（机械制造及其自动化专业论文）微纳米硬度检测系统的研制.pdf

氅釜堡三些查兰三兰堡圭兰堡兰三 摘要 随着微纳米加工技术的发展和微小零部件的应用，微小零件表面力学性 能的检测与评价技术已成为微小零部件制造过程中的关键。微小零件表面力 学性能涉及零件表面经过加工或处理后所呈现的表层材料的状态，与加工质 量、零件的使用性能和使用寿命直接相关。其检测与分析不仅是微小零件加 工质量检测的重要手段，而且是衡量加工水平、优选加工方法和加工参数、 预测零件使用性能和寿命、设计新型材料必不可少的依据。 本文针对微小零件加工技术发展和应用的需要，研制了用于检测微小零 件表面力学性能的电磁式微纳米硬度检测系统，并应用此系统进行了纳米压 痕实验研究，内容主要包括： 阐述了研究微纳米硬度检测系统的背景及其应用领域，总结了硬度检测 技术的国内外发展，介绍了用于纳米压痕实验研究的纳米压痕理论方法。 研究了微纳米硬度检测系统的驱动方法及位移检测方法，进行系统总体 设计，描述了基于电磁场理论设计的电磁式微纳米硬度测头的结构，驱动线 圈参数以及位移检测子系统。 开发了驱动压头加载和卸载的数字一模拟转换子系统，通过汇编语言编 程将驱动和位移检测集成起来，运用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 建 立了微纳米硬度检测系统。 基于纳米压痕的理论方法，对单晶铝进行了纳米压痕实验研究。根据实 验数据拟合了单晶铝的载荷一位移曲线，绘出了单晶铝在不同载荷下的硬度 变化曲线，分析了在不同压痕深度下的硬度变化规律。评定了系统的工作性 能，分析了影响系统性能的原因，并给出解决措施。 关键词微纳米；硬度；检测；纳米压痕 堕堡堡三些查兰三耋堡圭主竺兰三 一 a b s t r a c t 、聃t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r oa n dn a n o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o no fm i c r op a r t sa n dc o m p o n e n t s ，i ti si m p o r t a n tt ot e s ta n de v a l u a t e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm i c r op a r t s s u r f a c e t h es t a t eo fm a t e r i a l ss u r f a c ei s i n v o l v e di nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c ha r er e l a t e dt o m a c h i n i n gq u a l i t y ， e m p l o y i n gp r o p e r t i e s a n d l o n g e v i t y o f p a r t s t e s t i n g a n d e v a l u a t i n g o f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r en o to n l yi m p o r t a n ti na n a l y z i n gm a c h i n i n gq u a l i t y ，b u t a l s oe v i d e n c e si n s c a l i n gm a c h i n i n gl e v e l s ，c h o o s i n gm a c h i n i n gm e t h o d sa n d p a r a m e t e r s ，f o r e c a s t i n go p e r a t i n gp r o p e r t i e s ，l o n g e v i t y a n dr e s e a r c h i n gn e w m a t e r i a l s t h i s p a p e ri s o r i e n t e do nt h e r e q u i r e m e n t o fd e v e l o p m e n to np r e c i s i o n m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n o nm i c r op a r t s ，a n df o c u s e so nt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cm i c r oa n dn a n oh a r d n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m a l s o ，n a n o i n d e n t a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e dw i t ht h es y s t e m t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h eb a