CN113092533B

CN113092533B - 一种测量夹具及测量系统

Info

Publication number: CN113092533B
Application number: CN201911338844.6A
Authority: CN
Inventors: 李红英; 赵辉
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: CN113092533A

Abstract

本发明涉及材料组织性能变化检测技术领域，公开了一种测量夹具及测量系统。测量夹具包括：夹持座，其设有用于放置受测件且与受测件绝缘的测件容纳部，所述夹持座上设置有安装温度测量装置的固定槽；绝缘部，设置于所述夹持座中，且位于所述测件容纳部的上方；接线柱，至少四个所述接线柱依次排列，每个所述接线柱均与所述夹持座绝缘设置，所述接线柱的一端穿过所述绝缘部和所述夹持座并能够抵接于所述受测件，另一端伸出所述夹持座。测量夹具可在包括高温及低温在内的不同温度环境中夹持受测件，检测系统采集受测件在不同时间的温度、电压信号，并输出电阻率或电导率‑温度曲线、电阻率或电导率‑时间曲线，进而分析受测件的组织性能变化。

Description

一种测量夹具及测量系统

技术领域

本发明涉及材料组织性能变化检测技术领域，尤其涉及一种测量夹具及测量系统。

背景技术

材料的电阻率或电导率(电阻率的倒数)会随温度及组织结构改变而发生变化，因此，根据电阻率或电导率的变化可以分析材料的组织性能变化。现有导体材料电阻率或电导率的测量通常在常温下进行，不包括室温在内的其他不同温度下的电阻率或电导率则依赖于公式ρ(T0)[1+α(T-T0)]进行计算。理想单晶材料的电阻率与温度呈线性关系，但是，在高温及变温条件下，电阻率与温度之间并不是线性关系，根据上述公式计算出的电阻率并不准确。针对具体材料测量实际温度下的电阻率，才是该材料在不同温度下的真实电阻率，但是，这对检测夹具的要求极高，特别是在温度大范围交替变化等复杂环境使用夹具。因此，开发能适用于高温、低温及较大温度范围变化的夹具和检测系统，对于精准检测材料在复杂温度环境的组织性能变化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量夹具及测量系统，解决现有测量夹具及测量系统无法对材料在温度变化环境中的动态电阻率或动态电导率进行测量的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种测量夹具，包括：

夹持座，其设有用于放置受测件且与所述受测件绝缘的测件容纳部，所述夹持座上设置有安装温度测量装置的固定槽；

绝缘部，设置于所述夹持座中，且位于所述测件容纳部的上方；

接线柱，至少四个所述接线柱依次排列，每个所述接线柱均与所述夹持座绝缘设置，所述接线柱的一端穿过所述绝缘部和所述夹持座并能够抵接于所述受测件，另一端伸出所述夹持座。

作为上述测量夹具的一种优选方案，所述夹持座包括夹持底座，以及与所述夹持底座可拆卸连接的夹持上盖，所述夹持底座设有用于放置所述测件容纳部的安装槽；所述夹持上盖设有所述绝缘部以及沿长度方向排列的所述接线柱。

作为上述测量夹具的一种优选方案，所述绝缘部设置有固定孔，所述夹持上盖设有与所述固定孔对应设置的穿设孔，所述接线柱穿过所述穿设孔和所述固定孔并能够抵接于所述受测件。

作为上述测量夹具的一种优选方案，所述安装槽沿所述夹持底座的长度方向设置，所述测件容纳部能够沿所述安装槽的长度方向滑入或滑出。

作为上述测量夹具的一种优选方案，所述接线柱与所述受测件点接触。

本发明还提供一种测量系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一所述的测量夹具。

作为上述测量系统的一种优选方案，包括：

电压测量装置，其与测量夹具的四个接线柱的中间两个接线柱通过导线连接；

恒定电流装置，其与测量夹具的四个接线柱的外侧两个接线柱通过导线连接；

温度测量装置，所述温度测量装置的探头设置在测量夹具的夹持座内；

温度调节及控制装置，其用于对测量夹具夹持的受测件进行加热、冷却或保温。

作为上述测量系统的一种优选方案，还包括信号采集及处理装置，所述电压测量装置和所述温度测量装置均连接于所述信号采集及处理装置，所述信号采集及处理装置被配置为将采集信号经处理后进行输出。

