DE69724021T2 - Vorrichtung zur thermischen und dynamischen mechanischen Analyse - Google Patents

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Description

  • 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.

Claims (39)

  1. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse, umfassend: (a) einen Rahmen (1); (b) einen linearen magnetischen Rotor, umfassend eine fixierte Komponente (12), welche an den Rahmen angeschlossen ist, und eine bewegbare Komponente (13); (c) einen Schlitten (8), welcher ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei die bewegbare Komponente (13) steif an das zweite Ende des Schlittens (8) angeschlossen ist, so dass die Energetisierung des Motors (13) verursacht, dass eine Antriebskraft auf den Schlitten (8) aufgebracht wird; (d) ein Mittel zum Bestimmen der Größe der Antriebskraft, welche auf den Schlitten (8) aufgebracht wird; (e) einen optischen Codierer (10), umfassend einen optischen Modulator (9), welcher an den Schlitten (8) angeschlossen ist, eine Lichtquelle (121), welche an den Rahmen (1) angeschlossen ist, und ein Photodetektorsystem (124), welches an den Rahmen (1) angeschlossen ist und derart angeordnet ist, dass ein Lichtstrahl, welcher durch die Lichtquelle (121) produziert wird, durch den Modulator (9) moduliert werden kann und dass das Photodetektorsystem (124) dann Modulationen feststellt, welche durch eine Bewegung des Schlittens (8) relativ zu dem Rahmen (1) verursacht werden, und elektronische Signale in Abhängigkeit davon zur Verfügung stellt; (f) wenigstens ein Luftlager (31, 3u), welches dazu dient, den Schlitten für eine Bewegung in einer vorgegebenen Richtung zu führen; (g) eine Antriebsstange (14), welche ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das zweite Ende an das erste Ende des Schlittens (8) angeschlossen ist; (h) ein bewegbarer Probenklammeraufbau (6165, 7275, 77, 87, 90, 93, 94), welcher steif an das erste Ende der Antriebsstange angeschlossen ist; (i) ein fixierter Probenklammeraufbau (56, 59, 6771, 7981, 86, 95), welcher steif an den Rahmen (1) angeschlossen ist, wobei der fixierte und der bewegbare Klammeraufbau dazu dienen, eine Probe, die dort zwischen analysiert werden soll, festzuklammern; (j) ein Mittel (102, 103, 104) zum Empfangen von elektronischen Signalen von dem Photodetektorsystem (124) und zum Konvertieren der Signale in digitale Winkel- und Größensignale; und (k) ein Mittel (110) zum Berechnen aus den digitalen Signalen Werkstoffeigenschaften einer Probe, welche durch den fixierten und den bewegbaren Klammeraufbau festgeklammert ist, basierend auf den interpolierten Positionen des Schlittens als eine Funktion der Größe der Antriebskraft, welche auf den Schlitten aufgebracht wird.
  2. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 1, wobei der bewegbare Probenklammeraufbau und der fixierte Probenklammeraufbau sich in einer Probenkammer (21, 22, 26) befinden und eine Lage (37) eines dünnen, reflektierenden Materials spiralförmig um die Probenkammer herumgewunden ist, wobei die gesagte Lage eine Vielzahl von kleinen Vorsprüngen umfasst, welche die Trennung zwischen aufeinander abfolgenden Schichten der spiralförmig gewundenen Lage aufrechterhalten.
  3. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 2, wobei die kleinen Vorsprünge in einer Reihe von geraden Linien von Vorsprüngen liegen, und der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden geraden Linien von Vorsprüngen zufällig ist.
  4. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 3, und wobei die kleinen Vorsprünge eine Trennung von 0,5 bis 3,1 mm (0,02 inches bis 0,125 inches) zwischen aufeinander abfolgenden Schichten der spiralförmig aufgewundenen metallischen Lage aufrechterhalten.
  5. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß der Ansprüche 2, 3 oder 4 und weiterhin umfassend eine Vielzahl von reflektierenden Scheiben (38, 39), welche ein Mehrebenen-Isolationssystem an dem ersten Ende der Probenkammer (21, 22, 26) ausbilden, und eine Vielzahl von reflektierenden Scheiben (40, 41), welche ein Mehrebenen-Isolationssystem an einem zweiten Ende der Probenkammer ausbilden.