c k g r o u n da n da p p l y i n gf i e l d so fm i c r oa n dn a n oh a r d n e s st e s t i n g s y s t e ma r ee x p a t i a t e d t h ep r e s e n ts t a t u si nh a r d n e s sm e a s u r i n ga l l a r o u n dt h e w o r l di ss u m m a r i z e d ，a n dt h et h e o r yo fn a n o i n d e n t a t i o ni si n t r o d u c e di nt h e p a p e r r n l e d r i v i n gm a n n e ra n dd i s p l a c e m e n t - t e s t i n gm a n n e ro fm i c r oa n dn a n o h a r d n e s st e s t i n gs y s t e ma r ec o n f i r m e d o nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , d e s i g n e dt h es y s t e mg e n e r a l l y , d e s c r i b e dt h es t r u c t u r ea n dg e o m e t r yp a r a m e t e r s o ft h ei n d e n t e r ，t h em a g n e t i c c o i la n dt h ed i s p l a c e m e n tt e s t i n gs u b s y s t e mi nt h e s y s t e m e x p l o i t e dt h ed ac o n v e r t i n gs y s t e mt o l o a do ru n l o a dt h ei n d e n t e r b y u s i n gc o m p i l i n gl a n g u a g e ，t h ed r i v i n ga n dt e s t i n gs u b s y s t e mi si n t e g r a t e d ，a n d t h ew h o l es y s t e mi sa c h i e v e do nt h eb a s i so fp ca n dd s p o nt h eb a s i so ff u n d m e n t a ln a n o i n d e n t a t i o nt h e o r y , n a n o d e n t a t i o no f s i n g l e - c r y s t a la l u m i n u m h a sb e e nr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， l o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e sh a v eb e e nf i t t e d w i t hm a t l a b t h eh a r d n e s sc u r v eo f s i n g l e c r y s t a la l u m i n u ma l o n gd i f f e r e n ti n d e n td e p t hh a sb e e na c h i e v e dt h e nt h e - i i - 堕玺鋈三些奎茎三兰堡圭耋堡尘圣 h a r d n e s sr u l e su n d e rd i f f e r e n tl o a d sa r ea n a l y z e da sw e l l o p e r a t i n g p e r f o r m a n c e o ft h es y s t e mh a sb e e na s s e s s e d a l s o ，i n f l u e n c ef a c t o r sa n di t sr e s o l v em e a s u r e s h a v eb e e n p r e s e n t e di nt h ep a p e r k e y w o r d s m i c r oa n dl l a n o ，h a r d n e s s ，m e a s u r e m e n t ，n a n o i n d e n t a t i o n i i i 窒玺鎏三些查兰三兰堡圭兰竺鲨兰 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 纳米科技已经成为2 l 世纪科技产业革命的重要内容，它是在原子、分 子尺度上研究自然界各种现象的行为和规律，进而实现由人类按需要排布原 子，制造出性能独特的产品，从而开辟了人类认识世界的新层次，也使得人 们改造自然的能力直接延伸到了分子、原子水平，这标志着人类的科技进入 了纳米时代。