-
HINTERGRUND
-
Gebiet der
Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur thermischen Analyse, wie zum Beispiel
dynamisch mechanische Analysevorrichtungen (DMAs) und thermisch
mechanische Analysevorrichtung (TMAs).
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Dynamisch
mechanische Analyse
-
Die dynamisch mechanische Analyse
ist eine Technik zum Messen der viskoelastischen Eigenschaften von
Werkstoffen durch Aufbringen einer periodischen Belastung auf eine
Probe des Werkstoffes. Die DMA misst die Werkstoffeigenschaften,
wie zum Beispiel den Elastizitätsmodul
und die Dämpfung.
Die Messung von solchen Eigenschaften stellt quantitative und qualitative
Informationen über
die Leistungsfähigkeit
des Probenwerkstoffs zur Verfügung.
-
Eine große Vielfalt von Werkstoffen
kann durch Verwendung der DMA bewertet werden, umfassend beispielsweise
Elastomere, viskose wärmeausgehärtete Flüssigkeiten,
Verbundwerkstoffe, Beschichtungen und Klebstoffe, Keramiken und
Metall. Die DMA wird ebenso weit verbreitet verwendet, um viskoelastische
polymere Werkstoffe zu bewerten, welche zeitabhängigen, frequenzabhängigen und temperaturabhängigen Wirkungen
auf ihre mechanischen Eigenschaften unterliegen. Die DMA wird ebenso
verwendet, um physikalische Übergänge zu studieren,
welche sich auf Änderungen
in der Struktur des Werkstoffes beziehen, durch Analysieren der Änderung
der Eigenschaften, wie zum Beispiel des Elastizitätsmoduls
oder der Dämpfung
als eine Funktion der Zeit, der Temperatur oder der Frequenz.
-
Ein typischer Übergang, welcher durch Verwenden
der DMA studiert werden kann, ist die Vitrifizierung, bei welcher
ein Werkstoff, wie zum Beispiel ein Polymer, sich von einer geordneten
kristallinen Struktur zu einer amorphen oder glasartigen Struktur umwandelt.
Die DMA kann ebenso verwendet werden, um zeitabhängige Werkstoffeigenschaften
zu studieren, wie zum Beispiel Kriechen (eine Langzeitverformung
der Probe unter einer konstanten Belastung) und Spannungsnachlass
(die Reduzierung von Spannung in einer Probe, welche einer konstanten anfänglichen
Deformation ausgesetzt ist).
-
DMAs umfassen im Allgemeinen Spannvorrichtungen,
welche die Probe in einer von einer Vielzahl von Testkonfigurationen
halten; einen Antrieb, welcher eine periodische Last auf die Probe
aufbringt; ein Mittel zum Messen des Versatzes der Probe als eine
Funktion der aufgebrachten Last; eine Probenkammer, um die Probe
zu heizen, zu kühlen und
zu schützen;
ein Steuersystem, um die Last aufzubringen und die Temperatur zu
regeln; und ein Datenaufnahmesystem, zum Aufnehmen der Messungen.
-
Die Spannvorrichtungen umfassen Klammern,
welche die Probe halten. Wenigstens eine der Klammern ist im Hinblick
auf wenigstens eine andere Klammer bewegbar, so dass die Probe verformt
werden kann. Die bewegbare Klammer (Klammern) ist (sind) an das
Antriebssystem angeschlossen, welches die Probe um einen vorbestimmten
Versatz bewegen kann oder eine Last einer vorbestimmten Größe und Richtung
aufbringen kann. DMAs verformen Proben in einer Vielzahl von Modi,
durch Verwenden von austauschbaren Spannvorrichtungen. Typische unterschiedliche
Verformungsmodi umfassen Biegungs-, Zug-, Druck- und Schermodi.
-
In DMAs variiert der Versatz, welcher
auf die Probe aufgebracht wird, periodisch, gewöhnlicherweise sinusförmig. Die
Oszillationsfrequenz reicht typischerweise von 0,001 Hz bis 100
Hz oder darüber. Die
Kraft, welche erforderlich ist, um diesen Versatz zu verursachen,
wird zusammen mit dem Versatz und der Phasenbeziehung zwischen der
Last und dem Versatz aufgenommen.
-
Die Probe und die Spannvorrichtungen
sind innerhalb einer temperaturgesteuerten Probenkammer eingeschlossen,
welche die Probe und die Spannvorrichtungen auf Temperaturen oberhalb
der normalen Umgebungstemperatur aufheizen kann oder die Probe und
die Spannvorrichtungen auf Temperaturen unterhalb der normalen Umgebungstemperatur
kühlen
kann. Die Temperatur wird im Allgemeinen dynamisch variiert, zum
Beispiel bei einer konstanten Aufheiz- oder Abkühlrate.
-
Die Steifigkeit und die Dämpfung der
Probe werden dann als eine Funktion der Temperatur aus der Kraft,
dem Versatz und den Phasendaten berechnet, bei Verwendung sehr bekannter
mathematischer Beziehungen, welche die aufgebrachte Last unterteilt,
in die Komponenten infolge der Bewegung des mechanischen Systems
und die Komponenten infolge der Verformung der Probe. Die Phasenbeziehung zwischen
der Kraft, welche auf die Probe aufgebracht wird, und des daraus
resultierenden Versatzes erlaubt, dass die Komponente der Probenverformungskraft
weiter unterteilt werden kann, in eine elastische Komponente und
eine viskose Komponente. Die elastischen und viskosen Komponenten
werden verwendet, um den Elastizitätsmodul und die Dämpfung zu
bestimmen, durch die Verwendung von Modellgleichungen für die einzelne
Probengeometrie und den Deformationsmodus. Diese Gleichungen sind
in der Technik sehr bekannt, zum Beispiel Theory of Elasticity,
S. P. Timoshenko and J. N. Goodier, McGraw-Hill (3rd ed. 1970).
-
Thermisch
mechanische Analyse
-
Die thermisch mechanische Analyse
ist eine Technik zum Messen der linearen oder volumetrischen Änderungen
in den Abmessungen einer Probe als eine Funktion der Zeit, der Temperatur
oder der Kraft. Der Koeffizient der thermischen Expansion, die Viskosität, die Gelierzeit
und -temperatur, die Vitrifizierungstemperatur und andere Eigenschaften
der Probe können
aus diesen Daten bestimmt werden. Zudem können physikalische Umwandlungen
einer Probe studiert werden, durch Analysieren der Aufzeichnung
der Belastung und der Deformation als eine Funktion der Zeit. Die
TMA kann verwendet werden, um die Eigenschaften derselben großen Vielfalt der
Werkstoffe zu bestimmen, welche durch Verwendung von der DMA analysiert
werden können.
Eine typische TMA gemäß des Standes
der Technik ist in dem US-Patent mit der Nummer 4,019,365, erteilt
für Woo,
beschrieben.
-
Thermisch mechanische Analysevorrichtungen
sind DMAs ähnlich,
indem eine Probe durch einen Satz von Spannvorrichtungen gehalten
wird, eine Last durch ein Antriebssystem aufgebracht wird, die aufgebrachte
Last und der nachfolgende Versatz der Probe gemessen und aufgenommen
werden, wobei die Probe und die Spannvorrichtungen geheizt oder
gekühlt
werden, mit gesteuerten Aufheiz- oder Abkühlraten. Ebenso wie die DMA
verwendet die TMA einen Satz von untereinander austauschbaren Spannvorrichtungen,
um in einer Vielfalt von unterschiedlichen Deformationsmodi auf
die Probe einzuwirken, umfassend Biegungs-, Zug-, Scher- und Druckmodi.
Abweichend zu der DMA variiert jedoch die Last, welche auf die Probe
aufgebracht wird, bei der TMA nicht periodisch mit der Zeit.
-
Weil die DMA und die TMA viele Komponenten
gemeinsam aufweisen, können
einige Instrumente, umfassend die vorliegende Erfindung, beide Typen
von Analysen ausführen.
Der Begriff „mechanische
Analysevorrichtung" wird
nachfolgend verwendet, um auf dynamisch mechanische Analysevorrichtungen
oder thermisch mechanische Analysevorrichtungen oder beides, dynamisch
und thermisch mechanische Analysevorrichtungen, Bezug zu nehmen, oder
auf Instrumente, welche für
beides verwendet werden können,
dynamische und thermisch mechanische Analysen.
-
Das Antriebssystem
-
Das Antriebssystem von einer DMA/TMA
besteht aus einem Führungsmechanismus,
einem Motor und einem Versatzsensor.
-
Der Führungsmechanismus muss sicherstellen,
dass der Antrieb linear ist, muss den gewünschten Bereich an Bewegung
zulassen und muss hochgradig reproduzierbar sein. Führungsmechanismen verwenden
entweder Lager oder elastische Biegungseinrichtungen (Flexures,
Festkörpergelenke), um
den Antrieb zu führen.