作为上述测量系统的一种优选方案，所述信号采集及处理装置输出的信息包括：电阻率、电导率、温度、电阻率-温度曲线、电导率-温度曲线、电阻率-时间曲线、电导率-时间曲线，以分析所述受测件的组织性能变化。

作为上述测量系统的一种优选方案，所述受测件为半导体构件、导体构件或超导体构件。

本发明的有益效果：

本发明提出的测量夹具，能够在不同温度环境中实现对受测件的夹持，且能置于高温、低温及温度变化环境中，通过设置绝缘的测件容纳部，使受测件与夹持座绝缘，绝缘部的设置能够使接线柱之间两两绝缘，增加检测精度。

受测件既可以是生产工件，也可以是检测试样，可检测的材料范围广，包括但不限于铜及其合金、铝及其合金、铁及其合金、镁及其合金、钛及其合金、导电碳材料、半导体、超导体。

本发明提出的测量系统，可以用于检测受测件的组织转变，并确定组织转变的起止点，包括但不限于起始温度点、终止温度点、起始时间点、终止时间点；该测量系统还可以用于评估受测件的性能，所述性能包括导电性能及与导电性能相关的其他性能，所述导电性能可以是特定温度下的电阻率或电导率，也可以是温度变化过程中不同时间的动态电阻率或动态电导率。

附图说明

图1是本发明提供的测量夹具夹持受测件的结构示意图；

图2是本发明提供的夹持底座的结构示意图；

图3是本发明提供的夹持上盖安装接线柱的结构示意图；

图4是本发明提供的夹持上盖的结构示意图；

图5是本发明提供的绝缘部的结构示意图；

图6是本发明提供的另一种夹持上盖的结构示意图；

图7是本发明提供的测件容纳部的结构示意图；

图8是本发明提供的另一种测件容纳部的结构示意图；

图9是本发明提供的测量系统测得7020合金升温过程中的电阻率-温度曲线；

图10是本发明提供的测量系统测得三种材料在缓慢升温过程中的电阻率-温度曲线。

图中：

1、夹持座；11、夹持底座；12、夹持上盖；13、安装槽；14、固定槽；15、穿设孔；16、固定件；18、连接孔；19、安装孔；

2、测件容纳部；21、测件安置槽；

3、绝缘部；31、固定孔；

4、接线柱；

5、温度测量装置；

6、受测件。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施方式提供一种测量夹具，如图1所示，测量夹具包括夹持座1、测件容纳部2、绝缘部3及接线柱4；夹持座1设有用于放置受测件6且绝缘的测件容纳部2，绝缘部3设置于夹持座1中，且位于测件容纳部2的上方，至少四个接线柱4依次排列设置，每个接线柱4均与夹持座1绝缘设置，接线柱4的一端穿过绝缘部3和夹持座1并能够抵接于受测件6，另一端从夹持座1上方伸出，温度测量装置5设置在夹持座1内。

夹持座1优选为金属材料制成，本实施例中，夹持座1采用铜合金材料制成，导热性及耐热性较好；夹持座1还可以为其他材料制成，只要强度足够、耐热性良好即可。

如图1和图2所示，夹持座1包括夹持底座11，以及与夹持底座11可拆卸连接的夹持上盖12，具体的，夹持底座11上设置有连接孔18，通过固定件16将夹持上盖12与夹持底座11上的连接孔18连接；优选的，本实施例中，连接孔18为螺纹孔，固定件16为螺钉。

如图2所示，夹持底座11上设有用于放置测件容纳部2的安装槽13，优选的，安装槽13沿夹持底座11的长度方向设置，测件容纳部2能够沿安装槽13的长度方向滑入或滑出。测件容纳部2独立于夹持座1的设计既可以保证受测件6不与夹持座1直接接触，又可以在不更换夹持座1的情况下对不同规格受测件6进行测量。

