CN113281258A - 一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备 - Google Patents

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文婷
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Abstract

本发明涉及一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，属于材料各向异性相关测试技术领域。本发明的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备包括安装固定模块、位移模块、旋转模块、样品装置模块和电机驱动控制模块，该设备除了能够实现在面内或面外连续转变角度的测试外，更是突破了空间维度的限制，首次实现了能够从面内连续转变角度到面外的过程。该设备为研究材料的各向异性提供了一个全新的维度，且该过程是厘清材料性质至关重要的一部分。另外，该设备结构精巧，操作简单，能够与多种开放、集成的测试系统兼容配套使用。

Description

一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备
技术领域
本发明属于材料各向异性相关测试技术领域，具体涉及一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备。
背景技术
晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、断裂抗力、屈服强度、热膨胀系数、导热性、电阻率、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。特别地，在二维晶体中，其不仅具有原子面内的各向异性，面外(垂直于原子面方向)则具有更显著的各向异性。
二维晶体的面内、面外均具有各向异性已有大量相关研究被报道，而由面内连续旋转到面外过程中的相关特性是如何变化的却一直未有报道。而该过程却能显示出丰富的材料结构等信息，是系统厘清材料性质不可缺少的环节。
目前已有测试设备只能通过旋转测试面内或面外的光学响应从而确定材料面内或面外的各向异性。然而现实中却没有可以实现连续旋转角度测试材料由面内到面外的设备，同时也无法实现多维连续旋转测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，特别是对于晶体材料的结构、光学、电学、光电等物理化学特性的研究增加了一个从未被报道过的测试维度---面内到面外的连续转变角度测试的设备，同时该设备还具备有位移定位功能，方便测试时能够快速准确的找到待测试材料区域，且该设备结构精致小巧，能够与各种自由光路或高度集成测试仪器兼容配套使用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，包括安装固定模块1、位移模块、旋转模块、样品装置模块8和电机驱动控制模块6；
所述位移模块固定在所述安装固定模块1上，用于带动样品18实现三维方向的移动；
所述旋转模块安装在所述位移模块上，用于带动样品18实现水平面的连续角度转变和竖直面的连续角度转变；
所述样品装置模块8安装在所述旋转模块上，用于放置样品18；
所述电机驱动控制模块6与电脑通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品18的位移和旋转角度，电脑实时的监控和记录样品的移动和旋转状态。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述位移模块由三块结构相同的单轴位移模块组装而成，包括X轴位移模块、Y轴位移模块和Z轴位移模块；
所述X轴位移模块3固定在所述安装固定模块1上，所述Y轴位移模块4固定在所述X轴位移模块3的位移板上，所述Z轴位移模块5固定在转接板2上，所述转接板2固定在所述Y轴位移模块4的位移板上。
可选地，所述单轴位移模块包括面板25、位移板23、导轨10、内含联轴器的步进电机9、丝杠11、可移动螺丝座22、固定座24、原点限位器12、极限限位器26；
所述丝杠11的两端分别连接所述内含联轴器的步进电机9和所述固定座24，所述步进电机9和所述固定座24固定在所述导轨10的侧壁，所述可移动螺丝座22安装在丝杆11上，且所述可移动螺丝座22固定安装在所述位移板23的侧壁，所述位移板23和所述面板25之间具有所述导轨10，从而使所述步进电机9通过联轴器驱动所述丝杠11做螺旋直线运动，所述丝杠11驱动所述可移动螺丝座22运动从而驱动所述位移板23沿导轨10做单方向移动；
所述原点限位器12和所述极限限位器26固定在丝杠11上，所述原点限位器12用于记录位移板23移动的起始位置，极限限位器26用于记录位移板23位移能到的最远的位置。