  6. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, wobei die Lage (37) aus dünnem, reflektierenden Material ein Blech aus rostfreiem Stahl ist.
  7. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 6, wobei das Blech aus rostfreiem Stahl (37) eine Dicke zwischen 0,025 und 0,125 mm (0,001 inches und 0,005 inches) aufweist.
  8. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, und weiterhin umfassend eine Heizeinrichtung (22), umfassend eine Vielzahl von keramischen Isolationsstangen (24), welche kreisförmig mit Abstand um die Probenkammer herum angeordnet sind, Ringe (25) an jedem Ende der keramischen Isolationsstangen (24), welche die Stangen (24) miteinander verbinden und einen zylindrischen Käfig ausbilden, und ein Heizelement (23), welches schraubenförmig um die keramischen Isolationsstangen (24) herumgewunden ist.
  9. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8 und weiterhin umfassend einen ringförmigen Kühlmantel (26), welcher eine innere Wand (27) aufweist, die die Probenkammer (21, 22, 26) umschließt, und eine äußere Wand (28), welche die innere Wand (27) umschließt und einen ringförmigen Hohlraum zwischen der inneren und der äußeren Wand ausbildet.
  10. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 9, wobei der ringförmige Hohlraum in zwei Kammern (29, 30) durch eine Teileinrichtung (31) unterteilt ist, wobei die gesagte Teileinrichtung (31) eine Reihe von kleinen Bohrungen aufweist, welche mit gleichförmigem Abstand um die Teileinrichtung (31) herum angeordnet sind.
  11. Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 8, wobei die Bohrungen in der Teileinrichtung (31) durch ihre Gesamtfläche charakterisiert werden können, und die Gesamtfläche der Bohrungen in der Teileinrichtung (31) nicht größer als 10% der Gesamtfläche der Teileinrichtung (31) ist.
  12. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die fixierte Komponente (12) des Motors ein Magnetaufbau ist und die bewegbare Komponente (13) ein Spulenaufbau ist, welcher energetisiert wird, um die Antriebskraft zur Verfügung zu stellen.
  13. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die fixierte Komponente (12) des Motors ein Dauermagnet ist und die bewegbare Komponente (13) ein Elektromagnet ist.
  14. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 12, wobei der Magnetaufbau einen Magneten (48) und einen inneren Kern (49) mit einem verjüngten Luftspalt (50) zwischen dem inneren Kern (49) und dem Magneten (48) umfasst.
  15. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 14, und weiterhin umfassend Flachkabel (52) zum Zuführen von elektrischem Strom zu der Spule (47), wobei die Flachkabel den Schlitten (8) in einer reibungslosen, rollenden Art berühren, wenn sich der Schlitten (8) bewegt.
  16. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Luftlagern dazu dient, den Schlitten (8) zu führen.
  17. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 16, wobei der Schlitten (8) einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, und wobei es zwei Sätze von vier Luftlagern gibt.
  18. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 16, wobei es eine Vielzahl von oberen Luftlagern (3u) und eine Vielzahl von unteren Luftlagern (31) gibt, welche derart angeordnet sind, dass sie den Schlitten (8) für eine vertikale Bewegung führen.
  19. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 16, 17, oder 18, wobei jedes der Luftlager (3u, 31) gegen die Oberfläche des Schlittens (8) durch eine Einstellschraube (2) positioniert ist.
  20. Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 19, wobei jede Einstellschraube (2) ein sphärisches Ende (4) aufweist, welches in einen konischen Hohlraum (5) in dem entsprechenden Luftlager (3u, 31) eingreift.
  21. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und weiterhin umfassend ein erstes Widerstandsheizelement (17), welches an den Rahmen (8) nahe dem ersten Ende des Schlittens (8) montiert ist, und ein zweites Widerstandsheizelement (18), welches an den Rahmen (8) nahe dem zweiten Ende des Schlittens (8) montiert ist, wobei die Heizelemente (17, 18) derart reguliert werden, dass sie eine konstante Rahmentemperatur aufrechterhalten.
  22. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Modulator wenigstens ein Beugungsgitter (9) aufweist und das Photodetektorsystem zwei Maxima und zwei Minima pro Periode des Beugungsgitters feststellt, wenn der Schlitten (8) relativ zu dem Rahmen (1) bewegt wird.