Zwei Typen an Lagern sind im Stand der Technik verwendet worden,
Luftlager und Edelsteinlager. Luftlager weisen eine wesentlich geringere
Reibung als Edelsteinlager auf, aber haben typischerweise ein viel
größeres Gewicht
und sind teurer. Wegen ihrer größeren Reibung
können Systeme,
welche Edelsteinlager verwenden, nicht so gut kalibriert werden
und weisen dementsprechend eine reduzierte Kraftauflösung auf.
Sie können
nicht für
Proben mit sehr geringer Steifigkeit verwendet werden und weisen
eine reduzierte Genauigkeit auf (weil sie nicht so gut kalibriert
werden können),
wenn sie mit Proben mit einer größeren Steifigkeit
betrieben werden. Führungsmechanismen,
welche elastische Biegungseinrichtungen/Flexures verwenden, können die
Eigenschaften von Proben mit geringer Steifigkeit nicht genau messen
und weisen einen begrenzten Bereich der Bewegung auf (typischerweise in
der Größe von 1
mm oder weniger).
-
Die Motoren, welche typischerweise
für die DMA/TMA-Systeme
verwendet werden, sind Linearmotoren mit Permanentmagneten. Diese
Motoren umfassen einen feststehenden Permanentmagneten und einen
sich bewegenden Spulenaufbau. Die Feldstärke der Permanentmagneten vermindert
sich mit zunehmender Temperatur. Somit reduzieren Änderungen
in der Temperatur der Magneten, ausgehend von der Wärmeerzeugung
in dem sich bewegenden Spulenaufbau, die Kraftausgabe des Motors.
Dies verursacht Fehler in der Messung der Kraft, welche auf die
Probe aufgebracht wird. Zudem üben
die flexiblen Leitungen, welche den elektrischen Strom zu dem sich
bewegenden Spulenaufbau zuführen,
eine Kraft aus, welche Fehler in der Versatzmessung verursachen
können.
Beste Ergebnisse werden erzielt bei Verwendung sehr flexibler Leitungen,
welche die geringste Kraft ausüben.
-
Die DMAs und TMAs gemäß des Standes der
Technik haben linear variable Differentialtransformer („LVDTs") und Wirbelstrom-Messgrößenumformer
(Transducer) als Versatz-Messgrößenumformer verwendet,
um den Versatz des Antriebssystem zu messen. Die LVDTs weisen den
Nachteil auf, dass die Auflösung
umgekehrt proportional zu dem Messungshub ist, so dass die größte Genauigkeit
mit dem kürzesten
Hub erzielt wird. Magnetische Streufelder aus der DMA- oder TMA-Elektronik,
dem Antriebsmotor und dem Ofen können
Fehler in der Versatzmessung verursachen. Diese Empfindlichkeit
gegenüber
magnetischen Feldern und der begrenzte Bereich des Versatzes für eine hohe
Genauigkeit stellen die Hauptnachteile für Systeme dar, welche LVDT
verwenden.
-
Wirbelstrom-Messgrößenumformer
mit einer einzigen Spule sind sehr nichtlinear und erfordern daher
eine sehr vorsichtige Linearisierung für Versatzauslesungen. Wirbelstrom-Messgrößenumformer
mit zwei Spulen sind vernünftig
linear, aber sie erfordern Zugriff auf beide Seiten des leitenden
Zielmaterials und sind daher mechanisch komplizierter.
-
Der Versatz-Messgrößenumformer
kann durch unwesentliche Bewegungen des Antriebrahmens beeinflusst
werden, welches der feststehende Teil des Instruments ist. Es gibt
zwei prinzipielle Ursachen dieser unwesentlichen Bewegungen: Differentielle
thermische Expansion und Trägervibrationseffekte
aufgrund der Bewegung des Antriebsrahmens. Thermische Expansionseffekte
treten über
einer langen Zeitperiode auf, verglichen mit der Oszillationsfrequenz,
und führen
im Allgemeinen zu einer Langzeitabweichung in der Positionsmessung.
Trägereffekte
lassen zu, dass der Rahmen mit der Antriebsfrequenz vibriert. Weil
sich der Versatz-Messgrößenumformer
auf dem Rahmen befindet, stört
die Rahmenbewegung den gemessenen Versatz. Die Phase der Rahmenbewegung
variiert von phasengleich bis 180 Grad phasenversetzt, in Abhängigkeit
von der Antriebsfrequenz, der natürlichen Frequenz der Probe
und der natürlichen
Frequenz des Trägers.
Das Ergebnis ist, dass der Versatz der Probe leicht kleiner oder
leicht größer als
der gemessene Versatz sein kann. Somit, wenn der Bereich der Antriebskraft,
welcher dem Merkmal der Beschleunigung des bewegenden Teils des
Instrumentes zugeordnet ist, berechnet wird, wird er größer oder
kleiner sein, mit dem Ergebnis, dass die Probeneigenschaften fehlerhaft
sein werden.
-
Wenn sich die Antriebsfrequenz in
Resonanz mit einer natürlichen
Frequenz des mechanischen Systems befindet, sind die Trägervibrationseffekte besonders
störend.
Sie produzieren eine Spitze in den Probeneigenschaften, welche fehlerhaft
als eine physikalische Umwandlung in der Probe interpretiert werden
kann. Somit muss das Instrument derart ausgelegt sein, dass es Beides
in Berechnung zieht, Versatzfehler aufgrund thermischer Expansion
und aufgrund der Vibration des Trägers, um eine maximale Genauigkeit
zu erreichen.
-
Die Probenkammer
-
Die Probenkammer heizt oder kühlt die
Probe und stellt eine schützende
Atmosphäre
zur Verfügung,
um eine Probenverschlechterung zu verhindern. Widerstandsheizelemente
können
innerhalb des Probengehäuses
positioniert sein, welche die Probe und ihre Spannvorrichtungen
direkt aufheizen, oder sie können
außerhalb
des Probengehäuses
positioniert sein, und Luft aufheizen, welche durch das Probengehäuse durch
einen Lüfter
durchgeführt wird.
-
Die Probe und die Spannvorrichtungen
werden gekühlt
durch Einführen
einer Tiefsttemperaturflüssigkeit
oder eines Tiefsttemperaturgases, im Allgemeinen Stickstoff, in
die Probenkammer hinein. Wenn das Kühlmedium ein Gas ist, wird
das flüssige Cryogen
außerhalb
der Probenkammer verdampft, und das kalte Gas wird in die Probenkammer übertragen.
Wenn das Kühlmedium
eine Flüssigkeit
ist, wird das flüssige
Cryogen in die Probenkammer übertragen,
wo es verdampft und die Probe und ihre Spannvorrichtungen kühlt. Weil
die Verdampfung einer cryogenen Flüssigkeit eine große Menge
an Energie absorbiert, ist eine viel größere Kühlwirkung verfügbar, wenn
die Verdampfung des Cryogens innerhalb der Probenkammer verwendet
wird, was zu einem viel niedrigeren Verbrauch an Cryogen führt. Unglücklicherweise
ist der Unterschied der Temperatur zwischen der Flüssigkeit
und dem Gas so groß,
dass der Verdampfungsprozess große Temperaturvariationen innerhalb
der Probenkammer verursachen kann, was wiederum große und unregelmäßige Variationen
der Probentemperatur verursachen kann.
-
Weil DMAs oft bei Temperaturen betrieben werden,
welche deutlich unterhalb der Raumtemperatur liegen, kann eine Kondensation
von atmosphärischer
Feuchtigkeit innerhalb der Probenkammer auftreten. In den meisten
Fällen
wird der Probenbereich mit einem trockenen Gas ausgeblasen, um zu verhindern,
dass diese Feuchtigkeit die Probe kontaminiert. Aktuelle DMAs verwenden
faserige thermische Isolationen, um die niedrige oder hohe Temperatur
des Probenbereichs aufrecht zu erhalten. Obwohl dies ein sehr wirkungsvoller
thermischer Isolator ist, absorbiert er ebenso sehr leicht Feuchtigkeit
aus der atmosphärischen
Kondensation. Wenn die Probenkammer gekühlt wird, friert diese Feuchtigkeit, was
Eis ausbildet, welches die Effektivität der Isolation reduziert.
Danach, wenn die DMA aufgeheizt wird, schmilzt das Eis und kann
in den Probenbereich tropfen und kann die Probe kontaminieren.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung ist eine
mechanische Analysevorrichtung, welche entweder für dynamische
mechanische Analyse oder thermische mechanische Analyse verwendet
werden kann. Die mechanische Analysevorrichtung verwendet einen
Linearmotor, umfassend einen Permanentmagneten und eine sich bewegende
Spule. Der Linearmotor treibt einen Schlitten an, welcher durch
zwei Sätze
von Luftlagern innerhalb eines kastenartigen Rahmens geführt wird.
