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Word版说明书1份，共62页，约24000字

 

CAD版本图纸，共20张

力学性能是评价材料质量的主要指标，也是进行设计与计算的重要依据，其测试技术的研究与相应仪器的研制是科学界的热点课题。

 

随时代进步，材料特征尺寸的减小，仅通过试样表面微小形变得到材料硬度、弹性模量等力学参数的微纳米压痕测试技术应运而生，并以其应用范围广、测试内容丰富、试样制备简单、操作方便的优势而发展成为主流。考虑到温度对材料性能的影响十分显著，为降低生产事故和损失，用材料在真实服役条件下的性能参数指导生产才有意义，为此发展了变温微纳米压痕测试技术。

 

综合以上考虑，本毕设要研制一台集精密驱动、检测、定位、温控、计算机闭环测控等技术为一体的低温微纳米压痕测试仪。

 

绪论详细介绍了研究背景和压痕测试的国内外进展，并结合商业化压痕测试仪提出了本设计的重点难点；结合压痕测试原理给出了仪器的方案设计，在方案可行性分析的基础上，明确了单片机驱动半导体制冷的工作方案，并结合设计难点，重点讨论了温控模块的布局，提出加设电阻丝、隔热套减弱温漂，使用旋转偏心载物台等创新方案；在此基础上，设计出整机结构，并建立三维 CATIA 模型，说明装置工作原理，给出了仪器主要机械元件的设计分析过程；针对测试仪器的关键技术——低温控制模块，给出了详细的单片机 PID 温度控制电路设计过程及电器元件的选型。通过配置制冷箱，实现室温至-50℃左右的低温微纳米压痕测试。

 

 

 

关键词：

 

微纳米压痕测试 半导体制冷 力学性能 单片机温度控制 精密驱动

 

目 录

第 1 章 绪论 .............................................................................................................. 1

1.1 研究背景......................................................................................................... 1

1.2 问题提出......................................................................................................... 1

1.3 毕设任务......................................................................................................... 2

1.4 变温微纳米压痕测试技术............................................................................. 2

1.5 国内外研究进展............................................................................................. 3

1.5.1 国外研究进展...................................................................................... 3

1.5.2 国内研究进展...................................................................................... 8

1.6 论文研究的重点难点..................................................................................... 9

1.7 本章小结......................................................................................................... 9

第 2 章 微纳米压痕测试的分析方法与测试仪器的方案设计................................ 11

2.1 微纳米压痕测试技术和测试仪器简介....................................................... 11

2.1.1 微纳米压痕测试技术........................................................................ 11

2.1.2 微纳米压痕测试仪器........................................................................ 11

2.2 微纳米压痕测试的经典分析方法............................................................... 12

2.3 测试仪器的方案设计................................................................................... 16

2.3.1 制冷方法的选择................................................................................ 16

2.3.2 半导体制冷材料简介........................................................................ 17

2.3.3 温控模块的布局................................................................................ 17

2.4 本章小结....................................................................................................... 19

第 3 章 低温微纳米压痕测试仪的设计分析............................................................ 20

3.1 测试仪器的整体设计................................................................................... 20

3.2 测试仪器的工作原理................................................................................... 21

3.3 测试仪器主要机械元件的设计分析........................................................... 23

3.3.1 基础支撑模块.................................................................................... 23

3.3.2 水平/竖直运动定位模块.................................................................. 23

3.3.2.1 伺服电机的选型校核............................................................. 24

3.3.2.2 丝杠的校核计算..................................................................... 27

3.3.2.3 导轨的设计计算..................................................................... 30

3.3.3 精密驱动模块.................................................................................... 32

3.3.3.1 压电叠堆................................................................................. 33

3.3.3.2 柔性铰链................................................................................. 33

3.3.4 精密检测模块.................................................................................... 36

3.3.5 温度控制模块.................................................................................... 38

3.3.6 计算机测控模块................................................................................ 38

3.4 本章小结....................................................................................................... 38

第 4 章 测试仪器温控模块电器元件的选型与电路设计........................................ 40

4.1 单片机温控电路系统框图........................................................................... 40

4.2 温控电路的工作原理................................................................................... 40

4.3 温控电路主要电器元件的选型设计........................................................... 41

4.3.1 单片机的选型.................................................................................... 41

4.3.2 模数转换器的选型............................................................................ 42

 

4.3.3 键盘与显示方案的确定 42

 

4.3.4 温度传感器的选型 43

 

4.3.5 信号放大器的选型 43

 

4.3.6 稳压器的选型 45

 

4.3.7 半导体制冷芯片的选型 46

 

4.3.8 地址锁存器、数据存储器扩展芯片的选型 47

 

4.3.9 上、下位机连接芯片的选型 48

 

4.4 本章小结 48

 

第 5 章 结论与改进 49

 

5.1 结论 49

 

5.2 改进 49

 

致谢 51

 

参考文献 52

 

附录 54

 

A. CATIA 三维模型 54

 

B. 单片机温度控制电路原理图 56