进一步地，所述旋转模块包括结构相同的水平旋转模块7和垂直旋转模块21，所述垂直旋转模块21安装在所述Z轴位移模块5的位移板上，所述垂直旋转模块21上安装L型转接板20，所述水平旋转模块7安装在所述L型转接板20上；
所述水平旋转模块7包括外层标度盘13、旋转盘14、电动变速箱15、压片16和外壳面板17，所述外层标度盘13的内孔中含有内齿轮，旋转盘14内固定有电动变速箱15，电动变速箱15的输出齿轮与内齿轮的内齿啮合，旋转盘14的转动中心轴与内齿轮的中心轴同心，所述外层标度盘13和所述旋转盘14之间具有压片16，所述外壳面板17固定在所述外层标度盘13上。
进一步地，所述样品装置模块8呈夹具状。
进一步地，所述电机驱动控制模块6为含中央处理器单元的部件。
进一步地，所述电脑还可为调节手柄，所述电机驱动控制模块6与调节手柄通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品18的位移和旋转角度。
本发明的有益效果是：本发明的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备除了能够实现在面内或面外连续转变角度的测试外，更是突破了空间维度的限制，首次实现了能够从面内连续转变角度到面外的过程。该设备为研究材料的各向异性提供了一个全新的维度，且该过程是厘清材料性质至关重要的一部分。另外，该设备结构精巧，操作简单，能够与多种开放、集成的测试系统兼容配套使用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备的结构示意图，其中(a)为样品装置模块呈L型夹具状，水平旋转模块安装在L型转接板上，(b)为样品装置模块呈平面型夹具状，水平旋转模块安装在Y轴位移板上；
图2为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备的电路连接模块示意图；
图3为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备的单轴位移模块结构示意图；
图4为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备的旋转模块结构示意图；
图5为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备结合一种集成系统采集到的某材料的面内连续旋转的光谱变化信息；
图6为本发明实施例的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备结合一种集成系统采集到的某材料由面内连续旋转到面外，再由面外连续旋转到面内的光谱变化信息。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
安装固定模块1、转接板2、X轴位移模块3、Y轴位移模块4、Z轴位移模块5、电机驱动控制模块6、水平旋转模块7、样品装置模块8、内含联轴器的步进电机9、导轨10、丝杆11、原点限位器12、外层标度盘13，旋转盘14、电机变速箱15、压片16，外壳面板17、样品18、载玻片19、L型转接板20、垂直旋转模块21、可移动螺丝座22、位移板23、固定座24、面板25、极限限位器26。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-2所示，本发明第一实施例提供的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，包括安装固定模块1、位移模块、旋转模块、样品装置模块8和电机驱动控制模块6；
所述位移模块固定在所述安装固定模块1上，用于带动样品18实现三维方向的移动；
所述旋转模块安装在所述位移模块上，用于带动样品18实现水平面的连续角度转变和竖直面的连续角度转变；
所述样品装置模块8安装在所述旋转模块上，用于放置样品18；
所述电机驱动控制模块6与电脑通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品18的位移和旋转角度，电脑实时的监控和记录样品的移动和旋转状态。
上述实施例中，所述安装固定模块1属于设备的底座，其中包含有多种尺寸的公、英制的螺孔和通孔，以适配不同标准的光学桌或安装位，用于将设备安装固定在不同的需要场合，已达到能够灵活的和其他的测试设备兼容配套使用。且本设备的体积小，可适用于各种光学测试系统。
所述位移模块间的连接方式包括但不限于螺丝固定。整个位移模块既可通过电脑软件编程控制，连续改变移动速度，也可进行手动调节，且可达到很高的调节精度，能够满足在不同要求下的样品移动需要，方便测试时寻找样品和聚焦于样品表面。