Wenigstens ein Segment einer Probe ist auf eine bewegbare Probenspannvorrichtung
geklammert/geklemmt, welche steif an dem Schlitten angeschlossen
ist, und wenigstens ein anderes Segment der Probe ist steif an einem
feststehenden Rahmen angeschlossen. Die Probenspannvorrichtung 15 ist
innerhalb der Probenzone 21 positioniert. Die Probenzone 21 wird
durch einen Aufheiz- und Kühlaufbau,
welcher nachfolgend beschrieben wird, umschlossen.
-
Der Begriff Luftlager, welcher in
dem Abschnitt der Zusammenfassung der Erfindung und in dem Abschnitt
der detaillierten Beschreibung der Erfindung dieser Beschreibung
verwendet wird, sowie in den Ansprüchen, ist nicht auf Lager beschränkt, welche
Luft als das Gas in dem Lager verwenden. Wie in der Technik bekannt
ist, können
andere Gase, umfassend Stickstoff, in Luftlagern verwendet werden.
Dementsprechend soll der Ausdruck „Luftlager" jeden Typ von Lager bedeuten, welcher
ein Gas, wie zum Beispiel Luft, Sauerstoff oder irgendein anderes Gas,
verwendet, um eine Unterstützung
für eine Oberfläche zur
Verfügung
zu stellen.
-
Ein optischer Positions-Messgrößenumformer,
umfassend ein Beugungsgitter, welches an dem Schlitten montiert
ist, und eine Lichtquelle und ein Fotodetektorsystem, welche an
dem Rahmen montiert sind, wird verwendet, um die Position des Schlittens zu
messen. Ein Lichtstrahl, welcher durch die Lichtquelle ausgesendet
wird, wird durch das Beugungsgitter reflektiert. Der reflektierte
Strahl wird auf einem Fotodetektorsystem fokussiert, welches zwei
Quadraturausgabesignale produziert. Die zwei Quadraturausgabesignale
werden in 8 Bit digitale Signale umgewandelt, durch Analog-/Digital-Wandler.
Diese zwei 8 Bit digitalen Signale werden dann einem Verweis-EPROM
(lookup EPROM) zugeführt,
wo sie in digitale Signale von 10 Bit Winkeln und 6 Bit Größen für die nachfolgende
digitale Signalverarbeitung umgewandelt werden.
-
Ein digitaler Signalprozessor liest
die Positionen des Schlittens aus, wobei er ein 10 Bit digitalen Signals
verwendet. Ein Satz von zehn sequentiellen Werten wird verarbeitet,
durch Aufsummieren der zehn Werte, durch Nachschlagen/Nachlesen
der Sinus- und Kosinuswerte des Antriebssignals und durch darauf
folgendes Positionieren der Sinus-, Kosinus- und Positionssummen
in eine kreisförmige Warteschlange
für ein
Dualport-RAM. Ein Mikroprozessor liest diese Werte aus der Warteschlange
des Dualport-RAM aus, und verwendet die berechneten Datenpunkte
jede Sekunde zweifach. Die berechneten Daten umfassen eine Mittelwertposition
und eine Einzelpunkt-Fourier-Transformation dieser Position. Die
Ergebnisse der Fourier-Transformation sind die Größe der Probenoszillation
und die Phase relativ zu dem Antriebssignal.
-
Die Fourier-Transformation verarbeitet
ebenso die Positionsauslesungen, um die Größe und Phase der Probenoszillation
zu berechnen. Dieses Verfahren ist ein wenig komplizierter, weil
es die Multiplizierung von jedem 10-Punkt-Mittelwert mit einem Sinus-
und einem Kosinuswert beinhaltet, vor dem Aufsummieren der Ergebnisse,
und dann das Finden der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate
für die Größe und die
Kreisbogen-Tangente des Verhältnisses
für die
Phase.
-
Die gemessene Größe der Oszillation der Probe
und die Phase dieser Oszillation relativ zu der Antriebskraft, welche
auf die Probe aufgebracht wird, zusammen mit der Oszillations-Antriebskraft,
welche auf die Probe aufgebracht wird, werden dann verwendet, um
den Speichermodul (storage modulus) und den Dämpfungsmodul (loss modulus)
der Probe zu berechnen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
-
Die 1 ist
schematisch eine perspektivische schematische mit Ausschnitten versehene
Ansicht der vorliegenden Erfindung.
-
Die 2 ist
eine schematische, vertikale, quergeschnittene Darstellung des Antriebssystems der
vorliegenden Erfindung.
-
Die 3 ist
eine schematische, horizontale, quergeschnittene Darstellung des
Rahmenaufbaus.
-
Die 4 ist
eine schematische, vertikale, quergeschnittene Darstellung des Ofenaufbaus.
-
Die 5 ist
eine schematische, horizontale, quergeschnittene Darstellung des
Probengehäuses.
-
Die 6 ist
eine schematische, vertikale, quergeschnittene Darstellung des Motoraufbaus.
-
Die 7 ist
eine schematische Darstellung der Leitungskabel des sich bewegenden
Spulenaufbaus.
-
Die 8 ist
eine schematische Darstellung einer Proben-Klammerbefestigung eines
Zugmodus.
-
Die 9 ist
eine schematische Darstellung einer Proben-Klammerbefestigung des
Modus mit zwei Cantilever-Biegeeinrichtungen.
-
Die 10 ist
eine schematische Darstellung einer Proben-Klammerbefestigung des
Modus mit einer 3-Punkt-Biegeeinrichtung.
-
Die 11 ist
eine schematische Darstellung einer Klammerbefestigung eines Druckmodus.
-
Die 12 ist
eine schematische Darstellung einer Klammerbefestigung eines Schermodus.
-
Die 13A ist
eine schematische Darstellung der optischen Komponenten der optischen
Codiereinrichtung (optischer Codierer).
-
Die 13B ist
ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Signalverarbeitung
des optischen Codierers.
-
Die 13C und 13D sind schematische Diagramme,
welche zeigen, wie die digitalen Signale innerhalb des digitalen
Signalprozessors und des Instrumenten-Mikroprozessors verarbeitet werden.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung wird in
dieser Beschreibung in Ausdrücken
einer einzelnen spezifischen vorzuziehenden Ausführung der Erfindung beschrieben.
Der Fachmann kann jedoch leicht die Erfindung ausführen, wobei
er Variationen oder Modifikationen der in dieser Beschreibung dargelegten Ausführung verwendet.
-
Gesamtbeschreibung
-
Die 1 ist
eine Gesamtansicht der vorliegenden Erfindung, welche einen Rahmen 1 zeigt,
der Luftlager 3 trägt,
welche den Schlitten 8 führen. Das Beugungsgitter 9 ist
an dem Schlitten montiert. Der optische Messgrößenumformer 10, welcher
optische Signale liest, die von dem Beugungsgitter 9 reflektiert werden,
ist an den Rahmen 1 angeschlossen. Der Motoraufbau 11 umfasst
den Permanentmagnetenaufbau 12, welcher an den Rahmen 1 angeschlossen ist,
und den sich bewegenden Spulenaufbau 13, welcher an den
Boden des Schlittens 8 angeschlossen ist. Die Antriebsstange 14 verbindet
den Schlitten 8 mit dem sich bewegenden Teil der Proben-Spannvorrichtung 15.
Der sich nicht bewegende Teil der Proben-Spannvorrichtung wird durch
die Pfosten 16 getragen.
-
Die 2 ist
eine vertikale quergeschnittene Ansicht, welche entlang der Mittelebene
des Antriebsaufbaus aufgenommen ist. Die kastenförmige Rahmenstruktur 1 weist
Höheneinstellungsschrauben 2 auf,
welche an acht Positionen montiert sind, vier obere Einstellungsschrauben
und vier untere Einstellungsschrauben. Alle vier oberen Einstellungsschrauben
weisen ihre Mittellinien in einer gemeinsamen oberen horizontalen
Ebene auf, und jede der vier unteren Einstellungsschrauben weisen
ihre Mittellinien in einer gemeinsamen horizontalen Ebene auf. Es
gibt eine obere und eine untere horizontale Schraube auf jeder Seite
des kastenartigen Rahmens 1. Die vier oberen Einstellungsschrauben
tragen vier Luftlager 3u der oberen Ebene, und die vier unteren
Einstellungsschrauben tragen vier Luftlager 3l der unteren
Ebene.
-
Das Ende 4 von jeder Einstellungsschraube 2 ist
sphärisch
und greift in einen entsprechenden konischen Hohlraum 5 in
dem entsprechenden Luftlager ein. Das sphärische Ende 4 und
der konische Hohlraum 5 ermöglichen, dass die Luftlager 3u und 3l über dem
Ende der Einstellungsschrauben 2 gedreht werden, was zulässt, dass
sich die Luftlager selbst gegen die Oberfläche des Schlittens 8 ausrichten.
Die Luftlager 3u und 3l sind daran gehindert,
sich über
der Achse der Einstellungsschrauben 2 zu drehen, durch
die Positionierungsstifte 6, welche in dem Rahmen benachbart
zu jeder der Einstellungsschrauben 2 installiert sind.
