CN204666449U - 一种用于中子小角散射的原位压力加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于中子小角散射的原位压力加载装置，能够对被测样品进行中子束流方向上的压力加载，并对样品的应力、应变进行控制。所述装置包括动力驱动组件、传动齿轮组件、滚珠丝杠组件、高精度测量组件、夹具组件、固定机架基座组件和屏蔽层。本实用新型的特点为中子束线上的多个组件采用空心结构允许中子直接通过，夹具采用中子透过率高的蓝宝石材料，实现了样品在中子束流方向上的压力加载。本实用新型配合中子小角散射谱仪使用，对被测样品进行在力学使役环境下的微观变形、损伤和断裂过程进行原位检测，为进一步揭示材料的力学特性和损伤、断裂机制研究提供了有效、可靠的测试手段。

Description

一种用于中子小角散射的原位压力加载装置

技术领域

本实用新型属于中子小角散射应用中的环境加载技术领域，具体涉及一种用于中子小角散射的原位压力加载装置。本实用新型配合中子小角散射谱仪使用，能够对薄片样品在力学使役环境下的微观变形、损失和破坏过程进行在线检测，有助于进行材料的力学特性和损失机制研究。

背景技术

中子小角散射技术具有无损检测和深穿透特性，是研究金属的析出相、高分子及生物分子的构型、材料内部掺杂物等材料内部微结构信息的有效方法。利用中子小角散射技术研究材料的力学特性过程为首先使用原位力学加载装置来模拟材料的力学使役环境，再利用中子小角散射谱仪对材料的内部微观结构进行测量。目前，国内中子散（衍）射技术正处于起步阶段，原位环境设备的设计也较少。名称为《一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置》的中国专利（专利号：201310032334）公开了一种用于中子衍射技术的原位应力-温度加载装置，该装置的力学加载方向垂直于中子光路。鉴于中子小角散射技术与中子衍射技术原理不同，中子小角散射测量中要求中子束直穿过样品，因此样品在中子束流方向的厚度尺寸比较小，大多为薄片状，因此力学加载方向垂直于中子光路的加载装置不适用于中子小角散射测量应用。

发明内容

为了克服现有技术中力学加载方向垂直于中子光路的加载装置不适用于中子小角散射测量应用的不足，本实用新型提供一种用于中子小角散射的原位压力加载装置，能够实现压力与中子束流同向的压力加载。

实现本实用新型的技术方案如下

本实用新型的用于中子小角散射的原位压力加载装置，其特点是，所述的装置包括动力驱动组件、传动齿轮组件、滚珠丝杠组件、高精度测量组件、夹具组件、固定机架基座组件和屏蔽层。

所述动力驱动组件包括伺服电机、编码器、减速机；所述传动齿轮组件包括主动齿轮、从动齿轮；所述滚珠丝杠组件包括固定螺母、螺旋丝杠；所述高精度测量组件包括圆环状的力学传感器、非接触式位移传感器；所述夹具组件包括夹具、夹具支撑杆、样品包壳，其中夹具包括移动端夹具、固定端夹具；所述固定机架基座组件包括基座、左侧支撑板、右侧支撑板。

其连接关系是，所述的左侧支撑板、右侧支撑板固定在基座两侧，右侧支撑板开设有中子通孔以及伺服电机的固定安装孔。所述的编码器、减速机安装在伺服电机的输出轴上，伺服电机、减速机分别固定在右侧支撑板、左侧支撑板上。所述的主动齿轮、从动齿轮依次安装在左侧支撑板上，主动齿轮与减速机的输出轴相连，主动齿轮与从动齿轮通过轮齿咬合连接。所述的固定螺母与从动齿轮固定连接，螺旋丝杠通过螺纹与固定螺母连接，螺旋丝杠中心轴线上开设有中子通孔。所述的力学传感器的一端与螺旋丝杠固定连接，另一端与夹具支撑杆的一端固定连接，夹具支撑杆的另一端与移动端夹具固定连接，所述夹具支撑杆的中心轴线上设置有中心通孔。非接触式位移传感器的测量端安装在移动端夹具的接触样品的侧面上。固定端夹具与移动端夹具对应设置，固定端夹具与右侧支撑板固定连接，移动端夹具、固定端夹具的中心位置上分别开设有与样品尺寸匹配的样品凹槽，圆筒状的样品包壳套在移动端夹具上。在螺旋丝杠、力学传感器、夹具支撑杆、右侧支撑板的中子通孔内壁均设置有屏蔽层。所述的基座底部设置有螺孔，用于与中子小角散射谱仪的样品台的固定。所述中子通孔的内径大于中子束斑尺寸。