具体地，安装槽13至少一端设置开口，无需将夹持底座11和夹持上盖12拆卸，即可方便的将测件容纳部2放入或移出安装槽13。

夹持底座11上还设有用于固定温度测量装置5探头的固定槽14，固定槽14靠近样品安装槽13设置，具体的，如图2所示，固定槽14设置在安装槽13的下方，且与安装槽13连通，使得固定槽14内的测温探头能够靠近受测件6，温度测量装置5与受测件6之间的距离尽可能小，以提高测温准确度。

如图3所示，夹持上盖12设有绝缘部3，沿夹持上盖12的长度方向依次设置四个接线柱4，接线柱4一端穿过绝缘部3和夹持座1并能够抵接于受测件6，另一端从夹持上盖12上方伸出。接线柱4为导电材料制成，中间的两个接线柱4连接电压测量装置，外侧的两个接线柱4连接恒定电流装置。接线柱4还可以设置五个、六个等，其中四个接线柱4的中间两个连接电压测量装置，四个接线柱4的外侧两个连接恒定电流装置。

具体的，如图4所示，夹持上盖12上设有安装孔19，绝缘部3水平贯穿安装孔19设置，绝缘部3通过固定结构固定在夹持上盖12上，还可以通过过盈配合，或通过粘接固定绝缘部3，本实施例中绝缘部3为石英制成，能够适应高温环境。

进一步的，如图5和图6所示，绝缘部3上设置有固定孔31，夹持上盖12设有与固定孔31对应设置的穿设孔15，接线柱4穿过穿设孔15和固定孔31并能够抵接于受测件6。优选的，绝缘部3上的固定孔31为螺纹孔，接线柱4上设置有外螺纹，接线柱4与固定孔31螺纹连接，用于对接线柱4的固定，而且通过螺纹连接，能够调节接线柱4伸入固定孔31的距离，进而调节接线柱4与受测件6之间的抵接力。本实施例中，穿设孔15的直径大于固定孔31的直径，防止接线柱4在穿入穿设孔15时与金属的夹持座1接触。

进一步地，接线柱4与受测件6点接触，所述点接触是指接线柱4与所述受测件6的接触面积小于等于25mm²，优选为小于等于9mm²，进一步优选为小于等于1mm²，接线柱4与所述受测件6接触面积越小测量越精确，但是应避免出现接线柱4在受测件6上留下划痕、测试过程中接触不良、测试区域长度发生改变等现象。

当然，接线柱4与受测件6之间还可以为线接触或面接触。

接线柱4还可以连接压力检测装置(图中未示出)，能够测量接线柱4对受测件6的抵接力，防止接线柱4对受测件6的抵接力太小而接触不良，防止接线柱4对受测件6的抵接力太大而在受测件6表面留下划痕。通过调节接线柱4伸入固定孔31的距离，调节接线柱4对受测件6的抵接力，具体的，可以对不同受测件6设置一个最佳抵接力范围，能够防止上述不良现象的发生。

夹持上盖12上的穿设孔15至少设置四个，穿设孔15也可以设置五个、六个等，相应的，绝缘部3上的固定孔31与穿设孔15对应设置，且设置个数相同，如果穿设孔15的数量大于四，在其中4个穿设孔15穿入接线柱4，满足受测件6长度变化的测量需要，接线柱4长度可调，进而满足受测件6厚度变化的测量需要。参照图6，优选的，夹持上盖12上设置六个穿设孔15，穿设孔15下方设置安装孔19，安装孔19内设置绝缘部3，夹持上盖12上设置3块绝缘部3，每块绝缘部3上设置两个固定孔31，接线柱4通过绝缘部3与夹持上盖12绝缘设置。