Jeder Positionierungsstift greift in eine entsprechende Bohrung 7 in
dem entsprechenden Luftlager 3 ein. Die Bohrungen sind größer als
die Stifte 6, so dass die Stifte nicht die Ausrichtung
der Lager gegen die Oberfläche
des Schlittens 8 einschränken.
-
Die Luftlager 3 umschließen den
Führungsschlitten 8.
Der Schlitten 8 ist ebenso kastenförmig, mit einem rechteckigen
Querschnitt senkrecht zu der Antriebsrichtung. Die Luftlager 3 führen den
Schlitten 8 auf den vier Ebenen auf den vier Seiten des
Schlittens 8, wobei ein oberes Luftlager 3u und
ein unteres Luftlager 3l jede der vier Ebenen berühren. Die
acht Luftlager 3 sind derart angeordnet, dass sie den Schlitten
so einzwängen,
dass er nur einen Freiheitsgrad aufweist, nämlich entlang seiner Längsachse. Somit
stellen die Luftlager 8 eine Führung mit sehr geringer Reibung
für den
Schlitten 8 zur Verfügung, über einen
relativ langen, zum Beispiel 25 Millimeter langen, Hub.
-
Die vorliegende Erfindung wird in
Ausdrücken
einer Ausführung
beschrieben, welche zwei Sätze
von vier Luftlagern verwendet, um einen kastenförmigen Schlitten zu führen. Es
können
jedoch andere Typen von Luftlager und Schlitten ebenso verwendet
werden. Zum Beispiel können
zwei kreisförmige
Luftlager verwendet werden, oder ein einziges zylindrisches Luftlager
kann verwendet werden, in Verbindung mit einem zylindrischen Schlitten,
oder zwei Sätze
von sechs Luftlagern können
verwendet werden, in Verbindung mit einem sechseckigen Schlitten.
Wenn ein zylindrischer Schlitten verwendet wird, wird man einen
Schlitz-und-Keil-Mechanismus verwenden müssen, um zu verhindern, dass
sich der Schlitten innerhalb des Lagers dreht. Elliptische Luftlager
können
ebenso in Verbindung mit einem elliptischen Schlitten verwendet
werden.
-
Ein Beugungsgitter 9 mit
hochgenauer und sehr dicht zueinander mit Abstand angeordneter Linierung
ist an dem Schlitten montiert, so dass es sich mit dem Schlitten
bewegt. Ein optischer Codierer 10, zum Beispiel ein Heidenhain-Modell
mit der Nummer LIF101 Codierer, welcher durch die Heidenhain-Corporation,
Schaumburg, Illinois, vertrieben wird, ist an dem Rahmen montiert
(siehe die 13A, welche nachfolgend
diskutiert wird).
-
Die Intensität des Strahls, welcher auf
das Fotodetektorsystem auffällt,
wird durch das Beugungsgitter moduliert, wenn es sich zusammen mit dem
Schlitten bewegt. Die Ausgabe des Fotodetektorsystems besteht dementsprechend
aus einer Serie von Pulsen. Das Zählen der Anzahl der Pulse, wenn
sich der Schlitten 8 bewegt, stellt die Distanz zur Verfügung, um
welche sich der Schlitten bewegt hat. Somit ist der optische Codierer 10 ein
Relativpositions-Erfassungssystem, welches die Positionsänderungen
des Schlittens 8 durch Zählen der Pulse misst, die produziert
werden, wenn der Strahl weg von dem Beugungsgitter 9 reflektiert
wird, wenn sich der Schlitten 8 von einer Position in eine
andere bewegt. Das elektronische System, welches den optischen Codierer
unterstützt,
behält
die Abfolge/Spur der gezählten
Pulse, um eine Absolutpositionsmessung zur Verfügung zu stellen.
-
Der Linearmotor 11 umfasst
im wesentlichen einen Permanentmagneten 12 und einen sich
bewegenden Spulenaufbau 13. Der sich bewegende Spulenaufbau 13 ist
feststehend an das untere Ende des Schlittens 8 angeschlossen,
und der Permanentmagnet 12 ist an den Rahmen 1 angeschlossen.
Ein direkter Strom, welcher an den sich bewegenden Spulenaufbau 13 angelegt
ist, verursacht, dass der sich bewegende Spulenaufbau 13 eine
Kraft auf den Schlitten 8 aufbringt, welche proportional
zu dem Strom ist, mit einer Richtung, welche der Polarität des Stroms
entspricht.
-
Die Antriebsstange 14 ist
an ihrem unteren Ende an das obere Ende des Schlittens 8 angeschlossen
und an ihrem oberen Ende an den sich bewegenden Teil der Proben-Spannvorrichtung 15.
Der sich nicht bewegende Teil der Proben-Spannvorrichtung ist an die vier Tragpfosten 16 angeschlossen, welche
die Antriebsstange 14 umschließen. Diese Pfosten sind wiederum
an der thermischen Kompensationsplatte 19 (welche weiter
unten beschrieben wird) angeschlossen, welche an das obere Ende
des Rahmens 1 angeschlossen ist. Die Probe ist zwischen
dem sich bewegenden und dem sich nicht bewegenden Teil der Spannvorrichtung
montiert.
-
Die Antriebsstange 14, die
Proben-Spannvorrichtung 15 und die Tragstruktur für den befestigten
Klammeraufbau (zum Beispiel die Tragpfosten 16 in den 1 und 2) sind vorzugsweise aus einem rostfreien
Stahl für
die DMA und aus Quarz für
die TMA hergestellt.
-
Im Betrieb, wenn ein Gleichstrom
durch die Windungen des sich bewegenden Spulenaufbaus 13 fließt, bringt
der sich bewegende Spulenaufbau 13 eine Kraft auf den Schlitten 8 auf.
Die Kraft wird auf die Probe durch die Antriebsstange 14,
durch den sich bewegenden Teil der Proben-Klammervorrichtung 14 auf
die Probe übertragen.
Die Probe wird durch die Bewegung der sich bewegenden Klammer verformt,
und der daraus resultierende Versatz wird durch den optischen Codierer 10 gemessen.
-
Temperaturkompensation
-
Um jegliche Fehler zu minimieren,
die durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Komponenten
des Antriebsaufbaus verursacht werden, wird der Antriebsrahmen auf
eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur aufgeheizt und
auf dieser Temperatur gehalten, durch ein Temperaturregulierungssystem.
Der Temperaturanstieg ist relativ groß, so dass die Temperatur des
Antriebsrahmens geregelt werden kann, trotz der Wärme, welche
innerhalb des Instruments erzeugt wird, oder durch Steigerungen
in der umgebenden Temperatur. Ein Widerstandsheizelement 17 ist
montiert an und umschließt
einen Bereich des Antriebsrahmens nahe des oberen Endes, und ein
zweites identisches Heizelement 18 ist montiert an und
umschließt
einen Bereich des Antriebsrahmens nahe dem unteren Ende. Temperatursensoren,
welche an dem Rahmen montiert sind, führen die Rahmentemperatur einer
Leistungssteuervorrichtung zu, welche den Heizstrom zu den Heizvorrichtungen 17 und 18 derart
reguliert, dass eine konstante Rahmentemperatur beibehalten wird.
Am oberen Ende des Antriebsrahmens ist die thermische Kompensationsplatte 19 an
dem Rahmen angeschlossen und schließt den Rahmen am oberen Ende
ab. Die thermische Kompensationsplatte 19 ist eine dicke,
thermisch hochleitende Metallplatte, welche sicherstellt, dass der
Rahmen und die Instrumentenkomponenten innerhalb des Rahmens ein
geschlossenes isothermisches System sind, so dass der Schlitten
und die Luftlager auf derselben Temperatur gehalten werden wie der
Rahmen.
-
Vibrationsisolation
-
Um zu verhindern, dass die dynamische
Bewegung der Antriebsträger
und Vibrationen auf der Montageoberfläche des Instruments die Versatzmessung beeinflussen,
ist der Rahmenaufbau auf elasthomerischen Vibrationsisolationslagern 20 montiert. Die
Frequenzen der Tragresonanzen aufgrund des Schrankes, in welchem
der Antriebsaufbau montiert ist, oder aufgrund der Werkbänke, auf
welchen das Instrument angeordnet ist, wurden typischerweise zu ungefähr 100 Hz
bestimmt. Dementsprechend sind die Eigenschaften des Isolators derart
ausgewählt worden,
dass die Eigenfrequenz des Antriebsaufbaus auf den Isolatoren deutlich
unterhalb von 100 Hz liegt, um eine effektive Isolation des Antriebsaufbaus
von dem Schrank und den Werkbänken
zu erreichen. Jede Bewegung des Antriebsaufbaus auf den Isolatoren
beeinflusst jedoch die Versatzmessung dadurch, dass sie zulässt, dass
sich der Rahmenaufbau unter der Wirkung der Antriebskraft bewegt.