纳米机械学是纳米科技的一个重要的分支，它有着广泛的应用 前景，如汽车工业、生命工程、微电子技术、航空航天和国防等领域。随着 微纳米机械的研究热潮不断高涨，微纳米加工技术也相应获得了飞速发展。 微纳米加工技术包括超精密加工、化学腐蚀、能量束( 光束、电子束、粒子 束) 加工以及扫描隧道显微镜加工等。它们已经得到工业发达国家政府和军 方的高度重视，作为国家的关键技术列入国家科技发展计划并投入巨资进行 研究，取得了长足发展。 伴随着微纳米加工技术的发展和微小零部件的应用，微小零件表面力学 性能的检测与评价技术已成为微小零部件制造过程中的关键。由于微机电系 统( m e m s ) 构件和小体积材料、薄膜的尺度较小，用常用的拉伸法难以对 上述测量对象进行测量，因此许多学者对压入法、梁弯曲法、鼓泡法、梁振 动法等在微机械力学性能测量中的应用进行了研究。由于压入法具有不需要 加工标准试样和精密测量试样的几何尺寸、评定力学性能参数多以及易装夹 等特点，迄今为止，压入法仍是微机械材料力学性能测量中应用最广的一种 方法。微机械材料力学性能主要包括硬度、弹性模量、屈服强度、断裂韧性 和应变硬化等。由于m e m s 元件和薄膜的尺寸越来越小，压入深度要求愈 来愈浅，测量的精度也要求越来越高。i l o l 传统的硬度测量方法是将定形状的压头在一定压力的作用下压入被测 表面，保持一段时间后卸掉载荷，然后通过显微镜测量压头在被测表面留下 的压痕面积，从而得出被测材料的硬度值。这种测量方法虽然简单、直接， 但是测量分辨率低，压痕尺寸较大。随着现代工业的迅速发展，光学、半导 体电子学、精密工程、航空、航天工程等领域所需零件的表面加工精度要求 越来越高，经过精加工或超精加工后，表面精度要求达到微米级或纳米级 哈尔滨工业 学工学硕士学位论文 【4 1 。而且表面涂层技术作为提高材料综合性能的手段，近年来也发展迅速。 涂层薄膜的厚度也越来越薄，由原来的微米级向亚微米甚至纳米级过渡 1 5 , 6 。而传统的硬度测量方法对于极薄表层的检测却显得无能为力。同时， 要想得到材料在不同深度的硬度值，也要多次测量，这是非常费时的。 力学探针技术是基于传统显微硬度测试方法发展起来的材料表层力学性 能测试方法，与传统的显微硬度测试方法相比具有以下的优点【7 j ： ( 1 ) 采用微驱动加载方式取代砝码式加载方式，从而实现毫牛顿力甚 至微牛顿力的连续步进加载。 ( 2 ) 采用精密深度传感技术测量压头的压入深度取代压头卸载后测量 压痕面积的测量方式，从而实现对压头在加、卸载过程中压头压入深度的精 密、同步测量。 随着加载方式和测量方式的发展，使传统的微压入技术得到革命性的发 展，被称为纳米压痕技术( n a n o i n d e n t a t i o n ) ，并展示出其在材料力学性能评价 上的明显优势和广阔应用前景。 1 2 硬度检测系统国内外发展 近几十年来，硬度检测技术发展较快，其检测系统的种类也比较繁多， 如超声法、电磁法、巴氏噪声法 2 3 - 2 4 j 和传统的压痕法等。一般来说，在硬 度试验的原理中静态压痕硬度检测理论应用比较广泛。静态压痕硬度测量， 就是通过球体、金刚石锥体或其他锥体将力施加在被测材料上，使材料产生 压痕( 即发生塑性变形) ；再根据总施加载荷与所产生压痕面积或深度之间 的关系，给出其硬度值。根据施加载荷的大小可分成：宏观硬度( 日本、美 国和前苏联等定为1 0 n 以上，欧共体国家和国际机构则定为2 n 以上) ，显 微硬度( 上限：1 0 n 或2 n ；下限：1 0 m n 左右) ，纳米硬度( 一般在 7 0 0 m n 以下) 。不同的静态压痕硬度标准及其测量方法见表1 1 。 近二十年来，纳米硬度技术蓬勃发展，已有数家公司，如美国的m t s 公司和h y s i t r o n 公司、瑞士的c s e m 公司、英国的m i c r o m a t e r i a l s 公司和澳 大利亚a s i 公司推出商品化的仪器。目前，纳米硬度计已广泛应用于材料 表面工程、微电子、微机电系统、生物和医学材料等相关的科学领域。 3 1 例如n a n o l n d e n t e r i i 纳米显微力学性能检测系统，其数据采集和控制系 统使压头的位移分辨率达+ 0 0 4 n m ，载荷分辨率达+ - 7 5 n n 。最大载荷为 7 0 0 m n ，最大压入深度为4 0 “m 。5 0 倍至1 5 0 0 倍的光学显微镜系统可以用来 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 选择感兴趣的区域，水平位移范围可达到4 0 0 n m 。专门的空气减震台使样 品室和压头系统与外界振动相隔离。此高精度的纳米显微力学探针是研究材 料微区力学性能的可靠手段。【8 1 表卜1 常用静态压痕硬度测量方法比较 t a b l e1 - 1c o m p a r eo f s t a t i ci n d e n t a t i o nh a r d n e s sm e a s u r e s 压痕对角线压痕深 硬度实验压头形状 载荷n应用范围 或直径岫度啪 钢铁用布氏 2 5 m m 或 1 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 03 0 0 0 0 ，软金块状金属( b r i n e 儿) l o m m 直径球体 h b属低于1 0 0 0 洛氏1 2 0 。