测件容纳部2用于放置受测件6，测件容纳部2可以是平板结构，优选的，测件容纳部2上开设测件安置槽21，受测件6放置在测件安置槽21内，测件安置槽21的设置用于防止受测件6与夹持座1接触而产生“混合电阻”。进一步的，测件安置槽21为U形结构，如图7所示，受测件6置于U形结构内，测件安置槽21也可以为V形结构，如图8所示，受测件6置于V形结构内。测件容纳部2还可以为弧形结构，也可以根据需要设置成不同形状结构。测件容纳部2为石英制成，测件容纳部2还可以为其他材料制成，只要能够满足测件容纳部2绝缘、耐高温要求即可，测件容纳部2的底部厚度越薄越能准确检测到受测件6的实际温度。

测件安置槽21至少一端设置开口，受测件6可以沿测件容纳部2的长度方向滑入或滑出，方便受测件6的取放。本实施例中，测件安置槽21两端开口，受测件6可以在测件安置槽21的任一开口滑入或滑出。

该测量夹具能够在包括高温及低温在内的不同温度环境中实现对受测件6的夹持；受测件6既可以是生产工件，也可以是受测试样，受测材料包括但不限于铜及其合金、铝及其合金、铁及其合金、镁及其合金、钛及其合金、导电碳材料、半导体、超导体。

通过设置绝缘的测件容纳部2放置受测件6，将受测件6和夹持座1绝缘；绝缘部3的设置能够使得接线柱4与夹持座1绝缘。

本实施例还提供了一种测量系统，包括上述的测量夹具。该测量系统通过测量夹具将受测件6夹持，在包括高温及低温在内的不同温度环境下实现对受测件6的动态电阻率或动态电导率的测量。

具体的，测量系统还包括电压测量装置、恒定电流装置、温度测量装置5、温度调节及控制装置、信号采集及处理装置。电压测量装置与测量夹具的四个接线柱4的中间两个接线柱4通过导线连接，用于测量中间两个接线柱4之间的受测件的电压，电压测量装置优选为纳伏表或者动态电阻应变仪，本实施例的电压测量装置采用纳伏表，其精度可达10^-9V，精度越高，读数越准确。恒定电流装置与测量夹具的四个接线柱4外侧的两个接线柱4通过导线连接，用于提供恒定的电流。如图3所示，恒定电流装置所提供的恒定电流在测量夹具内的流动路径为：左端接线柱→受测件→右端接线柱，或为：右端接线柱→受测件→左端接线柱，在此过程中受测件6不与任何其他非绝缘体接触，以保证所测量的电压为在受测件6上所选区域的电压。温度测量装置5设置在测量夹具的夹持座1内，位于受测件6下方。温度调节及控制装置用于对测量夹具夹持的受测件6进行加热、冷却或保温。

温度调节及控制装置的温度控制范围为-260℃～1200℃。受测件6加热结束后，可选地，采用空冷方式，或通过冷却介质冷却，空冷为在室温静止空气下进行的冷却，冷却介质包括但不限于液氮、酒精、水、沙子、流动空气。

本实施例中，温度调节及控制装置采用管式电阻炉及其控制装置，冷却方式采用风冷，最大冷却速率为1000℃/min。

信号采集及处理装置连接电压测量装置和温度测量装置5，信号采集及处理装置被配置为采集信号并实时处理后输出，信号采集及处理装置输出动态的电阻率、电导率、温度，以及电阻率-温度曲线、电导率-温度曲线、电阻率-时间曲线、电导率-时间曲线等相关曲线，且通过与信号采集及处理装置连接的显示装置(图中未示出)显示。

在对受测件6进行加热、冷却或保温的同时，该测量系统通过连续采集及记录受测件6的电压、温度等信号，再通过实时的信息处理，获得电阻率-温度或电导率-温度曲线及数据、电阻率-时间或电导率-时间曲线及数据，进而分析材料的组织性能变化。

基于本发明测量系统输出的信息可以分析材料的组织变化，所述组织变化包括但不限于回复、再结晶、固溶、脱溶。图9为本发明提供的测量系统测得7020合金升温过程中的电阻率-温度曲线，在0℃～285℃阶段斜率不发生改变，说明没有发生相变，在285℃～394℃阶段斜率改变，说明发生了相变，在394℃～600℃阶段斜率回归直线，说明相变完成。

