[發(fā)明專利]一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載裝置及方法

在審

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• 申請日: 2021-11-02
• 公開（公告）號: CN114062170A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李強(qiáng);李華豐;朱振宇;任冬梅;萬宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42;G01N3/08;G01N3/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明公開的一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載裝置及方法，屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、電壓調(diào)整模塊、壓電陶瓷驅(qū)動模塊、靜電力平衡式壓頭和電容讀取模塊。靜電力平衡式壓頭用于實現(xiàn)微小力值加載，主要由壓電陶瓷堆、固定梳齒、懸浮梳齒、傳導(dǎo)桿、壓針和彈性支撐梁組成。本發(fā)明保持梳齒電容的輸出電容值不變，利用壓電陶瓷帶動梳齒電容固定端產(chǎn)生垂直于壓入方向的位移的同時，通過調(diào)節(jié)梳齒電容電壓改變靜電力，使梳齒電容懸浮梳齒的彈性支撐一直處于初始狀態(tài)，當(dāng)壓頭再次達(dá)到受力平衡時，增加的靜電力直接轉(zhuǎn)換為加載力，從而消除因彈性支撐梁的變形引入的加載力的非線性，實現(xiàn)高精度可控加載。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載裝置及方法，具體涉及一種利用調(diào)節(jié)梳齒電容電壓改變靜電力實現(xiàn)壓頭受力平衡最終實現(xiàn)微小力值加載的裝置及方法，屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

納米壓痕技術(shù)也稱為深度敏感壓痕技術(shù)，是一種測量材料彈性模量、硬度等力學(xué)性能參數(shù)的微尺度力學(xué)測量技術(shù)，主要通過測量作用在壓針上的載荷和壓入樣品表面的深度獲得材料的載荷-位移曲線。常見的納米壓痕儀一般由實現(xiàn)納米壓入的加載單元、用于測量壓入深度的位移傳感器、金剛石壓針和控制系統(tǒng)組成。壓入測試方法為：壓頭按預(yù)定的加載曲線將壓針壓入被測對象，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最大加載力時，壓頭以可控的方式進(jìn)行卸載，在加載和卸載過程中記錄壓入深度，通過施加的載荷、壓針的形狀和壓入深度計算得到材料的各種性能參數(shù)。由上述工作過程可知，如何準(zhǔn)確實現(xiàn)微小力值可控加載和實時測量壓入深度值是實現(xiàn)納米壓入測試的關(guān)鍵。

目前實現(xiàn)微牛級力值加載的主要方法是靜電力法，即通過在電容極板間施加直流偏壓，使采用彈性支撐的懸浮極板和固定極板之間產(chǎn)生靜電力，通過懸浮極板帶動壓針對被測試樣施加壓力，壓入深度可以通過懸浮極板讀取的電壓值換算得到。采用該加載方法得到的加載力是靜電力減去懸浮極板和彈性支撐等結(jié)構(gòu)的重力、彈性支撐的彈力得到的，因包含了彈性支撐的彈力，因此具有較大的非線性，需要經(jīng)過高精度校準(zhǔn)才能實現(xiàn)可控加載。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在彈力導(dǎo)致較大的非線性，進(jìn)而使得加載力輸出不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載裝置及一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載方法，保持梳齒電容的輸出電容值不變，利用壓電陶瓷帶動梳齒電容固定端產(chǎn)生垂直于壓入方向的位移的同時，通過調(diào)節(jié)梳齒電容電壓改變靜電力，使梳齒電容懸浮梳齒的彈性支撐一直處于初始狀態(tài)，當(dāng)壓頭再次達(dá)到受力平衡時，增加的靜電力直接轉(zhuǎn)換為加載力，從而消除因彈性支撐梁的變形引入的加載力的非線性，實現(xiàn)高精度可控加載。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的一種基于梳齒電容的平衡式微小力值加載裝置，包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、電壓調(diào)整模塊、壓電陶瓷驅(qū)動模塊、靜電力平衡式壓頭和電容讀取模塊。

靜電力平衡式壓頭用于實現(xiàn)微小力值加載，主要由壓電陶瓷堆、固定梳齒、懸浮梳齒、傳導(dǎo)桿、壓針和彈性支撐梁組成。懸浮梳齒與傳導(dǎo)桿固定連接；壓電陶瓷堆與固定梳齒固定連接，壓電陶瓷堆帶動固定梳齒移動，實現(xiàn)精確位移。固定梳齒，懸浮梳齒構(gòu)成梳齒電容，通過改變固定梳齒與懸浮梳齒之間的電壓值調(diào)節(jié)傳導(dǎo)桿上下移動。壓針位于傳導(dǎo)桿端部，與加載對象接觸。彈性支撐梁兩端固定，其中一段固定在傳導(dǎo)桿上。

壓電陶瓷驅(qū)動模塊用于控制壓電陶瓷堆實現(xiàn)高精度位移輸出；電容讀取模塊用于實時讀取固定梳齒和懸浮梳齒間的電容值；電壓調(diào)整模塊用于調(diào)節(jié)固定梳齒和懸浮梳齒間的偏置電壓；數(shù)據(jù)采集與控制模塊用于讀取壓電陶瓷堆的位移值，并根據(jù)電容讀取模塊得到的電容值控制電壓調(diào)整模塊調(diào)整固定梳齒和懸浮梳齒間的偏置電壓，調(diào)節(jié)靜電力輸出，使彈性支撐梁保持初始狀態(tài)不變，將因固定梳齒和懸浮梳齒間的偏置電壓變化引起的靜電力變化直接轉(zhuǎn)化為壓針的加載力，實現(xiàn)可控微小力值加載。