金刚石锥 主载荷6 0 0 ， ( r o c k w e l l )体，或1 _ 5 9 m m 直1 0 0 1 5 0 02 5 3 5 0 1 0 0 0，块状硬材 1 5 0 0 ；副载料 h r径的球体 荷1 0 表面洛氏 ( r o c k w e l l 1 2 0 。金刚石锥主载荷1 5 0 ， 用于薄试 体，或1 5 9 m m 直 i 0 0 7 0 01 0 1 0 0 3 0 0 ，4 5 0 ： s u p e r f i c i a l样 径的球体副载荷3 0 维氏对面夹角为1 3 6 用于表面 ( v i c k e r )。的金刚石正四1 0 1 0 0 01 1 0 0 1 0 1 2 0 0 ，层和薄至 可低于0 2 51 的试 h v棱锥 样 努氏棱夹角为1 7 2 5 ( k n o o p )。和1 3 0 。的金 1 0 1 0 0 00 3 3 0 2 4 0 ，可低 薄表面 于0 0 1 h k刚石四棱锥 玻氏中心线与锥面之 ( b e r k o v i c h )间夹角为6 5 3 。o 0 1 1 0 0 0 0 l 0 5超薄表面 1 h b 的三棱锥 随着人们越来越关注纳米材料研究，对材料纳米尺度性能测试手段的需 求也不断增加，同时由于科学技术的发展以及计算机技术的飞速发展，新一 代的纳米显微力学探针正在孕育产生。新一代的纳米显微力学探针将在测量 范围和精度方面有较大提高，如动态接触( d c m ) 方法的测量精度比现在的压 入系统高两三个数量级，达到0 0 0 0 2 n m ，因此能够研究材料更小范围的力学 性能，而且特别适合研究粘弹性材料和生物材料。连续剐度技术( c s m ) 正在 取代常规计算弹性模量和硬度的方法，这一技术能够在每一个压痕上得到弹 性模量和硬度随深度的连续变化曲线。【3 】利用新一代纳米显微力学探针还将 堕奎鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏吝 得到材料更多的力学性能，如利用有限元( f e m ) 计算机模拟软件能够直观地 看到压入过程中塑性变形区的变化情况，从压入过程中计算材料的屈服强度 和刚度。对于脆性材料，利用原位成像技术可以得到材料微区的断裂韧性。 结合声发射技术可以测量材料内部的微小裂纹。正在研究中的刚度图技术将 可以研究材料二维尺度的力学性能。硬化指数、应变速率敏感系数、塑性力 学状态函数、屈服强度、断裂韧性等将成为新一代纳米显微力学探针的常规 工作。随着纳米显微力学探针的工作温度( 现在是i 0 0 多度) 的不断提高，将 可以研究材料的微区蠕变性能。 纳米硬度检测装置工作原理简单，但是要求精度高，导致技术实现上十 分困难，因此，国外商用化的仪器价格昂贵。我国在纳米压痕检测方面起步 较晚，迄今为止，国内真正研制成功的商用装置还未见报道。国内现有的微 纳米硬度检测系统一般依靠进口，清华大学、上海交大、西安交大、哈工大 和北京科技大学等科研机构利用进口的压痕系统对薄膜材料和复合材料等的 性能进行了研究，取得了一些有意义的研究成果【2 ”。例如中国科学院力学 研究所的张泰华、杨业敏使用m t sn a n o i n d e n t e rx p 进行了压痕实验试样 分别为二氧化硅( s i 0 2 ) ，钛膜( t if i l m ) ，类金刚石膜( d l cf i l m ) 。北京科技 大学的林志、王艳丽应用n a n o l n d e n t e r i i 纳米显微力学性能检测系统分析各 种镀膜材料、离子注入材料、表面改性等材料的硬度分布及其弹性模量，并 取得了定成果。上海交通大学金属基复合材料实验室的邵楠、李戈扬也应 用纳米力学探针作出了n b n 薄膜的硬度和弹性模量随氮分压的变化关系， 等等。目前，进口的微纳米硬度检测系统价格昂贵，并且安装调试以及维修 存在一定的困难，同时为了使我国县备高精度零部件的基本检测技术，在通 往微观领域的科研上有进一步的发展，所以我们有必要利用完善的微纳米硬 度检测理论研制微纳米硬度检测系统。 1 3 纳米压痕的理论方法 微纳米硬度的测量是利用显微力学探针法来连续记录载荷、压深数据， 因此可以得到一条压深随载荷变化的曲线，载荷压深曲线给出了很多关于 材料本身的信息，显微力学探针的大部分实验结果是通过分析这条曲线得出 的。这里，压深是指压头压入试样表面的深度。图1 1 为典型的载荷压深 曲线。 由圈1 - 1 我们可以看出，随着实验载荷的不断加大压深不断增加，当载 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 荷加到最大值p m 。，时压深达到最大值h ，而后随着不断地卸载，压深回到 一固定值，此时的深度叫最终深度h ，也就是压头在试样上留下的永久塑 性变形。最大压深k 。减去塑性变形部分h ，就是弹性变形部分。对于完全弹 性材料，加载曲线和卸载曲线是重合的，塑性变形为零；对于完全塑性材 料，卸载曲线和位移轴是垂直的，弹性变形为零。卸载曲线与位移轴的交点 就是最终深度，由此可得到相对塑性变形量的大小。加载曲线和卸载曲线及 位移轴所包围的面积就是材料变形所吸收的能量。由卸载曲线开始部分( 线 性部分) 作一切线，该切线的斜率就是试样材料的弹性接触刚度。 