压痕测试仪器的研制与试验分析

付海双，赵宏伟，王平，徐迪孟，史文欣

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2.吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130025）

随着材料领域的研究深入，材料的微观力学性能参数越来越受到国内外学者的重视，由于材料的宏观力学参数与微观力学参数不尽相同，因此，用来分析材料微观力学参数的压痕测试仪器应运而生。压痕测试仪器的测试手段与传统硬度计的工作方式相同，但是压痕测试技术测量尺度微纳化、多元化，并且测试面积小，属于无损检测方法，通过压痕测试技术，可以得到材料的硬度与弹性模量等力学性能指标。目前国外已经推出商品化压痕测试仪器，相关技术手段也日益成熟。反观国内，由于国外对我国高端技术禁运，该领域尚处于摸索阶段［1，2］。

基于上述背景与项目需要，研制了一套压痕测试装置，并对设计的测试装置进行了仿真分析与调试校准工作，验证了所设计的测试装置的可靠性。

1 测试装置结构设计

压痕测试装置主要包括宏观运动平台、精密驱动单元两大部分。

1.1 宏观运动平台

宏观运动平台实现压痕测试装置的快速进给运动，主要包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、导轨等零部件。其中丝杠导程为1mm，编码器为20位，因此理论上电机运动的最小位移为1nm。

因此计算机每一个脉冲，电机运动位移量约为1nm，由于电机驱动宏观运动，进给量比较大，精度完全能达到使用要求。

1.2 精密驱动单元

精密驱动单元主要包括柔性铰链、压电叠堆、位移传感器以及力传感器四部分。……