所述旋转模块可以实现水平面的连续转变角度和竖直面内的连续角度转变。以二维材料为例，通过此设计，该设备首次实现了可使材料由面内连续转变角度到面外(垂直于原子面)的测试；相当于测试激光除了能在平面内连续变化角度外，还能在垂直于原子面的方向连续转变角度，突破了传统设备单一旋转维度的限制，且可达到很高的调节精度。
所述样品装置模块可通过(但不仅限于)至少两个可调节固定螺丝或弹簧性紧具固定在水平旋转模块上，且样品放置位置和方向可根据需要进行调整，其可适用于多种形态的样品测试需求。
所述电机驱动控制模块可与电脑通信，实时调节，反馈和记录样品的移动状态。
可选地，如图1-2所示，所述位移模块由三块结构相同的单轴位移模块组装而成，包括X轴位移模块、Y轴位移模块和Z轴位移模块；
所述X轴位移模块3固定在所述安装固定模块1上，所述Y轴位移模块4固定在所述X轴位移模块3的位移板上，所述Z轴位移模块5固定在转接板2上，所述转接板2固定在所述Y轴位移模块4的位移板上。
可选地，如图3所示，所述单轴位移模块包括面板25、位移板23、导轨10、内含联轴器的步进电机9、丝杠11、可移动螺丝座22、固定座24、原点限位器12、极限限位器26；
所述丝杠11的两端分别连接所述内含联轴器的步进电机9和所述固定座24，所述步进电机9和所述固定座24固定在所述导轨10的侧壁，所述可移动螺丝座22安装在丝杆11上，且所述可移动螺丝座22固定安装在所述位移板23的侧壁，所述位移板23和所述面板25之间具有所述导轨10，从而使所述步进电机9通过联轴器驱动所述丝杠11做螺旋直线运动，所述丝杠11驱动所述可移动螺丝座22运动从而驱动所述位移板23沿导轨10做单方向移动；
所述原点限位器12和所述极限限位器26固定在丝杠11上，所述原点限位器12用于记录位移板23移动的起始位置，极限限位器26用于记录位移板23位移能到的最远的位置。
上述实施例中，所述单轴位移模块中，可移动螺丝座内含滚珠，丝杆螺旋运动使滚珠带动可移动螺丝座做直线运动，从而带动位移板移动。每个单轴运动互不干扰，通过与电极驱动控制模块电连接实现位移控制并实现运动速度、位移控制。
原点限位器12和极限限位器26可通过螺丝固定在丝杠11上，它们的位置可以根据具体测试样品的大小而调整。原点限位器12和极限限位器26用于记录位移板的位移，当位移板到达极限限位器26时，位移板触碰到极限限位器26的触点，极限限位器26内置的蜂鸣器就会发出警报，由于步进电机和限位器之间有电连接，从而触发步进电机停止运转，使可移动螺丝座无法移动，以保证位移板在一定的范围内进行准确无误的移动。
可选地，如图4所示，所述旋转模块包括结构相同的水平旋转模块7和垂直旋转模块21，所述垂直旋转模块21安装在所述Z轴位移模块5的位移板上，所述垂直旋转模块21上安装L型转接板20，所述水平旋转模块7安装在所述L型转接板20上；
所述水平旋转模块7包括外层标度盘13、旋转盘14、电动变速箱15、压片16和外壳面板17，所述外层标度盘13的内孔中含有内齿轮，旋转盘14内固定有电动变速箱15，电动变速箱15的输出齿轮与内齿轮的内齿啮合，旋转盘14的转动中心轴与内齿轮的中心轴同心，所述外层标度盘13和所述旋转盘14之间具有压片16，所述外壳面板17固定在所述外层标度盘13上。
上述实施例中，压片的压力面上可涂有耐磨材料，避免金属之间直接面接触，容易磨损，压片固定在外层标度盘上，可以采用螺钉固定。
可选地，所述样品装置模块8呈夹具状。
可选地，所述电机驱动控制模块6为含中央处理器单元的部件。
上述实施例中，所述电机驱动控制模块6中包含包括但不限于树莓派等含中央处理器单元的部件，所述电机驱动控制模块6通过包括但不限于USB接口与电脑连接。电脑客户端通过上位机程序与树莓派通信并发送指令，树莓派将上位机程序转码后通过发送数字脉冲信号控制电机运动并记录电机运动数据。
可选地，所述电脑还可为调节手柄，所述电机驱动控制模块6与调节手柄通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品18的位移和旋转角度。
下面以二维层状材料ReS2由面内连续转变角度到面外的测试为例，本测试由本发明实施例的设备与集成系统WITec配套使用。在其他的实例中，该设备也可与其他集成测试系统配套使用，同时也可结合自由光路进行测试。该设备安装固定于WITec系统自带的平台面上，薄层ReS2样品通过胶带对ReS2晶体进行机械剥离获得，然后将样品转移至固定在载玻片19边缘上的小块PDMS边缘处(便于旋转测试时寻找样品，同时避免激光照射在PDMS上形成较强的背底信号)。然后将载玻片固定于样品装置模块处，如图1所示。通过WITec系统自带测试软件拍摄样品的光学照片和采集拉曼光谱信号；首先移动位移模块的X、Y轴将样品移动至测试区域；然后调节Z轴至白光聚焦面拍摄清晰的样品光学照片；再通过调节Z轴至信号最强处(既激光聚焦面)采集拉曼信号。
