[发明专利]一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪

摘要

一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪，包括力学加载模块，变温模块，光学成像与定位模块、气氛模块以及传感器系统，该应变仪可以切换高温低温模块实现广温域极端温度下力学测试，可以在密闭外壳内通入不同气氛实现多气氛环境下单轴原位力学测试，可以即时实现位移测量、温度测量、以及力学测量。该应变仪主要针对同步辐射原位力学实验设计，具有模块化，广温域、多环境、多场耦合、即时进行力学、位移、温度测量及反馈的特点。

主权项

1.一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪，其特征在于：包括以下模块：力学加载模块:包括双向螺杆(4)、滑杆(5)以及固定样品(18)两端的相向布置的拉头(15)、齿轮变速箱(32)和驱动电机(16)，所述双向螺杆(4)与滑杆(5)平行等高安装，共同穿过拉头(15)的底座(23)，且两端穿出密闭外壳(1)并固定在密闭外壳(1)上，双向螺杆(4)穿出密闭外壳(1)的一端通过联轴器和齿轮变速箱(32)以及驱动电机(16)相连；所述拉头(15)一共分为5层结构，包括压片(26)、用于承载压片(26)的L型承载面板(20)、变温模块(25)、绝热层(24)以及底座(23)，压片(26)固定于L型承载面板(20)上，采用沉入性设计，保证上表面和承载面板(20)齐平，压片(26)厚度为1～2mm，最大化X射线和电子束入射角，承载面板(20)分为两个部件，与压片(26)组合的水平部件(20‑1)，以及L型的竖直部件(20‑2)，竖直部件和水平部件通过两齿楔合，同时竖直部件处通循环水，水平部件上表面肋片加固；当样品(18)为薄膜样时尺寸为10mm*20mm；当为拉伸样时，形状为拉伸样形状，即中间细长，两端扁宽，两端为粗糙面；所述力学加载模块的位移量程为10mm至20mm，精度为1μm，可施加应变最大为100％，可施加力为0～1kN；变温模块：包括温度反馈系统、高温加热模块以及低温冷却模块，变温范围为：低温冷却模块为液氮沸点至室温，高温加热模块为室温至1000℃；高温加热模块和低温冷却模块均为长方形板片(28)设计，长边一侧加工两个倒角用于嵌入拉头(15)时作为限位，另一侧的限位依靠定位销(31)来实现；其中低温模块结构为三明治结构，由两块金属板固定住盘绕的铜管(27)；低温模块与外部液氮相接，由阀门(9‑1)开合通过流量控制温度，热电偶(12)提供反馈型号； 高温模块与外部电源相接，由继电器(9‑2)控制电阻丝升温，热电偶(12)提供反馈信号；变温模块可控制精度为±1℃；光学成像与定位模块：光学成像与定位模块包括可见光成像与定位以及不可见光成像与定位，所述可见光成像与定位主要包括反光镜(30)以及显微镜(10)，反光镜(30)包括分别布置在与水平面夹角a处的第一反光镜(30‑1)，与第一反光镜(30‑1)夹角为β的第二反光镜(30‑2)以及样品斜上方30°的第三反光镜(30‑3)；其中α与β的关系为2/(√3sin(α+β))＝1/(2cosβ)；反光镜(30)位于密封外壳(1)内与显微镜(10)相对固定，显微镜(10)水平方向正对反光镜(30)，从反光镜(30)中获取样品(18)信息；显微镜(10)的镜头通过密封外壳(1)插入，并在四周包覆橡胶(11)，用以保证气密性以及保证镜头和样品(18)之间亦能实现相对运动；反光镜(30)与显微镜(10)的镜头相对固定，当样品(18)出现在视野中时能够确认样品(18)在同步辐射样品台上水平方向的位置； 当调整高度方向，使样品(18)清晰时，即确认样品(18)高度方向位置；所述不可见光成像与定位的不可见光主要是指同步辐射劳厄X射线以及电子束，密封外壳(1)的上盖板作为不可见光的透视窗；上盖板共分为3层，上下板中间镂空，两板镂空处加持石墨片(29)，石墨片(29)与上下板通过有机树脂进行密封；气氛模块：包括初步除湿及过滤组件、进气口扰流组件、真空抽滤装置(17)以及多气氛混合室(7)，在多气氛混合室(7)之后安装气体流量计及气压反馈控制阀门(6)以及扰流网作为进气口扰流组件，密封外壳(1)内壁加工水平翅片；使用活性炭涂层，作为密封外壳(1)内初步除湿及过滤组件；通过气压计(14)的气压反馈控制阀门(6)的开合；真空抽滤装置(17)以及气氛混合室(7)分布在密封外壳(1)两侧；传感器系统：实现力学传感、位移测量及反馈、温度测量及反馈、气压测量和干湿度测量；力学传感依靠压电传感器(22)，所述压电传感器(22)固定在与L型承载面板(20)相对的拉头(15)的底座(23)台阶上，承载面板(20)下端与压电传感器(22)接触，L型承载面板(20)截面为平放的L型，与拉头(15)底座(23)呈现“互”字形结构，在力学加载时直接通过压电传感器(22)测量拉力；位移测量采用接触式测量，位移传感器两部分分别放置于固定在拉头(15)上的支撑架(19)上；温度测量为了增加准确性使用热电偶(12)接触样品(18)表面直接测量表面温度，其中金属丝绕成弹簧状，保证热电偶(12)探测头和样品(18)表面不会因为加载时振动导致温度测量不准；同时温度测量也包括对于壳体内温度监控，气压及干湿度的测量则针对壳体内环境，对壳体内温度、干湿度和气压的测量依靠固定在壳体一侧的气温及干湿度计(13)和气压计(14)进行测量。