钆 避 粼 气 如 m x 使移h 图1 1 载荷一压深关系曲线 f i g1 - 1l o a d d i s p l a c e m e n to f n a n o i n d e n t a t i o n 微纳米硬度的确定是通过最大载荷与接触面积的投影的关系获得的，其 具体的理论方法如下： ( 1 ) 确定弹性接触刚度 根据o l i v e r - p h a r r 方法， 部分： 采用如下幂函数来拟合载荷一位移曲线的卸载 p = b ( h h j 、” 式中，p 为作用在试样上的载荷，占和为通过经验测量获得的拟合参数，弹 性接触刚度就可以根据式( 1 一1 ) 的微分计算出： 肚凯一= 砌g 一_ 户。1 ( 1 _ z ) 堕垒堡三当盔兰三兰堡圭兰堡鎏兰。 ( 2 ) 确定接触面积的投影 卸虢蕊的雌液。茨嘲 i 酗 图1 - 2 加、卸载过程中压痕剖面的变化 f i g1 - 2c h a n g e o fi n d e n t a t i o ns e c t i o nd u r i n gl o a da n du n l o a d 图1 2 所示为一轴对称压头在加卸载过程中任一压痕剖面的示意图。在 压头压入试样的过程中，压痕深度为h ，产生了同压头形状相一致的压痕接 触深度h 。和接触圆半径，在压头退出的过程中，弹性位移恢复，残余深 度为如对于弹性接触，接触深度总是小于总的压痕深度。o l i v e r 等研究了 抛物面形压头的接触深度、总的压痕深度和卸载后的残余深度的关系： p h 。= h s 二等l ( 1 3 ) 式中，为与压头形状有关的参数；对于球形或三棱锥形( b e r k o v i c h ) 压 头，8 = o 7 5 。接触面积的投影可根据经验公式a - - - - f ( h 。) 计算出。对于一个 理想的三棱锥压头，a = 2 4 5 6 掰。但实际压头的接触面积一般表示为一个级 数： a ；2 4 5 6 h ：+ c ；移 ( 1 - 4 ) 式中，对于不同的压头有不同的值，具体由实验确定。 ( 3 ) 定义硬度 根据弹性接触理论，试样的硬度h 可表示为【8 】： 日= 等( 1 - 5 ) 堕堑鎏三、业奎兰! ：兰堡圭耋釜篓圣 ： 所以，通过载荷位移曲线精确测量作用在试样上的最大载荷和压痕深 度，再根据上述公式就可以计算出接触面积的投影和接触刚度，从而获得试 样的硬度 2 0 - 2 2 。 1 4 本课题主要研究内容 本课题的目的是研制电磁式微纳米硬度检测装置，运用数字信号处理器 对电磁式加载机构进行精密的控制并采集位移信号，标定系统参数，而后作 纳米压痕实验研究，获得正确的作用于试样表面的载荷与压痕深度的关系曲 线( 简称载荷- 位移曲线) ，最后通过载荷位移曲线计算出试样的硬度，绘 出在不同压痕深度下试样的硬度变化曲线，并与参照硬度相比较。以此来评 定系统的工作性能。论文主要围绕以下几个方面的内容展开： ( 1 ) 系统总体设计 通过仔细比较选择合适的微位移驱动和检测方式，并以高速数字信号处 理器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为核心进行系统总体设计。 ( 2 ) 微载荷加载与位移测量机构的研制 设计精度较高的微载荷加载机构，加工后，标定参数，并进行初步的性 能测试。精密的位移检测手段也是微纳米硬度检测的关键技术之一。设计高 精度、高灵敏度的电容传感器，作为微位移的检测装置，并对其性能进行了 实验验证。 ( 3 ) 微载荷加载驱动电路的设计与研制 为了达到较高的加载载荷分辨率，采用较高分辨率的驱动装置是必不可 少的。设计并研制了高精度的恒流源用于驱动电磁线圈，并对其性能进行 了实验验证。 ( 4 ) 微纳米硬度检测系统的集成与应用实验 通过比较纳米压痕实验研究后获得的不同载荷下的硬度与参照硬度来讨 论系统的实验效果。 堕查堡三些查兰三兰堡圭兰堡兰三 第2 章系统总体设计 用纳米压痕硬度测量仪测量最多的两个力学性能是硬度和弹性模量，常 规的显微硬度计是通过显微镜测量压痕对角线长度来计算压痕面积，由载荷 与面积的比值得到材料的硬度。因此为了保证测量精度，压痕尺度不能太 小，亦即实验载荷不能太小，但这样的试验载荷对大多数薄膜材料来说已足 以压破薄膜将压痕打到基体上，故其测试结果不能真实反映薄膜材料的性 能；对于金属材料和复合材料，压痕尺寸太大根本无法区分基体和强化相。 纳米压痕硬度测量仪则解决了这些问题。概括地讲，纳米压痕硬度测量仪是 一个压入系统，靠一金刚石压头压入样品表面，它与显微硬度计的最大差别 在于它能连续记录载荷一位移数据，通过载荷一位移数据来计算材料微区的硬 度和弹性模量，而不需要通过光学方法测定压痕面积，因此避免了测量和材料 弹性恢复引入的误差悼j 。 图2 - 1m i c l t d 公司制造的纳米压痕检测装置示意图 f i g2 - 1t h es k e t c hm a po f n a n o i n d e n t a t i o nt e s t i n gs y s t e mm a d eb ym t c l t dc o 8 0 年代末美国橡树岭国家实验室o l i v e r 博士领导的研究小组首先研制 成功n a n oi n d e n t e ri i 纳米显微力学探针，它能连续记录位移数据，实验载 荷可小至微克数量级。