附录A范文设计类：一种微纳米硬度检测装置的研制XXX,XXX,XXX,XXX摘要：纳米压痕技术是一种先进的材料微硕度测量方法，广泛应用于微机电系统、摩擦学性能研究等领域。研制一种新型的纳米硬度检测装置，采用电磁驱动方式加载微载荷和电容传感器测试微位移。试验装置的载荷分辨率为47pN,位移分辨率为7nm。通过对单晶铜进行压痕试验证明，该装置可以实现纳米级的显微硬度测试。关键词：纳米硬度；电磁驱动；电容传感器；压痕试验中图分类号：TH文献标识码：A0引言近十几年来，随着微机电系统(Microelectromechanicalsystems,MEMS)、薄膜材料、生物工程等发展，需要检测材料在微小几何尺寸下的力学性能，要求达到微米级甚至纳米级，这需要先进的测量方法和手段⑴。纳米压痕技术是一种先进的材料微硬度测量方法，由于其装置上具有较高分辨率的力传感器和位移传感器，可获得压头在压入和退出材料时连续的载荷•位移曲线，通过相应的算法可以计算出材料的硬度与弹性模量等物理量。图1所示为典型的载荷■位移曲线。在加载过程中，试样表面首先发生弹性变形，随着载荷的逐渐增大，试样开始发生塑性变化，加载曲线呈非线性；卸载曲线则反映了材料弹性恢复的过程。根据加卸载曲线，通过相应的算法可以得到材料的纳米硬度和弹性模量，在这些算法之中，应用最广泛的是Olive.Phar®方法，它通过经典的弹塑性理论给出硬度的定义：P=B(h-hj),nS亂f74=24.56£+》C/异⑸z=0式中：P”际为最大载荷，N；心为接触表面的接触面积，与接触深度有关；P为作用在试样上的载荷，N；〃为压头位移，m；仏收为最大压深；如为完全卸载后的位移，m；加为接触深度，m；B、m为卸载曲线的拟合参数；£、C：是与压头形状有关的参数(对于Berkovich压头，£=0.75)。1系统的总体设计微纳米硬度检测技术的关键是微驱动力测量和微位移检测。电磁驱动装置具有结构简单、不存在机械摩擦、能实现直流电流精确控制等优点，并且在磁力的作用下，拉杆能实现自动对中，减小了振动，选用电磁驱动作为微载荷的加载方式。电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快和稳定性好等特点，特别适用于变化缓慢或微小量的测试，选其作为该装置的微位移检测方式，为便于---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---封装和系统的集成，此处选用单式电容传感器。图1载荷■位移曲线1.1系统的整体结构设计基于微驱动力加载方式和微位移检测方式的选择，系统的结构应使电磁驱动装置和电容传感器装卸方便，保证其位置精度要求；系统的控制和信号检测电路应尽量靠近执行机构，缩短外接导线的长度，避免外界信号对系统的干扰。综合以上因素，系统的结构图如2所示。系统的电路部分放置在空腔1内；孔2用来放置电容静极板，动极板固定在移动轴顶端，通过绝缘体与移动轴隔绝。两电容片表面均要经过研磨，以保证接触表血粗糙度Ra<0.32gm。同时，静极板为可调式，这样可以通过调节上电容片的位置，來减少因传递轴的口重引起的对电容片之间位置变化的影响。移动轴由上、下两部分构成，通过螺纹连接。移动轴上部分从两个固定在基体上的变形筋中心穿过，通过与轴套和移动轴下半部分的配合来固定住两块磁铁，并保证每块磁体的尺寸中点分别在激励线圈的末端⑶。移动轴下半部分的最末端装夹金刚石压头。工作原理如下：当线圈通电时，因电磁效应而产生电磁力，驱动传递轴运动，电容的两个极板之间的距离发生变化，从而引起电容的变化，电容信号经外部电路转换为直观易测的电信号，经过A/D转换输入PC,进行显示与存储；线圈断电，移动轴会在变形筋的作用下恢复到起始位置。变形筋的材料选取与形状对系统的性能有直接的影响。变形筋的刚度太大或太小都会影响系统的动态特性，必须对变形筋的性能进行分析。为减小变形筋的内应力，上、下变形筋均采用金属腐蚀方法加工而成c当加载最大驱动力450mN时，变形筋的挠度应大于20pm。图3所示为变形筋的载荷■位移标定曲线，其线性度＞0.9998。在450mN载荷的作用下，变形筋的挠度68.3nm,通过有限元分析结果为73.7pm,出现偏差可能是由于变形筋本身的精度和安装尺寸误差引起的。---本文来...