所述的主动齿轮、从动齿轮的传动速比为1:1。

所述的非接触式位移传感器采用电容式位移传感器或挠度计，电容式位移传感器包括第一电容板和第二电容板，第一电容板安装在移动端夹具上，第二电容板安装在固定端夹具上；挠度计的测量探针安装在移动端夹具上。

所述的力学传感器的空心尺寸大于中子束斑尺寸，螺旋丝杠、夹具支撑杆上均开设力学传感器安装螺纹孔。

所述的移动端夹具、固定端夹具为直径相同的圆柱形，直径尺寸为中子束斑直径的3.5倍；样品包壳为圆筒结构，样品包壳内径尺寸与移动端夹具的外径尺寸匹配，能够使得样品包壳在移动端夹具、固定端夹具外环左右移动，样品包壳的宽度尺寸比样品厚度尺寸大两公分。

所述的样品包壳、基座、左侧支撑板、右侧支撑板采用高强度合金材料。

所述的移动端夹具、固定端夹具采用蓝宝石材料制作。

所述屏蔽层的制作材料采用中子吸收材料硼粉、镉、钆中的一种。

本实用新型中的伺服电机、编码器、减速机提供具有负载能力、速度可调的高分辨率转动角位移输出；主动齿轮、从动齿轮将动力驱动组件的输出力从伺服电机轴线上传送到夹具轴线上；固定螺母、空心结构的螺旋丝杠将旋转运动方式转换为直线运动方式，带动夹具左右平移运动；空心结构的力学传感器、非接触式位移传感器分别对装置加载压力、样品形变量进行检测；移动端夹具、固定端夹具是样品提供施加压力的物理载体；夹具支撑杆用于连接力学传感器和移动端夹具，并对夹具起一定的保护作用；样品包壳套在移动端夹具、固定端夹具的外环使用，压力加载实验前将样品包壳移动到样品外环，其功能为保护实验人员的人身安全，防止样品受到较大压力后发生破裂、碎片外溅等状况发生；基座、左侧支撑板和右侧支撑板为装置其他组件提供固定点或支撑。

本实用新型的特点是伺服电机和减速机置于上方，通过传动齿轮组件将加载力传输到置于下方的滚珠丝杠组件和夹具组件上，螺旋丝杠、夹具支撑杆、右侧支撑板均设有中子通孔，力学传感器采用空心结构形式，中子通孔、传感器空心尺寸均均大于中子束斑尺寸，采用这种将动力驱动组件置于中子束流外的结构和多个组件的空心设计使得本实用新型的装置允许中子束直接通过，避免了对中子束流的遮挡。所述的移动端夹具、固定端夹具采用中子透过率高的蓝宝石材料，使得测量中子基本无损失的到达被测样品上。螺旋丝杠、夹具支撑杆、右侧支撑板、力学传感器的空心内壁设有吸收中子材料的屏蔽层，用于吸收少量发散中子，以降低人员、设备辐射。

本实用新型的工作过程为：动力驱动组件提供装置的驱动力来源，减速机选用大减速比型号，以实现输出具有负载能力的低速旋转运动；传动齿轮组件随驱动机构转动，进一步将角位移输出到连接的滚珠丝杠组件上，滚珠丝杠组件将旋转的运动方式转化为直线运动，带动移动端夹具进行压缩方向运动，最终将加载压力施加到样品上。压力实施过程中，力学传感器和非接触式位移传感器检测样品受力状态和样品受力后的变形量，并将受力状态和变形量转换为标准电流或电压信号，配合控制器能够实现恒应力控制、恒应变控制。本实用新型的装置将样品的应力或应变控制到一定状态后，便可利用中子小角散射谱仪对材料该状态下的微观特性进行测量。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的一种用于中子小角散射的原位压力加载装置，具有结构简单、性能可靠、测量精度高的特点。本实用新型采用将动力驱动组件置于中子束流外的结构和多个组件的空心设计允许中子束直接通过，同时移动端夹具和固定端夹具采用中子透过率高的蓝宝石材料，实现了满足中子小角散射需求的中子束流方向上的压力加载。同时高精度的非接触式位移传感器的选择避免了引伸计等常规位移传感器在薄片样品测量中无法安装或精度低的问题。本实用新型适用于各种厚度在毫米级的特征尺寸的薄片样品，能够满足材料利用小角散射技术进行力学特性微观测量的原位压力加载需求，从而揭示样品材料的力学特性和损伤、断裂机制，具有较高的科研价值和良好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的用于中子小角散射的原位压力加载装置的结构示意图；

