度且通过使残余印痕成像来测量所得压痕的表面积而执行的。所施加力除以面积产生样品的硬度。可由在施加力时收集的数据计算样品的其它物理性质。

但是，例如，在硬表面上施加较小负载时，探针尖端形成较小压痕。在某种程度上，测量此类小压痕所需的成像技术可交替地变成限制因素或成本确定因素。因此，在一些系统中，施加力时的所测量位移信号及尖端的已知几何形状用于计算压痕面积，这不需要使压痕成像。这形成仪器化压痕领域的基础，它具有优于传统硬度测量的许多优点(尤其在较小长度尺度下)。另外，在施加力时测量位移能够计算接触刚度，其可用于确定除硬度以外的弹性模量。

如上文介绍，由位移传感器测量的位移包含两个分量。第一分量是尖端到样品中的位移，这是最受关注的。第二分量是测试框架(它也被称为负载框架)的位移或挠曲。对于一些负载框架且尤其在较高负载下，这个第二分量可为显著的，且将不利地影响样品性质的测量。

理论上，如果系统经设计有具有无限刚度的负载框架，那么负载框架对由位移传感器测量的位移的贡献将为零，这将产生高度精确的仪器化压痕测试。但是，设计具有无限负载框架刚度的系统在最好的情况下也是具有挑战性的，这是考虑到许多组件通常并入到这个系统中且这些组件展现出设计固有的刚度不足。

因此，需要至少部分减少例如上文描述的问题的系统。

发明内容

由具有框架及用于固持样品的载物台的机械测试系统满足上述及其它需求。臂使工具压抵所述样品的表面。主要致动器连接到所述框架且施加主要力且将所述工具驱动到所述样品中，借此导致所述框架挠曲。位移传感器测量包括两个分量的位移值，第一分量包含在施加所述主要力时所述工具行进到所述样品中的距离，且第二分量包含在施加所述主要力时所述框架的挠曲程度的测量。补偿致动器连接到所述框架且施加补偿力，所述补偿力减小所述位移值的所述第二分量。

在根据本发明的这个方面的各种实施例中，所述补偿致动器包含安置于所述框架上的不同位置处的多个补偿致动器。在一些实施例中，所述补偿致动器安置于所述载物台的与所述主要致动器相对的侧上。在一些实施例中，所述主要致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。在一些实施例中，所述补偿致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。在一些实施例中，所述位移传感器使用电容器及激光器中的至少一者来测量所述位移。在一些实施例中，所述补偿力完全抹除所述位移值的所述第二分量。在一些实施例中，所述补偿力将所述框架的表观刚度校正为约一千万牛顿每米。

根据本发明的另一方面，描述一种用于通过将待测试的样品放置在由框架支撑的载物台上而测试样品的硬度及弹性模量中的至少一者的方法。由所述框架支撑的主要致动器施加主要力且将工具驱动到所述样品的表面中，借此导致所述框架挠曲。用位移传感器测量位移值。所述位移值包括两个分量，第一分量包含在施加所述主要力时所述工具行进到所述样品中的距离，且第二分量包含在施加所述主要力时所述框架的所述挠曲的测量。用连接到所述框架的补偿致动器施加补偿力，其中所述补偿力减小所述位移值的所述第二分量。

附图说明

通过与图式结合地参考详细描述，可以明白本发明的进一步优点，这些图式不成比例以更清楚地显示细节，其中在若干视图中，相同参考数字指示相同元件，且其中：

图1是根据本发明的实施例的机械测试系统的图示。

图2到4描绘根据本发明的实施例的机械测试系统上的补偿致动器的不同位置。

具体实施方式

根据本发明的实施例，通过使用一或多个补偿致动器来维持位移传感器中的参考点与样品上的点之间的固定(零或非零)相对位移而实现接近无限刚度的负载框架刚度。这由如上文描述的方式来完成。

现在参考图式，描绘机械测试系统100的各种实施例。机械测试系统100具有负载框架102，测试器100的各种其它组件安装到负载框架。例如，将样品112放置在测试器100上(例如载物台113上)，所述载物台用于将样品的各种零件定位在探针108下方。在探针108的端部上是尖端110，所述尖端经放置以在不施加力的静止状态中与样品112的上表面接触，且例如用位移传感器106测量尖端110的位置。这是机械性质测量的基线位置。

主要致动器104通过迫使探针108向下朝向样品112借此将尖端110推动到样品112的表面中而开始施加负载到样品112上。这样做所需的力的量根据样品112的硬度及穿透深度而变化。在由主要致动器104施加力时，位移传感器106测量探针108从基线移动的距离。例如，位移传感器106可例如通过使用可变电容器或激光器来测量位移。

如上文介绍，由位移传感器106测量的移动的部分是归因于框架102的挠曲，这由于样品112对尖端110的穿透的阻力而发生。框架102将挠曲的程度取决于若干不同因素，例如框架102的构造及所施加的力，但实际上在所有机械测试系统中都在某种程度上存在。

除框架102的挠曲以外，系统100的其它组件也可挠曲或压缩，这进一步加剧由位移传感器106测量并非完全由尖端110穿透到样品112中所致的距离产生的表观误差。

为了补偿系统100中的这些因素，将一或多个补偿致动器114放置在负载框架102的电路内的某个位置。补偿致动器114的目的是在与由主要致动器104施加的方向相反的方向上施加补偿力，使得如由位移传感器106测量的距离精确地反映尖端110已经穿透到样品112的表面中的实际距离。图2展示使用块、弹簧及缓冲器的系统100的一个配置的图示。