因此能得到距材料表面几十纳米厚的硬度和弹性模 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 量，北京科技大学新金属材料国家重点实验室于1 9 9 4 年引进一台纳米显微 力学探针，并且做了大量研究工作。图2 - 1 是由p o l l o c k 等人设计的，由 m i c l t d 公司制造的纳米压痕检测装置示意图。这套装置采用了磁性线圈加 载，用电容测位移测得压痕深度的方法。但这套装置对振动和温度的变化非 常敏感，如果很好地解决了振动的隔离和温度波动的问题，可以取得很高的 检测精度。 纳米压痕硬度测量的商品化仪器主要由三部分组成，固定在刚性杆上特 殊形状的压头，致动器提供动力，传感器测压头位移。 2 1 系统总体设计 根据纳米当今纳米硬度检测中普遍运用的o l i v e r - p h a r r 方法，需要建立 一套能够连续进给，压入试样表面，并且能够检测到载荷力和压痕水平截面 积的系统。传统的宏观压痕面积通常采用测量压痕对角线的方法来实现，但 是在微观领域，这是不可能实现的，根据压头形状，选用不同的替换公式， 用压入深度来代替压痕面积，并带入公式进行计算，求出硬度值。本系统采 用垂直加载方式，将待测样品放置于水平工作台，并根据需要设计出一套能 够连续加载并检测出压入深度的系统，设定最大加载值与加载点数之后，进 行自动加载，完成硬度检测实验。 目前，数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 已经广泛应用于自 动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 的d s p 系列是适合于数字控制的一种d s p 。t i 提供了完整 的数字控制d s p 解决方案，设计了工业级性能的d s p 芯片，提供了很多实 用代码，这些都极大地推进了数字控制地革命。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 具 有完美的性能并综合最佳的外设接口。在这个系列的器件中，它集成了闪 存、高速a d 转换器、高性能的c a n 模块等。其中l f 2 4 0 7 a 是当前世界 上集成度最高、性能最强的运动控制d s p 芯片，它集成了3 2 k 字闪存、1 6 个脉宽调f l i q ( p w m ) 通道、一个c a n 模块、以及一个超高速的5 0 0 n s 的1 0 位模数转换器( a d c ) ，其时钟频率高达4 0 m h z 3 5 1 。 整个系统的结构简图如图2 2 所示。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，将整 个系统分解成几个子系统，分别进行设计与研制。其中包括微位移驱动装置 的研制，驱动电路的设计，微位移检测装置的研制，以及测头的研制，并最 终集成一起，进行纳米压痕实验。 堕釜鎏三些查耋三兰堡圭兰竺篓三。，。； 图2 - 2 系统结构框图 f i g2 - 2t h e s t r u c t u r eo ft h es y s t e m 本装置通过与计算机的交互通信，接收控制命令，包括最大加载力与加 载点数等，并通过1 6 位地址和1 6 位数字信号输出驱动一个1 6 位的数模转 换模块，用以控制电磁线圈中的电流以达到控制驱动力的目的。采用电容传 感器，传递轴位移的变化将产生电容值的变化，并将此信号转化为易于采集 的信号形式，传输给数字信号处理器。本实验装置需要完成两个最主要的任 务，首先就是进行加载装置的驱动，其次是位移信号的转换和检测。 2 2 微位移驱动方式及检测方式的选择 微位移驱动和微位移检测是本实验装置最为关键的两个部分，其分辨率 和精度的高低直接决定了纳米硬度检测系统的可靠性和实用性。所以设计满 足要求的微位移驱动和检测装置，是本文的核心内容。 2 2 1 微位移驱动方式的选择 目前实现微位移技术的方法大致可以分为以下几类： ( 1 ) 机械传动微位移机构其结构形式主要有：螺旋机构、杠杆机构、 楔块凸轮机构，以及它们之间的组合机构等。机械传动式微位移机构存在间 隙、具有传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等。 ( 2 ) 电热式微位移机构电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位 移的。由于热惯性的存在，不适用于高速位移。 _j线鬻 模1i一蚕譬 数 ，兰三|i一 ! 薹喾 芦砖 岛圬 _ = = ： l 号 一a j婴”二潍一荨二 r小1晕 ( 3 ) 磁致伸缩微位移机构磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场 的作用下产生微伸长运动来实现微位移的，但磁致蠕变现象很难解决。 ( 4 ) 压电陶瓷微位移机构压电陶瓷微量迸给机构是利用压电陶瓷在电 场的作用下发生变形，从而推动执行元件产生微量位移。具有结构紧凑、体 积小、无机械摩擦、无间隙、具有很高的位移分辨率，但是压电驱动中的非 线性、蠕变和滞后很难解决。 ( 5 ) 电磁铁驱动的微位移机构它是比较典型的一种形式，压头的驱动 是基于载流线圈在磁场中受力原理。在磁场中的线圈通过电流时，产生的安 培力为f = k b i n 。如果式中k ( 与线圈结构、磁场参数等有关的常数) 、b ( 磁感应强度) 、n ( 线圈匝数) 均为常数，该式可改写为仁盯。