  23. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 22, wobei der optische Codierer (10) ferner ein abtastungsgittertransparentes Phasengitter (122) umfasst, welches an den Rahmen (1) zwischen der Lichtquelle (121) und dem Beugungsgitter (9) angeschlossen ist.
  24. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß der Ansprüche 22 oder 23, wobei das signalempfangende Mittel (102, 103, 104) zwei Quadratur-Ausgabesignale produziert, welche in das digitale Winkel- und Größensignal konvertiert werden.
  25. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 24, wobei ferner ein Mittel (105, 106) zum Empfangen der digitalen Winkelsignale und zum Zählen der Maxima, welche erfasst wurden, vorgesehen ist, und ein Mittel, welches ansprechend auf das Zählen ist, zum Spurverfolgen der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters.
  26. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 24 oder 25, wobei ferner ein Mittel (DSP) zum Abgleichen der Größe von den zwei Quadratur-Ausgabesignalen aufeinander vorgesehen ist.
  27. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 26, wobei ferner ein Mittel (109) zum Interpolieren der digitalen Winkelsignale vorgesehen ist, um eine interpolierte Position für den Schlitten zu berechnen.
  28. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei das Mittel zum Empfangen und Berechnen des Signals zwei Analog-zu-Digital-Wandler (103) umfasst, zum Konvertieren der Quadratur-Ausgabesignale in zwei digitale 8-Bit-Signale.
  29. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 28 und weiterhin umfassend ein Mittel (104) zum Konvertieren der zwei digitalen 8-Bit-Signale in digitale 10-Bit-Winkel- und 6-Bit-Größen-Signale.
  30. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 29, wobei das 6-Bit-Größensignal derart verfügbar ist, dass Kalibrierungspotentiometer justiert werden können, um die relativen Größen der zwei Quadratur-Ausgabesignale zu justieren.
  31. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß der Ansprüche 28, 29 oder 30, wobei das Vorzeichen-Bit von jedem Analog-zu-Digital-Wandler einer ersten programmierbaren logischen Einrichtung (105) zugeführt wird, welche programmiert wurde, um Zähl- und Richtungssignale zu erzeugen.
  32. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 31 und weiterhin umfassend eine zweite programmierbare logische Einrichtung (106), welche derart programmiert wurde, dass sie ein 14-Bit-Aufwärts/Abwärts-Zähler ist, welcher dazu dient, die Zähl- und Richtungssignale von der ersten programmierbaren logischen Einrichtung (105) zu empfangen und eine Linienauszählung zu berechnen.
  33. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 32 und weiterhin umfassend einen Signalprozessor (DSP), welcher das digitale 10-Bit-Winkelsignal und das digitale 14-Bit-Linienauszählungssignal liest, um ein Positionssignal mit einer ersten Rate zu berechnen.
  34. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 33, wobei jeder Satz von zehn aufeinanderfolgenden Positionssignalen aufsummiert wird, wodurch ein Positionssignal mit einer zweiten Rate zur Verfügung gestellt wird, welche ein Zehntel der Rate der ersten Rate ist.
  35. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 34, wobei ein Phasensignal, welches von dem Mittel zum Bestimmen der Größe der Antriebskraft, welche auf den Schlitten aufgebracht wird, abgeleitet ist, akkumuliert wird und in 16-Bit-Sinus- und Kosinuswerte mit der zweiten Rate konvertiert wird.
  36. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Empfangen und Verarbeiten der Signale von dem Photodetektorsystem mit einer Auflösung von wenigstens 4 Nanometer arbeitet.
  37. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der fixierte Probenklammeraufbau steif an eine Vielzahl von Stützpfosten (16) angeschlossen ist und die Stützpfosten an den Rahmen (1) angeschlossen sind.
  38. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen auf elastomerischen vibrationsisolierenden Haltern montiert ist.
  39. Eine Vorrichtung zur mechanischen Analyse gemäß Anspruch 38, wobei die natürlichen Frequenzen von Vibrationen der Vorrichtung zur mechanischen Analyse auf den elastomerischen Isolationshaltern deutlich unterhalb der Resonanzfrequenzen von Strukturen liegen, welche die Vorrichtung zur mechanischen Analyse tragen.
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