基于本发明测量系统输出的信息可以分析材料在不同温度及不同时间的性能变化，所述性能包括导电性能及与导电性能相关的其他性能。图10为本发明提供的测量系统测得三种不同材料的受测件6在缓慢升温过程中的电阻率-温度曲线，其中：材料1为添加0.02wt.％Sc元素的铝合金，材料2为添加0.04wt.％B元素的铝合金，材料3为99.7％的工业纯铝。当测量温度为20℃时，材料3的电阻率最大，材料1的电阻率最小，当测量温度为85℃时，材料1的电阻率等于材料2的电阻率，当测量温度为200℃时，材料3的电阻率最大，材料2的电阻率最小。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代，均属于本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种测量夹具，其特征在于，连接有温度调节及控制装置，用于对测量夹具夹持的受测件（6）进行加热、冷却或保温，所述温度调节及控制装置的温度控制范围为-260℃~1200℃，所述测量夹具包括：

夹持座（1），其设有用于放置受测件（6）且与所述受测件（6）绝缘的测件容纳部（2），所述夹持座（1）上设置有安装温度测量装置（5）的固定槽（14）；

绝缘部（3），设置于所述夹持座（1）中，且位于所述测件容纳部（2）的上方；

接线柱（4），至少四个所述接线柱（4）依次排列，每个所述接线柱（4）均与所述夹持座（1）绝缘设置，所述接线柱（4）的一端穿过所述绝缘部（3）和所述夹持座（1）并能够抵接于所述受测件（6），另一端伸出所述夹持座（1）；

所述夹持座（1）包括夹持底座（11），以及与所述夹持底座（11）可拆卸连接的夹持上盖（12），所述夹持底座（11）设有用于放置所述测件容纳部（2）的安装槽（13）；

所述夹持上盖（12）设有所述绝缘部（3）以及沿长度方向排列的所述接线柱（4）；

所述绝缘部（3）设置有固定孔（31），所述绝缘部（3）固定设置于所述夹持上盖（12）上，所述夹持上盖（12）设有与所述固定孔（31）对应设置的穿设孔（15），所述接线柱（4）穿过所述穿设孔（15）和所述固定孔（31）并能够抵接于所述受测件（6）；

所述固定孔（31）为螺纹孔，所述接线柱（4）上设置有外螺纹，所述接线柱（4）与所述固定孔（31）螺纹连接，所述接线柱（4）连接压力检测装置，所述压力检测装置能够检测所述接线柱（4）与所述受测件（6）的抵接力；

所述安装槽（13）沿所述夹持底座（11）的长度方向设置，所述测件容纳部（2）能够沿所述安装槽（13）的长度方向滑入或滑出。

2.根据权利要求1所述的测量夹具，其特征在于，所述接线柱（4）与所述受测件（6）点接触。

3.一种测量系统，其特征在于，包括权利要求1-2中任一所述的测量夹具。

4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，包括：

电压测量装置，其与测量夹具的四个接线柱（4）的中间两个接线柱（4）通过导线连接；

恒定电流装置，其与测量夹具的四个接线柱（4）的外侧两个接线柱（4）通过导线连接；

温度测量装置（5），所述温度测量装置（5）的探头设置在测量夹具的夹持座（1）内；

温度调节及控制装置，其用于对测量夹具内夹持的受测件（6）进行加热、冷却或保温。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，还包括信号采集及处理装置，所述电压测量装置和所述温度测量装置（5）均连接于所述信号采集及处理装置，所述信号采集及处理装置被配置为将采集信号经处理后进行输出。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述信号采集及处理装置输出的信息包括：电阻率、电导率、温度、电阻率-温度曲线、电导率-温度曲线、电阻率-时间曲线、电导率-时间曲线，以分析所述受测件（6）的组织性能变化。

7.根据权利要求3-6中任一所述的测量系统，其特征在于，所述受测件（6）为半导体构件、导体构件或超导体构件。