Weil das Verhalten des Isolatorsystems sehr reproduzierbar ist,
kann es durch die Kalibrierung des Instruments kompensiert werden.
-
Luftlager-Unterstützung
-
Die 3 ist
ein horizontaler Querschnitt durch den Antriebsaufbau, aufgenommen
in einer Ebene der Einstellschrauben. Die Einstellschrauben 2 sind
in dem Rahmen 1 montiert, eine nach der anderen auf den
vier Seiten des Rahmens. Jede Einstellschraube 2 trägt und positioniert
ein Luftlager 3. Ein Positionierungsstift 6 ist
in dem Rahmen benachbart zu jeder der Einstellschrauben montiert
und verhindert, dass sich die Luftlager über der Achse der Einstellschraube
drehen. Die Luftlager 3 ermöglichen, dass sich der Schlitten 8 nur
entlang seiner Längsachse
bewegt.
-
Aufheiz- und
Abkühlaufbauten
-
Die 6 ist
ein vertikaler Querschnitt durch die Mittellinie der Probenkammer.
Die Probenzone 21 ist durch einen Heizaufbau 22 umschlossen,
welcher ein Widerstandsheizelement 23 umfasst, welches
in einer Spirale um acht keramische Isolatorstangen 24 herumgewunden
ist. Die Isolatorstangen sind an jedem ihrer Enden an Ringe 25 angeschlossen,
wodurch sie einen käfigartigen
Heizaufbau bilden. Ein elektrischer Strom, welcher durch das Heizelement 23 fließt, erzeugt
Wärme durch
Joulesche Aufheizung. Die Wärme
wird durch Strahlung, Leitung oder Konvektion in die Probenzone übertragen.
-
Der Heizaufbau 22 ist umschlossen
durch einen Kühlmantel 26.
Der Kühlmantel 26 umfasst
einen inneren Zylinder 27 und einen äußeren Zylinder 28 – wobei
der innere und der äußere Zylinder
an ihren Enden verbunden sind, um einen ringförmigen Hohlraum auszubilden.
Der ringförmige
Hohlraum ist in eine obere Kammer 29 und eine untere Kammer 30 durch
eine Teileinrichtung 31 unterteilt. Die Teileinrichtung 31 ist
durch eine Reihe von Bohrungen perforiert, welche gleichförmig über ihren
mittleren Umfang verteilt sind. Ein Kühlgas wird in die untere Kammer 30 durch
die Gaszufuhrröhre 33 zugeführt, welches
durch das Verbindungsstück 34 zugeführt wird. Das
Gas strömt
von der unteren Kammer in die obere Kammer durch die Bohrungen in
der Teileinrichtung. Das Kühlgas
strömt
nach oben in die obere Kammer 29 des Kühlmantels 26, wobei
es die Probenkammer kühlt.
Ein kleiner Bruchteil des Kühlgases
wird in die Probenkammer hinein entladen, durch eine Reihe von kleinen
(im Bereich von 0,0889 cm2 (0,035 Square
Inches) bis 0,1524 cm2 (0,060 Square Inches),
vorzugsweise 0,1092 cm2 (0,043 Square Inches)
liegenden) Bohrungen 35 durch die innere Wand des Kühlmantels.
Dieser kleine Bruchteil des Kühlgases
stellt sicher, dass die Kammerumgebung angemessen gekühlt wird
und stellt eine gleichförmige
Temperatur sicher, aber er ist klein genug, dass er keine Widerstandskraft
auf dünne
Proben ausübt. Der
verbleibende Rest des Kühlgases
strömt
weiter nach oben durch die obere Kammer des Kühlmantels und tritt aus dem
Kühlmantel
durch eine Reihe von großen
Bohrungen 36 aus, welche mit gleichmäßigem Abstand um die äußere Wand
des äußeren Zylinders 28 herum
angeordnet sind.
-
Der Kühlmantel 26 ist durch
eine Spule aus dünnem
rostfreiem Blech 37 isoliert. Die Stärke des rostfreien Bleches
beträgt
vorzugsweise 0,05 mm, aber sie kann variieren von 0,025 mm bis 0,12
mm (0,002 Inches in der Dicke, aber diese kann variieren von 0,001
Inches bis 0,005). Das rostfreie Blech 37 ist um den Kühlmantel 26 herum
in einer spiralförmigen
Art gewunden. Bei einigen Anwendungen kann ein anderer Werkstoff
als rostfreier Stahl verwendet werden. Der Werkstoff muss reflektierend
sein, und er muss anderweitig geeignet für den beabsichtigten Temperaturbereich
sein. Beispielsweise, wenn das Instrument nicht bei relativ hohen
Temperaturen verwendet werden soll, kann das Blech ein Aluminiumblech
sein. Wenn das Instrument nur für
einen Betrieb bei niedriger Temperatur verwendet werden soll, kann
eine Platte aus metallisiertem Mylar verwendet werden. Die Platte 37,
zum Beispiel eine 12,7 cm (5'') hohe, 3,048 m (10
Fuß) lange
Platte, bildet zum Beispiel fünfzehn
Schichten, welche durch kleine Vorsprünge (im Bereich von 0,05 cm
(0,02'') bis 0,32 cm (0,125''), vorzugsweise 0,09 cm (0,035'') in der Höhe) getrennt sind, bei einer
Dichte von näherungsweise 0,077
cm–2 (0,5
per square inch) bis 0,31 cm–2 (2 per square inch),
vorzugsweise 0,155 cm–2 (1 per square inch),
wobei die Vorsprünge
in dem rostfreien Blech durch Stanzen ausgebildet sind. In einer
Ausführung der
vorliegenden Erfindung sind die Vorsprünge entlang einer vertikalen
geraden Linie vorgesehen, aber der Abstand zwischen zwei aufeinander
abfolgenden geraden Linien von Vorsprüngen ist vorzugsweise zufällig, so
dass ein verschachteltes Eingreifen eines Satzes von Vorsprüngen in
die Vertiefungen, welche durch die Vorsprünge eines benachbarten Bleches ausgebildet
werden, nicht auftreten kann, mit Ausnahme in isolierten Fällen.
-
Das rostfreie Blech 37 isoliert
den Kühlmantel 26 durch
Verhindern eines Wärmeaustauschs durch
Strahlung und durch Eliminieren von Konvektion in den Gasräumen zwischen
den Schichten. Es beschränkt
die Wärmeübertragung
auf Leitung durch das Gas. Weil Gase sehr schlechte thermische Leiter sind,
ist die Wärmeübertragung
von der Umgebung auf den Kühlmantel
sehr klein. Der Abstand der Schichten muss klein genug gehalten
werden, so dass sich eine Konvektion nicht in den Räumen zwischen
den Schichten entwickeln kann. Wenn der Raum zu groß ist, wird
eine Wärmekonvektion
auftreten, und die Wärmeübertragungsrate
durch das Gas wird dramatisch ansteigen – auf das 10- fache oder mehr.
Wenn der Raum zu klein ist, müsste
zu viel rostfreies Blech verwendet werden.
-
Die Enden des Probengehäuses sind
auf ähnliche
Weise isoliert. Scheiben aus dünnem
(0,012 cm bis 0,038 cm (0,005 bis 0,15 inches) dickem) rostfreiem
Stahl sind gestapelt, um ein mehrschichtiges metallisches Isolationssystem
zu bilden. An dem oberen Ende sind Scheiben 38 mit einem
kleineren Durchmesser in die Isolation, welche durch die gewundenen
Platten gebildet wird, eingesetzt, während Scheiben 39 mit
einem größeren Durchmesser
die Kanten der gewundenen Platten abdecken. Die überlappenden Kreuzungsstellen
verhindern einen übermäßigen Wärmeverlust
durch die Kanten der heißesten
Schichten in dem Hitzeabschirmungssystem. Am unteren Ende des Gehäuses sind
Scheiben 40 mit kleinem Durchmesser innerhalb der gewundenen Wärmeabschirmung
eingesetzt, während
Scheiben 41 mit großem
Durchmesser die Kanten der rostfreien Bleche 37 abdecken.
Die Dicke der Scheiben wird durch ihre mechanischen Eigenschaften
vorgegeben. Die Scheiben müssen
ausreichend steif sein, so dass sie nicht vibrieren, wenn das Instrument
läuft. Dickere
Scheiben weisen jedoch eine größere Masse auf,
was die Ansprechempfindlichkeit des Instruments reduziert.
-
Der gesamte Aufbau ist durch einen äußeren Mantel 42 umschlossen.