通过对磁 铁一线圈优化设计得到电一磁力的线性关系以后，通过对电流大小的控制可 以很好地进行力的控制。磁力作用下，拉杆能实现自动对中，消除了横向力 的影响，并减小了振动。并且电磁式驱动装置结构简单，不存在机械摩擦， 对实验条件和工作环境要求不苛刻，另外其具有位移范围可控、线性度好、 低磁滞以及直流电流精确控制的优点。 所以，对于本设计选择电磁式的微位移驱动机构。 2 2 2 微位移检测方式的选择 当前位移的非接触测量主要采用激光干涉法、电感式位移检测方法和电 容式位移检测方法。激光干涉法需要在微构件表面作出标记线，显然给实验 带来了很多麻烦，制作也很困难，还影响测量结果。清华大学采用光纤位移 传感器测量多晶硅的力学性能，此传感器有很好的线性工作段，测量精度达 到5 0 h m ，所以得到令人满意的结果。但对于测量更小的构件，对如碳纳米 管等进行力学性能进行研究时，很难满足精度要求，而且光纤传感器对光源 的要求很高。 电感式位移传感器具有工作寿命长、灵敏度及准确度较高、线性好、性 能稳定可靠等特点，在机械运动的测量和控制中得到广泛应用。目前，测量 较大位移量的电感式位移传感器一般采用带铁芯的差动螺管式自感或互感传 感器，如差动变压器等，其测量线圈由两个以差动方式工作的螺线管组成并 由正弦电源激励，线圈内的铁芯棒由被测位移带动改变线圈的自感或互感， 再由测量电路转换为电压或电流信号输出。这种传感器由其结构决定了它也 存在着以下一些问题：【3 8 4 0 】 ( 1 ) 由于采用铁芯而使传感器较为笨重、惯量太、频响低、铁芯损耗 大。 ( 2 ) 为获得较好的线性，传感器的量程长度一般仅占线圈总长度的 1 1 0 1 4 ，因而体积过大。 ( 3 ) 需要采用较精密的元件构成振荡器，形成稳定的、波形失真小的正 弦电源激励线圈。此外对测量电路的要求也较高。 对于缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比 较适宜，主要是电容传感器具有一下突出优点： ( 1 ) 结构简单只需要两个相互靠近的金属材料表面即可产生电容信 号，对实验设备等要求不高： ( 2 ) 灵敏度高如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达1 0 _ 7 数量 级： ( 3 ) 动态相应快因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态 测量，也可静态测量： ( 4 ) 稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材 料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温、强磁场、强辐 射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。 结合课题的实际应用情况，采用电容式传感器作为位移检测装置，将定 极板固定在驱动装置的结构体上，动极板固定在传递轴上。当传递轴产生轴 向位移时，电容量将发生变化。 2 3 本章小结 本章对多种微位移驱动和微位移检测方式进行了比较，根据本设计的需 要选择了电磁式驱动方式和电容式微位移检测方式。论述了整个微纳米硬度 检测系统的组成与工作原理，并设计了以数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的设计方案，为下一步进行详细设计奠定了基础。 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭兰堡竺兰 第3 章微载荷加载与位移测量机构的研制 微载荷加载与微位移测量机构是纳米硬度检测装置最为重要的部分，其 精度、量程及分辨率的大小直接影响到系统的性能指标。本章主要介绍测 头、线圈磁铁驱动器、电容检测电路、信号采集以及系统最终的标定等内 容，在设计时应该满足驱动力及位移变化范围较大而力分辨率、位移分辨率 小的要求。 3 1 电磁式微纳米硬度测头的研制 本系统加载装置采用电磁驱动方式，位移检测采用变距离式的电容传感 器a 为了便于装配，采用了单电容的设计，两电容片表面均经过研磨，以保 证接触表面粗糙度r a o 3 2 u m 。上、下两变形筋均采用金属腐蚀方法加工而 成，尽可能减少变形筋内应力和降低刚度。如图3 1 所示，当传递轴受力 后，变形筋发生变形，变形力与施力形成平衡，此时两电容片之间距离即产 生了电容信号。 图3 - 1 加载装置结构简图 f i g3 - 1b r i e f s t r u c t u r eo f t h el o a dd e v i c e ：堕查鎏三兰奎兰三兰堡圭兰堡篁塞 ： 本装置压头使用中心线与锥面之间夹角为6 5 _ 3 。的三棱锥压头( b e r k v i c h 压头1 。该压头端部半径。 5 0 n m ，中心线和面的夹角精度为0 0 2 5 。在纳 米压痕硬度测量中，b e r k v i c h 压头是一种理想的压头。其优点是：易获得好 的加工质量，很小载荷就能产生塑性，能减小摩擦的影响，和维式v i c k e r s 压头的结果直接对比，该压头的压痕形貌，残余压痕形貌只取决于材料特 性，所以能完全的反映出材料特性。 3 2 线圈磁铁驱动器的设计 采用电磁式的加载方式，当线圈中通过电流时即产生电磁力，与永磁铁 之间产生吸引力或者排斥力。