需要由补偿致动器114施加的力的量至少部分取决于机械测试系统100的构造而不同。可以各种方式(例如以经验为主地或理论地或两者的组合)针对给定仪器确定所需补偿力的量，接着将所述量写入到仪器100的操作程序设计中。在一些实施例中，由补偿致动器114施加的补偿力随着由主要致动器104施加的力而变化。在其它实施例中，由补偿致动器114施加的补偿力是相对均匀的，而无论由主要致动器104施加的力如何。

按制造角度，多数机械测试系统100具有固有刚度约为一到二百万牛顿每米的框架102。在使用本文中描述的设备及方法的情况下，可补偿框架102以具有约几千万牛顿每米或更大的表观刚度。但是，在多数应用中，约一千万牛顿每米的补偿足以将硬度及其它机械性质计算中的误差减小到相对不显著水平。

主要致动器104及补偿致动器114可为电磁、静电、压电、液压、机械、气动等等的。图1中展示系统100的一个可行配置的示意图。它展示主要致动器104及补偿电磁致动器114、位移传感器106、负载框架102、尖端110及样品112。可相对于主要致动器104同步或异步地、静态或动态地施加补偿力。

以出于说明及描述的目的呈现本发明的实施例的前述描述。所述描述不意在为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。根据上文教示可进行明显的修改或更改。选择并描述实施例以便提供对本发明原理及其实际应用的说明，且因此使得所属领域的技术人员可以各种实施例以及适于特定预期用途的各种修改来利用本发明。所有这些修改和更改都包含在由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，所述权利要求书依照其被公正、合法和合理授权的范围进行解释。

Claims (17)

1.一种机械测试系统，其包括：

框架，

载物台，其用于固持样品，

具有尖端的探针，所述探针经配置以推动到所述样品的表面中且在所述样品的表面中形成压痕，

主要致动器，其连接到所述框架以用于施加主要力至所述探针，从而将所述尖端推动至所述样品的表面中，

位移传感器，其用于测量位移值，所述位移值包含在施加所述主要力时所述探针相对于所述样品行进的距离，及

一或多个补偿致动器，其连接到所述框架，所述一或多个补偿致动器用于在与由所述主要致动器施加的所述主要力相反的方向上施加补偿力，由所述补偿致动器施加的所述补偿力随着由所述主要致动器施加的所述主要力而变化，且所述补偿力维持所述位移传感器中的参考点与所述样品上的点之间的固定相对位移。

2.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述一或多个补偿致动器包括安置于所述框架上的不同位置处的多个补偿致动器。

3.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述一或多个补偿致动器安置于所述载物台的与所述主要致动器相对的侧上。

4.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述主要致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。

5.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述一或多个补偿致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述位移传感器使用电容器及激光器中的至少一者来测量所述位移。

7.根据权利要求1所述的机械测试系统，其中所述补偿力将所述框架的表观刚度校正为约一千万牛顿每米。

8.一种机械测试系统，其包括：

框架，

载物台，其用于固持样品，

具有尖端的探针，所述探针经配置以推动到所述样品的表面中且在所述样品的表面中形成压痕，

主要致动器，其连接到所述框架以用于施加主要力至所述探针，从而将所述尖端推动至所述样品的表面中，其中所述主要致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者，

位移传感器，其用于测量位移值，所述位移值包含在施加所述主要力时所述探针行进到所述样品中的距离，及

多个补偿致动器，其连接到所述框架，所述多个补偿致动器用于在与由所述主要致动器施加的所述主要力相反的方向上施加补偿力，由所述补偿致动器施加的所述补偿力随着由所述主要致动器施加的所述主要力而变化，且所述补偿力维持所述位移传感器中的参考点与所述样品上的点之间的固定相对位移，其中所述补偿力将所述框架的表观刚度校正为约一千万牛顿每米。

9.根据权利要求8所述的机械测试系统，其中所述多个补偿致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。

10.根据权利要求8所述的机械测试系统，其中所述位移传感器使用电容器及激光器中的至少一者来测量所述位移。

11.一种用于测试样品的硬度及弹性模量中的至少一者的方法，所述方法包括以下步骤：

将待测试的样品放置在由框架支撑的载物台上，

使用由所述框架支撑的主要致动器施加主要力以将工具驱动到所述样品的表面中，

当用由所述框架支撑的补偿致动器施加补偿力时，用位移传感器测量位移值，其中所述补偿力在与由所述主要致动器施加的所述主要力相反的方向上，由所述补偿致动器施加的所述补偿力随着由所述主要致动器施加的所述主要力而变化，且所述补偿力维持所述位移传感器中的参考点与所述样品上的点之间的固定相对位移，及

用所述位移值计算所述样品的所述硬度及所述弹性模量中的至少一者。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述补偿致动器包括安置于所述框架上的不同位置处的多个补偿致动器。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述补偿致动器安置于所述载物台的与所述主要致动器相对的侧上。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述主要致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述补偿致动器是电磁、静电、压电、液压、机械及气动中的至少一者。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述位移传感器使用电容器及激光器中的至少一者来测量所述位移。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述补偿力将所述框架的表观刚度校正为约一千万牛顿每米。

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