Das Kühlgas,
welches in den Probenbereich eingeleitet wird, tritt durch eine Öffnung 43 durch
den Stapel der oberen Wärmeabschirmungen
aus und dann durch den Auslassstapel 44. Kühlgas, welches
aus dem Kühlmantel
oben austritt, strömt
zwischen den oberen Wärmeabschirmungen
mit kleinerem Durchmesser nach innen zu dem Auslassstapel und dann
aus dem Gehäuse
heraus. Um eine Rezirkulation des ausgetretenen Kühlgases und
eine Infiltration von Luft aus der Umgebung zu verhindern, ist eine
der oberen Wärmeabschirmungen
mit großem
Durchmesser (welcher einen größeren Durchmesser
als die anderen oberen Abschirmungen aufweist) an dem äußeren Mantel
abgedichtet.
-
Das metallische Abschirmungsisolationssystem,
welches oben beschrieben wurde, ist sehr nahekommend so effizient
beim Verhindern von Wärmeverlusten
wie herkömmliche
faserige Isolationssysteme. Anders als faserige Isolationssysteme,
welche einen riesigen Oberflächenbereich
verglichen mit dem metallischen Abschirmsystem aufweisen und welche
porös sind,
absorbiert das metallische Abschirmungsisolationssystem keine signifikanten Mengen
an Feuchtigkeit. Zudem, wenn einmal Feuchtigkeit in einem faserigen
Isolationssystem absorbiert wurde, benötigt sie eine lange Zeit, um
das System zu verlassen. Die verbleibende Feuchtigkeit könnte die
Probe kontaminieren, oder sie könnte dazu
führen,
dass Wasser in die Probenkammer oder anderswo hineintropft, oder
sie könnte
zu einer Eisbildung innerhalb der Isolation oder anderswo führen.
-
Die 5 ist
ein horizontaler Querschnitt durch die Probenkammer. Die Probenzone 21 wird durch
den Heizaufbau 22 umschlossen, welcher das Widerstandsheizelement 23 umfasst,
das in einer spiralförmigen
Form um acht keramische Isolatorstangen 24 herumgewunden
ist. Der Heizaufbau ist durch den Kühlmantel 26 umschlossen,
welcher eine innere Wand 27 und eine äußere Wand 28 aufweist. Gas,
welches von der unteren Kammer in die obere Kammer strömt, tritt
durch die Reihe von schmalen Bohrungen 32 hindurch. Der
Gesamtbereich der Bohrungen durch die Teileinrichtung ist viel kleiner als
der Gesamtquerschnittsbereich der unteren Kammer, vorzugsweise beträgt er weniger
als 10 Prozent der Gesamtfläche.
Dies erzeugt einen Druckabfall durch die Bohrungen, so dass der
Druck in der oberen Kammer viel geringer ist als der Druck in der
unteren Kammer. Dies stellt sicher, dass Gas in die obere Kammer
mit einer gleichförmigen
Verteilung über die
Mittellinie des Kühlmantels
strömt.
Der spulenförmige
Hitzeschild 37 aus dünnem
rostfreiem Stahl umschließt
den Kühlmantel.
Die Hitzeschilde sind innerhalb des äußeren Mantels 42 eingeschlossen.
-
Linearmotoraufbau
-
Die 6 ist
ein vertikaler Querschnitt durch den Linearmotoraufbau. Der sich
bewegende Spulenaufbau 13 besteht aus einer Spulenkörper 46 und einer
Wicklung oder Windung 47. Die Windung 47 ist um
den Spulenkörper 46 herum
gewunden. Das obere Ende des Spulenkörpers 46 ist steif
an den Luftlagerschlitten 8 angeschlossen. Die Windung 47 besteht
aus einer großen
Anzahl von Umläufen,
beispielsweise 250 bis 280 Umläufen
eines feinen Drahtes, zum Beispiel 29 bis 30 Wire
Gauge, welche eng um den Spulenkörper
herum gewunden sind. Die Kraft, welche ein Motor entwickeln kann,
ist proportional zu dem Produkt aus Strom und der Anzahl von Umläufen in
der Wicklung, und sie hängt
ebenso von der Feldstärke
ab, welche in dem Luftspalt durch den Magneten erzeugt wird.
-
Der Magnetaufbau 12 besteht
aus dem Magneten 48, dem Kern 49 und dem Luftspalt 50.
Bei diesem Motortyp werden die Magnete in der Richtung senkrecht
zu der Motorachse magnetisiert. Der Kern ist ein Werkstoff mit hoher
magnetischer Permeabilität,
welcher dazu dient, den magnetischen Fluss in dem Luftspalt zu konzentrieren,
durch Ausrichten des Flusses von dem äußeren Pol des Magneten um den Mittelbereich
herum und nach oben in den Mittelbereich des Kerns. Idealerweise
sollten die magnetischen Flusslinien über dem Luftspalt senkrecht
zu der Achse sein, um eine maximale Linearität der Kraft sicherzustellen.
Nahe den Enden des Luftspaltes weichen die Flusslinien von dem idealen
Weg ab, was zu einer Streuung der Kraftlinien in dem magnetischen
Feld führt.
Wenn die Schwingspulenwindungen in Bereiche mit Streuung der Kraftlinien
eintreten, fällt
die Kraft rapide ab, was eine exzessive Nichtlinearität verursacht.
Die Länge
des Luftspaltes in der Richtung parallel zu der Achse ist derart
ausgewählt,
dass sie beträchtlich
länger
ist als die Summe der Länge
der Windungen 47 und der Hub, so dass kein Teil der Windungen 47 in
den Bereich mit einer Streuung der Kraftlinien während des Betriebs eintritt.
-
Um die Motorsteuerung zu verbessern,
hat man als vorteilhaft herausgefunden, eine gewisse Abschrägung bei
der Auftragung der Motorkraft über dem
Versatz (was im Allgemeinen eine gerade Linie ist) zu haben. Die
Flussdichte wird auf natürliche
Art auf dem Boden des Luftspalts größer sein, wo der Luftspalt
durch den Kern abgeschlossen ist. Das leichte Verjüngen des
Luftspaltes, so dass er am oberen Ende des Magnetaufbaus weiter
ist als an dem geschlossenen Ende, vergrößert die natürliche Abschrägung der
geraden Linie. Die Verjüngungen
wird auf dem inneren Teil des Kerns erzeugt, weil das Erzeugen einer
Verjüngung
auf der magnetischen Fläche
schwieriger sein würde.
-
Die Stärke des Feldes, welches durch
alle Permanentmagneten erzeugt wird, variiert, wenn sich die Temperatur
des Magnetes ändert.
Variationen in der Feldstärke
verursachen Variationen in der Kraft, welche durch den Motor entwickelt
wird, bei einem gegebenen Spulenstrom. Somit ist es wesentlich sicherzustellen,
dass die Temperatur des Magneten und des Eisenkerns konstant bleibt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturstabilität durch
Aufheizen des Magnetenaufbaus erreicht, wobei ein dünnes Bandwiderstandsheizelement 51 verwendet
wird, welches an das Äußere des
Kerns angeschlossen ist. Die Temperatur des Kerns wird auf einer
hohen Temperatur oberhalb der Umgebung gehalten, so dass Wärme, welche
durch die Spule erzeugt wird, nicht verursacht, dass die Magnetaufbautemperatur
ansteigt. Ein Temperatursensor, welcher an den Kern angeschlossen
ist, führt
die Magnettemperatur einer Leistungssteuereinrichtung zu, welche die
Leistung zu der Heizvorrichtung steuert, um eine konstante Magnetaufbautemperatur
aufrecht zu erhalten. Dieses Steuersystem hält jedoch nicht eine perfekte
konstante Magnettemperatur aufrecht. Daher ist ein zweiter Temperatursensor
an den Kern angeschlossen. Eingaben von diesem zweiten Sensor werden
verwendet, um die Leistung des Motors einzustellen, basierend auf
jegliche verbleibende Temperaturabweichungen.
-
Die 7 ist
eine vertikale Querschnittsdarstellung der Konfiguration der Leitungskabel,
welche elektrischen Strom der Spule zuführen. Ein Paar von Flachkabeln
mit einer Dicke von 0,038 cm (0,0015'') und
einer Breite von 0,101 cm (0,040'') 52 sind
Seite an Seite angeordnet. Die Querschnittsansicht in der
7 zeigt nur das dünne Ende
von einem der Flachkabel. Das zweite Kabel befindet sich hinter
der Ebene der Figur und kann in der 7 nicht
gesehen werden. Das sich bewegende Ende von jedem Kabel ist an einen
Anschlussblock 53, der an dem Schlitten 8 angeschlossen
ist, angeschlossen, und eine Verlängerung der Spulenleitungen
(nicht gezeigt) ist an dem Anschlussblock angeschlossen. Die stationären Enden
der Kabel sind an einem zweiten Anschlussblock 54 angeschlossen,
welcher an der Kabelführungsplatte 55 montiert
ist, welche an dem Antriebsrahmenaufbau angeschlossen ist. Wenn
sich der Schlitten nach oben und unten bewegt, bewegen sich die
Leitungskabel in einen Kontakt mit dem Schlitten und aus einem Kontakt
mit dem Schlitten heraus und die Kabelführung in einer rollenden Art,
so dass es keine Gleitreibung zwischen dem Kabel und entweder dem
Schlitten oder der Führung
gibt. Das Flachkabel wird derart verwendet, dass das dünne Ausmaß so orientiert
ist, wie es in der 7 gezeigt
ist, um die Kraft zu minimieren, welche notwendig ist, um das Kabel
zu biegen. Der Abstand zwischen dem Kabel und der Kabelführung ist
derart ausgewählt,
dass er ausreichend groß ist,
dass die Biegung des Kabels vollständig elastisch ist. Diese Konfiguration
minimiert die Kraft, welche notwendig ist, um die Leitungskabel
zu biegen. Weil es keinen Schlupf und daher keine Reibung gibt,
welche aus dem Schlupf resultiert, und weil die Kabelbiegung vollständig elastisch
ist, ist die Kraft, welche notwendig ist, um die Leitungskabel zu
biegen, hochgradig reproduzierbar.