图2为本实用新型用于中子小角散射的原位压力加载装置的左视图；

图3为本实用新型中的移动端夹具的结构示意图；

图4为本实用新型中的固定端夹具的结构示意图；

图5为本实用新型中的样品包壳的结构示意图；

图中，11.伺服电机    12.编码器     13.减速机     21.主动齿轮     22.从动齿轮     31.固定螺母     32.螺旋丝杠     41.力学传感器     42.非接触式位移传感器     511.移动端夹具     512.固定端夹具     52.夹具支撑杆     53.样品包壳     61.基座     62.左侧支撑板     63.右侧支撑板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

实施例1

图1为本实用新型的用于中子小角散射的原位压力加载装置的结构示意图，图2为本实用新型用于中子小角散射的原位压力加载装置的左视图，图3为本实用新型中的移动端夹具的结构示意图，图4为本实用新型中的固定端夹具的结构示意图，图5为本实用新型中的样品包壳的结构示意图。在图1至图5中，本实用新型的用于中子小角散射的原位压力加载装置包括动力驱动组件、传动齿轮组件、滚珠丝杠组件、高精度测量组件、夹具组件、固定机架基座组件和屏蔽层。

所述动力驱动组件包括伺服电机11、编码器12、减速机13。所述传动齿轮组件包括主动齿轮21、从动齿轮22。所述滚珠丝杠组件包括固定螺母31、螺旋丝杠32。所述高精度测量组件包括圆环状的力学传感器41、非接触式位移传感器42。所述夹具组件包括夹具、夹具支撑杆52、样品包壳53，其中夹具包括移动端夹具511、固定端夹具512。所述固定机架基座组件包括基座61、左侧支撑板62、右侧支撑板63。

所述的左侧支撑板62、右侧支撑板63固定在基座61两侧，右侧支撑板63开设有中子通孔以及伺服电机11的固定安装孔；所述的编码器12、减速机13安装在伺服电机11的输出轴上，伺服电机11、减速机13分别固定在右侧支撑板63、左侧支撑板62上；所述的主动齿轮21、从动齿轮22依次安装在左侧支撑板62上，主动齿轮21与减速机13的输出轴相连，主动齿轮21与从动齿轮22通过轮齿咬合连接；所述的固定螺母31与从动齿轮22固定连接，螺旋丝杠32通过螺纹与固定螺母31连接，螺旋丝杠32中心轴线上开设有中子通孔；所述的力学传感器41的一端与螺旋丝杠32固定连接，另一端与夹具支撑杆52的一端固定连接，夹具支撑杆52的另一端与移动端夹具511固定连接，所述夹具支撑杆52的中心轴线上设置有中心通孔；非接触式位移传感器42的测量端安装在移动端夹具511的接触样品的侧面上；固定端夹具512与移动端夹具511对应设置，固定端夹具512与右侧支撑板63固定连接，移动端夹具511、固定端夹具512的中心位置上分别开设有与样品尺寸匹配的样品凹槽，圆筒状的样品包壳53套在移动端夹具511上；在螺旋丝杠32、力学传感器41、夹具支撑杆52、右侧支撑板63的中子通孔内壁均设置有屏蔽层71；所述的基座61底部设置有螺孔，用于与中子小角散射谱仪的样品台的固定；所述中子通孔的内径大于中子束斑尺寸。

本实施例中的伺服电机11的额定转矩为0.4Nm，减速机13的减速比为100:1，编码器12为绝对式编码器。

本实施例中的力学传感器41的空心内径尺寸为25mm，测量精度为0.5%，测量范围为0～20 kN。非接触式位移传感器42采用高精度的挠度计，挠度计的测量精度为0.1um，测量范围为0~2mm，挠度计的测量探头为弹性机构，使用时探头与移动端夹具紧密接触，当样品受力发生变形时，探头便可随移动端夹具移动，从而间接测得样品变形量。

本实施例中的移动端夹具511、固定端夹具512为直径35mm的圆柱形，采用蓝宝石材料制作。移动端夹具511、固定端夹具512的接触样品面上分别开设有与样品尺寸匹配的固定样品凹槽，移动端夹具511下端开设挠度计的测量探针的接触凹槽，如图3、4所示。样品包壳53为圆筒结构，内径、外径分别为35 mm和38 mm，如图5所示。样品包壳53、基座61、左侧支撑板62、右侧支撑板63采用7050铝合金材料。