如图3 2 所示为线圈磁铁驱动器的原理图，其 中a 为线圈的内圆半径，砚为线圈的外圆半径，为线圈的长度。丁建宁、 孟永钢、温诗铸研制的电磁驱动微拉伸装置中线圈磁铁驱动器的优化实验结 果显示：当货= 2 ，f l = l ，z ；0 7 7 时，同样的电流产生的力最大。【4 1 】其中， 窑= a 2 a l ，z 为线圈的填充系数。 糸 一 善 i j l r 、撩镶 。嘎 ，群2 1 广 f ) 躐涮 图3 - 2 线圈磁铁驱动器 f i g3 - 2 t h e m a g n e t c o i lf o r c ea c t u a t o r 线圈选择铜丝作为线圈材料，线圈骨架为塑料。由于钐钴永久磁铁具有 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 稳定性好、剩磁高、不易退磁等优点，所以永久磁铁采用钐钴磁铁 y x g 3 0 ，剩磁为1 0 5 t ，基本尺寸为1 2 r a m x l 2 m m ，中间有q 4 m m 的通 孔，其与传递轴的连接采用过渡配合。 3 2 1 电磁驱动力的确定 根据电磁场理论有：f ，：m 坠 1 出 ( 3 1 ) 式中，r 一一沿传递轴轴向的电磁驱动力； 埘一一永久磁铁的磁力矩； 风一一沿传递轴轴向的磁场强度； x 传递轴相对于平衡位置的轴向位移； 对于在一般场强中的的永久磁铁，内在的磁化近似于它的剩磁的大小 曰。则有：m = 占k 。n 其中v 为永久磁铁的体积。 沿传递轴轴线方向的磁场强度： 日抖以。l 血掣糍笋州f p z ， 式中厂如，纠= 卢，n 辫 ，当通电电流为，时，线圈中心处的磁 场强度为：以( o ) = 篓警筹器，为线圈匝数。 由式( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 得： c 气m 肛x n i1 ) i 必坐唑掣l ( 3 s ) 3 2 2 永久磁铁安装位置的确定 要保证线圈磁铁驱动器输出最大的电磁驱动力并且力变化率较小，永久 磁铁的轴向位置必须予以确定。 对式( 3 - 3 ) ，令r ：悼芝鱼望型鱼孕垫删l ，则在其它参数一定 n x 的情况下，合理选择x 的值，可使凡具有最大值。选择优化参数g = 2 ，= l 堕玺鎏三些查：三茎堡圭兰堡鎏兰 时，当a l = s m m 、d l = 1 0 m m 、d 1 = 1 2 m m 等时，不同线圈下的场梯度如图3 3 所示。 通过衄线表明：当x = d ，时，丁有最大值，也就是具有最大的电磁驱动 力。同时，当x 在口l 附近时，丁的变化率较小，当位移变化较小时，电磁 驱动力也就会变化不大。所以，当永久磁铁中心处于线圈末端时，线圈磁铁 驱动器能够输出最大的电磁驱动力且力变化率较小。 图3 - 3 不同线圈下的场梯度 f i g3 - 3f i e l dg r a d i e n ta l o n ga x i sd i f f e r e n tc o i l s 3 2 3 线圈材料直径d 及匝数的选择 对于线圈磁铁驱动器的结构尺寸口l = 8 m m ，口2 = 1 6 m m ，= 1 6 m m ，选择 匝数= 1 0 0 0 0 ，假设铜丝漆包线密绕，则近似有：虽告= 1 0 0 0 0 ，计算 得：d = 0 1 1 3 m m ，在实际线圈绕制中，选择d = 0 1 0 m m 。 3 3 位移一电容一频率转换电路 当给线圈磁铁驱动器一定的e g 流，将会驱动传递轴上下运动。为了精确 堕玺鎏三些奎兰三耋堡圭兰堡鎏奎 测量位移的变化量，通过差动电容传感器将位移信号转化为电容信号，然后 再转化为其它直观信号，最后由数据采集卡将这个信号的变化采集出来a 一 般来说，常用的位移转换的方法有位移电容频率转换、位移电容一电压转 换、位移电容。相位转换等。本文采用位移电容- 频率转换电路，它具有电 路简单直观、转换效果较理想、便于用示波器观察以及便于脉冲计数装置采 集信号等特点。 位移电容一频率转换电路采用r c 环形振荡电路。环形振荡电路是由奇 数个反相器首尾相接并利用门电路固有的传输延迟时间而形成的一种振荡电 路。这种环形振荡电路的优点是结构简单，但是由于门的延时时间极短， t t l 电路只有几十个纳秒，c m 0 s 电路也只一两百纳秒，因此获得较低的 振荡频率则必须串联较多的奇数个门来实现，同时获得的振荡频率也不能连 续变化，为了克服这一缺点，可再增加r c 调节电路，构成一个带有r c 调 节电路的环形振荡电路。这样，就可利用该环形振荡电路来把电容的变化转 换为方波频率的变化，从而能直观的从示波器上看出方波变化波形。r c 环 形振荡电路如图3 - 4 所示。 电容极板 图3 - 4 r c 环形振荡电路 f i g3 - 4r cl o o ps u r g i n gc i r c u i t 根据电路知识可知：- 厂2z 去石 式中，方波振荡信号频率； c 极板的电容； r 一一与电容并联的电阻； 又有： c ：s o e , a d 式中，。相对介电常数； 8 0 真空介电常数； ( 3 4 ) ( 3 5 ) 兰釜鎏三娑奎兰三兰堡圭兰堡鎏圣 d 一一两极板间距离； 名一一两极板闻正对蟊积； 由公式( 3 4 ) 和( 3 - 5 ) 可得： d = 2 2 s , e o a f r ( 3 - 6 ) 所以当电容两极板间距离变化时，方波振荡信号频