-
Probenbefestigungen
-
Die 8 bis 12 zeigen mehrere aus der Vielfältigkeit
von unterschiedlichen Probenbefestigungen, welche bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
Die 8 ist eine Darstellung
der Befestigung, welche zum Charakterisieren einer Faser- oder Dünnfilmprobe
in dem Zugbelastungs-Modus verwendet wird. Die Probe 55 (eine
Faser in dem Beispiel, welches in der 8 dargestellt ist)
wird an dem oberen Ende durch die obere Klammer gehalten, welche
zusammengesetzt ist aus der Klemmbacke 56, dem Klemmrahmen 57 und der Klemmschraube 59.
Die Klemmschraube 59 dreht den Klemmrahmen 57,
Antriebsklemmbacke 56 gegen die Probe. Die Klemme ist an
dem stationären Rahmen 58 angeschlossen.
Der stationäre
Rahmen 58 ist an die Tragpfosten 16 durch vier
Montagebohrungen 60 angeschlossen. Somit wird das obere Ende
der Probe im Hinblick auf den Rahmen 1 stationär gehalten.
-
Das untere Ende der Probe ist durch
den sich bewegenden Teil der Klammervorrichtung durch die untere
Klemmbacke 61 eingeklemmt, welche durch einen Drehzapfen
an dem Klemmrahmen 62 angeschlossen ist. Der Klemmrahmen 62 ist
auf einem Drehzapfen an dem Antriebsrahmen 63 angeschlossen.
Die Klemmschraube 64 dreht den Klemmrahmen 62,
die Antriebsklemmbacke 61 gegen die Probe. Der Schwalbenschwanz 65,
welcher an dem Antriebsrahmen 63 angeschlossen ist, greift
in einen komplementären
Schwalbenschwanz an der Antriebsstange 14 ein, was somit
den sich bewegenden Teil der Probenspannvorrichtung an die Antriebsstange 14 anschließt.
-
Die 9 ist
eine schematische Darstellung der Klemmvorrichtung zum Charakterisieren
einer Probe, wie zum Beispiel einem Blech oder einer Platte in dem
Dual-Cantilever-Biegungs-Modus. Die Probe 66 ist an den
stationären
Rahmen 67 nahe ihrer Enden durch die Klemmaufbauten 68,
welche die Klemmbacke 69, den Kreuzkopf 70 und
die Schrauben 71 umfassen, angeklemmt. Das Anziehen der Schrauben
bewegt den Kreuzkopf nach unten gegen die Klemmbacke und hält die Probe
gegen den Antriebsrahmen. Der Kreuzkopf wird verwendet, um sicherzustellen,
dass die Klemmlast auf die Mitte der Klemmbacken aufgebracht wird,
so dass die Klemmkraft gleichförmig über der
Breite der Probe verteilt wird. Der stationäre Rahmen 67 ist an
vertikale Träger,
zum Beispiel die vertikalen Stützpfosten 16, durch
die vier Montagebohrungen 76 angeschlossen, was das Ende
der Probe stationär
im Hinblick auf den Rahmen 1 hält.
-
Der sich bewegende Klammeraufbau
umfasst den Antriebsklemmrahmen 72, die Klemmbacke 73,
den Kreuzkopf 74 und die Anziehschrauben 75. Das
Anziehen der Schrauben 75 bewegt den Kreuzkopf, um die
Klemmbacke gegen die Probe zu drücken,
was die Probe gegen den Antriebsklemmrahmen klemmt, wodurch die
Probe in ihrer Mitte gehalten wird. Der Schwalbenschwanz 77,
welcher an dem Antriebsrahmen angeschlossen ist, greift in einen
komplementären
Schwalbenschwanz auf der Antriebsstange 14 ein, was somit
den sich bewegenden Teil der Probenspannvorrichtung steif an die
Antriebsstange 14 anschließt.
-
Die 10 ist
eine schematische Darstellung der Spannvorrichtung, welche verwendet
wird, um eine Probe in dem Drei-Punkt-Biegungs-Modus zu charakterisieren.
Die Probe 78 wird nahe ihrer Enden durch die Auflager 79 getragen,
welche ein integraler Teil des stationären Rahmens 80 sind.
Eine Last wird auf die Probe an ihrem Mittelpunkt durch die Lastrahmen 81 aufgebracht,
welche durch eine integrale Last-Aufbringungs-Oberfläche 82 gegen
die Probe drücken.
Der stationäre
Rahmen 80 ist an die Tragpfosten 16 durch die
vier Montagebohrungen 83 angeschlossen, was somit die Enden
der Probe stationär
im Hinblick auf den Rahmen 1 hält. Der Schwalbenschwanz 84,
welcher an dem Antriebsrahmen angeschlossen ist, greift in einen
komplementären
Schwalbenschwanz auf der Antriebsstange 14 ein, was den
sich bewegenden Teil der Spannvorrichtung an der Antriebsstange 14 anschließt.
-
Die 11 ist
ein schematisches Diagramm der Spannvorrichtung, welche verwendet
wird, um eine Probe in dem Kompressions-Modus zu charakterisieren.
Die Probe 85 wird unter der aufgebrachten Last zwischen
der stationären
Platte 86 und der sich bewegenden Platte 87 gequetscht.
Die stationäre Platte
ist an dem Rahmen 88 angeschlossen, welcher an die Stützpfosten 16 durch
die vier Montagebohrungen 89 angeschlossen ist. Die sich
bewegende Platte 87 ist an dem Antriebsrahmen 90 angeschlossen.
Ein Schwalbenschwanz 91, der an dem Antriebsrahmen angeschlossen
ist, greift in einen komplementären Schwalbenschwanz
auf der Antriebsstange 14 ein, was den sich bewegenden
Teil der Spannvorrichtung an der Antriebsstange 14 anschließt.
-
Die 12 ist
eine schematische Darstellung der Spannvorrichtung zum Charakterisieren
einer Probe in dem Scher-Deformations-Modus. Ein Paar von identischen
Proben 92 sind zwischen entgegengesetzten bewegbaren Klammern 93 gegen die
Antriebsplatte 94 geklemmt. Die Antriebsplatte 94 ist
sandwichartig eingebracht zwischen den Paaren von identischen Proben.
Die bewegbaren Klammern 93 werden durch den stationären Rahmen 95 geführt und
nach innen und außen
durch die Schraubzwingen 96 angetrieben. Die Schraubzwingen 96 stellen die
Klammeroberflächen
auf die Probendicke ein und bringen eine Druckbelastung auf, um
die Proben an ihrem Ort zu halten. Der stationäre Rahmen 95 ist an die
Tragpfosten 16 durch die vier Montagebohrungen 97 angeschlossen,
wodurch der stationäre
Rahmen 95 feststehend im Hinblick auf den Rahmen 1 gehalten
wird. Die Antriebsplatte 94 ist an den Schwalbenschwanz 98 angeschlossen,
welcher in einen komplementären
Schwalbenschwanz auf der Antriebsstange 14 eingreift, wodurch
der sich bewegende Teil der Spannvorrichtung an der Antriebsstange
angeschlossen wird. Somit kann die Probe zwischen den Klammeroberflächen und
der sich bewegenden Platte unter der Aufbringung einer Belastung
geschert werden.
-
Der optische
Codierer
-
Die 13A ist
eine schematische Darstellung der optischen Komponenten des optischen
Codierers 10. Die 13A zeigt,
dass die optischen Komponenten ein Beugungsgitter 9 (montiert
auf dem Schlitten), eine LED-Lichtquelle 121, ein abtaststrichplattentransparentes
Phasengitter 122 (scanning reticle transparent phase grating),
eine Kondensorlinse 123 und ein Fotodetektorsystem 124 umfasst.