接下来首先通过旋转水平旋转模块表征材料的面内各向异性，旋转角度从-90°到90°，测试数据如图5所示，由图5可知，不同角度采集的拉曼光谱，峰型出现较大变化，说明该材料存在面内各向异性；然后通过旋转垂直旋转模块，使样品由面内连续旋转至面外，再连续旋转回到面内(旋转角度从-90°到90°)，每10°采集一次光学照片和拉曼光谱信号，测试数据如图6所示，由图6可知，其中随着材料由面内逐渐旋转为面外，发现有某些峰的出现和消失，说明材料面内面外的性质存在明显差异。可见，本发明的设备不仅能够实现在面内或面外连续转变角度，也可以实现从面内连续转变角度到面外的过程。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，包括安装固定模块(1)、位移模块、旋转模块、样品装置模块(8)和电机驱动控制模块(6)；
所述位移模块固定在所述安装固定模块(1)上，用于带动样品(18)实现三维方向的移动；
所述旋转模块安装在所述位移模块上，用于带动样品(18)实现水平面的连续角度转变和竖直面的连续角度转变；
所述样品装置模块(8)安装在所述旋转模块上，用于放置样品(18)；
所述电机驱动控制模块(6)与电脑通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品(18)的位移和旋转角度，电脑实时的监控和记录样品的移动和旋转状态。
2.根据权利要求1所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述位移模块由三块结构相同的单轴位移模块组装而成，包括X轴位移模块、Y轴位移模块和Z轴位移模块；
所述X轴位移模块(3)固定在所述安装固定模块(1)上，所述Y轴位移模块(4)固定在所述X轴位移模块(3)的位移板上，所述Z轴位移模块(5)固定在转接板(2)上，所述转接板(2)固定在所述Y轴位移模块(4)的位移板上。
3.根据权利要求1所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述单轴位移模块包括面板(25)、位移板(23)、导轨(10)、内含联轴器的步进电机(9)、丝杠(11)、可移动螺丝座(22)、固定座(24)、原点限位器(12)、极限限位器(26)；
所述丝杠(11)的两端分别连接所述内含联轴器的步进电机(9)和所述固定座(24)，所述步进电机(9)和所述固定座(24)固定在所述导轨(10)的侧壁，所述可移动螺丝座(22)安装在丝杆(11)上，且所述可移动螺丝座(22)固定安装在所述位移板(23)的侧壁，所述位移板(23)和所述面板(25)之间具有所述导轨(10)，从而使所述步进电机(9)通过联轴器驱动所述丝杠(11)做螺旋直线运动，所述丝杠(11)驱动所述可移动螺丝座(22)运动从而驱动所述位移板(23)沿导轨(10)做单方向移动；
所述原点限位器(12)和所述极限限位器(26)固定在丝杠(11)上，所述原点限位器(12)用于记录位移板(23)移动的起始位置，极限限位器(26)用于记录位移板(23)位移能到的最远的位置。
4.根据权利要求1所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述旋转模块包括结构相同的水平旋转模块(7)和垂直旋转模块(21)，所述垂直旋转模块(21)安装在所述Z轴位移模块(5)的位移板上，所述垂直旋转模块(21)上安装L型转接板(20)，所述水平旋转模块(7)安装在所述L型转接板(20)上；
所述水平旋转模块(7)包括外层标度盘(13)、旋转盘(14)、电动变速箱(15)、压片(16)和外壳面板(17)，所述外层标度盘(13)的内孔中含有内齿轮，旋转盘(14)内固定有电动变速箱(15)，电动变速箱(15)的输出齿轮与内齿轮的内齿啮合，旋转盘(14)的转动中心轴与内齿轮的中心轴同心，所述外层标度盘(13)和所述旋转盘(14)之间具有压片(16)，所述外壳面板(17)固定在所述外层标度盘(13)上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述样品装置模块(8)呈夹具状。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述电机驱动控制模块(6)为含中央处理器单元的部件。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种多维连续旋转表征材料各向异性的设备，其特征在于，所述电脑还可为调节手柄，所述电机驱动控制模块(6)与调节手柄通信，用于向所述位移模块和所述旋转模块发送驱动电机运动的脉冲信号，从而控制位移模块的移动和旋转模块的旋转，调控样品(18)的位移和旋转角度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Application publication date: 20210820

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