本实施例中的螺旋丝杠32、夹具支撑杆53、右侧支撑板62的中子通孔直径为14mm。

本实施例中的屏蔽层71的制作材料采用硼粉，将硼粉与胶水混合后粘涂在螺旋丝杠、力学传感器、夹具支撑杆、右侧支撑板的空心内壁，屏蔽层71厚度为1mm。

经过上述实施后，本实用新型对样品形变量加载速率可低至0.01mm/min，样品形变量测量精度为0.1微米，对于直径为10mm的圆形样品，施加压力控制精度1.25 MPa，压力加载范围为0～254MPa，本实施例用于对尺寸较大样品进行压力加载实验。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是高精度测量组件中的力学传感器41空心内径尺寸为18mm，测量范围为0～5 kN，测量精度为0.5%；非接触式位移传感器42更换为高精度的电容式位移传感器，电容式位移传感器的测量精度为0.01um，测量范围为0~0.2mm，电容式位移传感器包括第一电容板和第二电容板，第一电容板安装在移动端夹具下端，第二电容板安装在固定端夹具下端。移动端夹具511、固定端夹具512下端分别开设与第一电容板、第二电容板相匹配的固定安装凹槽。本实施例中的样品包壳53、基座61、左侧支撑板62、右侧支撑板63采用不锈钢材料制作。本实施例中的屏蔽层71采用镉材料，将镉片加工为圆筒状，固定安装于螺旋丝杠32、力学传感器41、夹具支撑杆52、右侧支撑板63的空心内壁。

经过上述实施后，本实用新型对样品形变量加载速率可低至0.01mm/min，样品形变量测量精度为0. 01微米，对于直径为10mm的圆形样品，施加压力控制精度0.3 MPa，压力加载范围为0～60MPa，本实施例用于对尺寸较小样品进行高精度的压力加载实验。

Claims (4)

1.一种用于中子小角散射的原位压力加载装置，其特征在于：所述的装置包括动力驱动组件、传动齿轮组件、滚珠丝杠组件、高精度测量组件、夹具组件、固定机架基座组件和屏蔽层；

所述的动力驱动组件包括伺服电机（11）、编码器（12）、减速机（13）；所述传动齿轮组件包括主动齿轮（21）、从动齿轮（22）；所述的滚珠丝杠组件包括固定螺母（31）、螺旋丝杠（32）；所述的高精度测量组件包括圆环状的力学传感器（41）、非接触式位移传感器（42）；所述的夹具组件包括夹具、夹具支撑杆（52）、样品包壳（53），其中，夹具包括移动端夹具（511）、固定端夹具（512）；所述的固定机架基座组件包括基座（61）、左侧支撑板（62）、右侧支撑板（63）；

其连接关系是，所述的左侧支撑板（62）、右侧支撑板（63）固定在基座（61）两侧，右侧支撑板（63）开设有中子通孔以及伺服电机（11）的固定安装孔；所述的编码器（12）、减速机（13）安装在伺服电机（11）的输出轴上，伺服电机（11）、减速机（13）分别固定在右侧支撑板（63）、左侧支撑板（62）上；所述的主动齿轮（21）、从动齿轮（22）依次安装在左侧支撑板（62）上，主动齿轮（21）与减速机（13）的输出轴相连，主动齿轮（21）与从动齿轮（22）通过轮齿咬合连接；所述的固定螺母（31）与从动齿轮（22）固定连接，螺旋丝杠（32）通过螺纹与固定螺母（31）连接，螺旋丝杠（32）中心轴线上开设有中子通孔；所述的力学传感器（41）的一端与螺旋丝杠（32）固定连接，另一端与夹具支撑杆（52）的一端固定连接，夹具支撑杆（52）的另一端与移动端夹具（511）固定连接，所述夹具支撑杆（52）的中心轴线上设置有中心通孔；非接触式位移传感器（42）的测量端安装在移动端夹具（511）的接触样品的侧面上；固定端夹具（512）与移动端夹具（511）对应设置，固定端夹具（512）与右侧支撑板（63）固定连接，移动端夹具（511）、固定端夹具（512）的中心位置上分别开设有与样品尺寸匹配的样品凹槽，圆筒状的样品包壳（53）套在移动端夹具（511）上；在螺旋丝杠（32）、力学传感器（41）、夹具支撑杆（52）、右侧支撑板（63）的中子通孔内壁均设置有屏蔽层（71）；所述的基座（61）底部设置有螺孔，用于与中子小角散射谱仪的样品台的固定；所述中子通孔的内径大于中子束斑尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于中子小角散射的原位压力加载装置，其特征在于，所述的主动齿轮（21）、从动齿轮（22）的传动速比为1:1。

3.根据权利要求1所述的用于中子小角散射的原位压力加载装置，其特征在于，所述的力学传感器（41）的空心尺寸大于中子束斑尺寸，螺旋丝杠（32）、夹具支撑杆（52）上均开设力学传感器（41）的安装螺纹孔。

4.根据权利要求1所述的用于中子小角散射的原位压力加载装置，其特征在于，所述的移动端夹具（511）、固定端夹具（512）为直径相同的圆柱形，直径尺寸为中子束斑直径的三倍；样品包壳（53）为圆筒结构，样品包壳（53）的内径尺寸与移动端夹具（511）的外径尺寸匹配，样品包壳（53）的宽度尺寸比样品厚度尺寸大两公分。