In dem Beispiel, welches in der 13A gezeigt
ist, umfasst das Fotodetektorsystem 124 drei photovoltaische
Zellen. Ein Lichtstrahl, welcher durch die Lichtquelle 121 emittiert
wird, wird reflektiert und moduliert durch das Beugungsgitter 9 und übertragen
und moduliert durch die Abtaststrichplatte 122 und detektiert
durch das Fotodetektorsystem 101 in den Codierer 10. In
einem Instrumentenaufbau gemäß der vorliegenden
Erfindung betrug der Abstand zwischen Linien auf dem Glasskala-Beugungsgitter
8 Mikrometer. Die Verwendung eines Beugungsgitters und die Lichtinterferenz
führt zu
zwei konstruktiven Maximum- und zwei destruktiven Minimum-Interferenzlinien
für jede
Linie auf der Glasskala, das heißt der Abstand zwischen zwei
Maxima beträgt
4 Mikrometer. Licht von der LED-Lichtquelle 121 innerhalb des
optischen Codierers 10 durchtritt ein transparentes Phasengitter
und wird von der Glasskala zurückreflektiert
durch das Phasengitter und wird auf drei photovoltaischen Zellen
fokussiert. Die Signale aus diesen photovoltaischen Zellen werden
durch die Heidenhain-Elektronikschaltungen kombiniert, um zwei Quadraturausgabesignale
zu erzeugen.
-
Die 13B ist
ein schematisches Diagramm eines Systems zum Bearbeiten des Ausgabesignals
des Fotodetektorsystems. Das Fotodetektorsystem 101 produziert zwei
Ausgabesignale, wie nach der Verstärkung durch die Instrumentationsverstärker 102,
zum Beispiel Burr-Brown INA103, in der 13B gezeigt ist, welche in Quadratur
im Hinblick aufeinander stehen. Die optische Periode der zwei Quadraturausgabesignale
beträgt
4 Mikrometer. Die zwei Quadraturausgabesignale werden zu 8 Bit digitalen
Signalen umgewandelt, bei einer Rate von 2,5 Millionen mal pro Sekunden
durch Analog/Digital-Wandler 103. Die zwei 8 Bit digitalen Signale
werden dem Verweis-EPROM 104 zugeführt, wo sie in digitale Signale
von 10 Bit Winkeln und 6 Bit Größen konvertiert
werden, zur Verwendung durch das nachfolgende digitale Signalverarbeitungssystem.
Das 10 Bit Winkelsignal unterteilt die 4 Mikrometer zwischen den
optischen Linien in 1024 Segmente von jeweils 3,9 Nanometer.
-
Das Vorzeichenbit von jedem Konverter
wird zu einer programmierbaren logischen Einheit 105, zum Beispiel
Cypress Semiconductor CY7C344, gesendet, welche derart programmiert
worden ist, dass sie Zähl-
und Richtungssignale erzeugt. Diese Signale gehen zu einer zweiten
programmierbaren logischen Einrichtung 106, zum Beispiel Cypress
Semiconductor CYC344, welche den Verlauf behält, wie viele Linien gekreuzt
wurden und in welcher Richtung, und welche derart programmiert worden
ist, dass sie ein 14 Bit Aufwärts-/Abwärts-Zähler ist.
14 Bits stellen Zählungen
von –8192
bis +8191 zur Verfügung,
was von –32786
bis +32764 Mikrometer abdeckt und somit die gesamte Schlittenbewegung
in jeder Richtung abdeckt. Die 14 Bit Linienzählung wird vorzeichenerstreckt
auf 16 Bits und zu dem digitalen Signalprozessor (DSP) gesendet.
-
Wie in der 13C gezeigt ist, liest im Schritt 107
der Signalprozessor das Positionssignal (10 Bit Winkel und 14 Bit
Linienzählung)
50000 mal in jeder Sekunde. Jeder Satz von 10 sequentiellen Werten
wird verarbeitet durch Aufsummieren der 10 Werte in Schritt 108,
womit 5000 zweiunddreißig
Bit Positionswerte pro Sekunde zur Verfügung gestellt werden. Die Phase
des Wechselstrom-Signals, welches verwendet wird, um den Strom zu
dem Linearmotor, welcher die Antriebsstange 14 antreibt,
zu steuern, wird im Schritt 111 akkumuliert und in 16 Bit Sinus- und
Kosinuswerte konvertiert, 5000 mal pro Sekunde in Schritt 112. Die
Sinus- und Kosinuswerte, welche die Antriebsstärke repräsentieren, und die Positionssummen,
welche die Relativposition des Schlittens (und des deformierten
Segments der Probe) repräsentieren,
werden in die kreisförmige
Warteschlange des Dual-Port-RAM 109 positioniert.
-
Das 16 Bit Größensignal wird verwendet, um sicherzustellen,
dass die zwei Quadraturausgaben des Fotodetektorsystems genau getroffen
werden, so dass die Interpolation ein genaues Maß der Position des Schlittens
produziert. Wie in der 13D gezeigt
ist, werden das 16 Bit Größensignal,
welches aus der Verweistabelle in EPROM 104 (10 Bits des 16 Bit
EPROM werden für
die Winkeldaten verwendet) erzielt wird, und das Winkelsignal verwendet,
um Signale zu produzieren, welche die Größe der Ausgabesignale bei 0°, 90°, 180°, 270° repräsentieren. Die
vier Größensignale
werden auf einem Anzeigeschirm dargestellt.
-
Wenn eines der vier Signale kleiner
ist als die anderen, dann werden Interpolationswerte nahe der Spitzen
des kleinen Signals weiter als 3,9 Nanometer auseinander ausgebreitet,
und Interpolationswerte nahe der Spitzen der größeren Signale werden dichter
als 3,9 Nanometer komprimiert. Dieser Effekt erzeugt einen sinusförmigen Fehler
in den interpolierten abgelesenen Positionswerten, welche eine Periode
von 4 Mikrometer aufweist, und dessen Größe auf den Versatz zwischen
den Signalen bezogen ist. Die Größenwerte
nahe jeder von den zwei Spitzen der beiden Quadratursignale werden
angezeigt, und Kalibrierungspotentiometer werden verwendet, um diese
Werte abzustimmen. Der letzte Schritt kann automatisiert sein.
-
Der Mikroprozessor 110 (zum Beispiel
ein 80C186-Mikroprozessor) liest die Werte in der Warteschlange
des Dual-Port-RAMs 109 (gezeigt in der 13C) und verwendet diese, um Datenpunkte
in jeder Sekunde zweifach zu berechnen. Die berechneten Daten umfassen
eine Durchschnittsposition und eine Einzelpunkt-Fourier-Transformation dieser Position.
Die Ergebnisse der Fourier-Transformation sind
die Größe der Probenoszillation
und der Phase relativ zu dem Antriebssignal.
-
Weil 25000 ausgelesene Positionswerte
verwendet werden, um jeden Datenpunkt zu berechnen, gibt es ein
Potential für
die Reduzierung des Signalrauschens durch die Quadratwurzel aus
25000 oder rund 158. Angenommen, dass das Rauschen oder die Unbestimmtheit
in jedem ausgelesenen Positionswert etwa 40 Nanometer beträgt, und
dass dieses Rauschen zufällig
ist von einem ausgelesenen Wert zum anderen, würde das Rauschen des daraus
resultierenden Datenbestands rund ein Viertel eines Nanometers betragen.
Das Rauschen in jedem ausgelesenen Positionswert ist etwas korreliert
zwischen den ausgelesenen Positionswerten, und somit ist die Rauschreduzierung
geringer, und das resultierende Rauschen ist etwas größer als
ein Viertel eines Nanometers.
-
Die Fourier-Transformation verarbeitet
ebenso 25000 ausgelesene Positionswerte, um die Größe und die
Phase der Probenoszillation zu berechnen.
-
Dieses Verfahren ist ein wenig komplizierter, weil
es das Multiplizieren jedes 10-Punkte-Durchschnitts
mit einem Sinus- und einem Kosinuswert einbindet, vor dem Aufsummieren
der Ergebnisse und dem anschließenden
Finden der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate für die Größe und der
Winkeltangente des Verhältnisses
für die
Phase. Weil jedoch die Sinus- und Kosinuswerte aus einem idealen,
rauschfreien Antriebssignal stammen, wird kein Rauschen den Positionswerten
hinzugefügt,
und die oben beschriebene Reduzierung des Rauschens findet statt.
-
Die gemessene Amplitude der Oszillation der
Probe und die Phase von dieser Oszillation relativ zu der Oszillation
der Antriebskraft, welche auf die Probe aufgebracht wird, zusammen
mit der Phase der oszillierenden Antriebskraft, welche auf die Probe aufgebracht
wird, werden verwendet, um den Speichermodul und den Verlustmodul
der Probe zu berechnen.
-
Die vorhergehende Offenbarung der
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Illustration und
der Beschreibung dargelegt. Diese soll nicht erschöpfend sein
oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken. Viele Variationen
und Modifikationen der hierin beschriebenen Ausführungen werden für den Fachmann
im Lichte der obigen Offenbarung naheliegend sein. Der Schutzumfang
der Erfindung soll nur durch die Ansprüche definiert werden, welche
hier angehängt sind,
und durch deren Äquivalente.