專利名稱:測試微區(qū)腐蝕電位電流密度分布的掃描裝置的制作方法
本發(fā)明屬于金屬局部腐蝕的測試儀器設備。
在實際腐蝕體系中，長期以來，金屬表面電位和電流密度分布的測量在國內(nèi)外腐蝕科學界中均認為是十分困難的一個課題。七十年代后，在美國等發(fā)展了用掃描電極和簡單模擬電路測量電位分布，但所用的參比電極較粗(外徑約250微米)，金屬電極易極化，受溶液濃度的影響大，而且與實際腐蝕體系差別大，電位分布圖也不夠清晰、直觀。到1983年和1984年，日本和澳大利亞開始采用微計算機控制測量電位分布，使得在數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示方面得到改善。但還存在金屬表面微區(qū)信號測量靈敏度和分辨率低，掃描測量裝置復雜等缺點。微參比電極作X、Y兩個方向掃描的裝置，精度低，裝置復雜。高速轉(zhuǎn)動樣品，進行園周掃描，微電極垂直掃描的裝置也十分復雜，而且與一般的腐蝕體系差別較大，也不能測定電流密度分布。同時，現(xiàn)有裝置的適用性較差，只能測量低濃度介質(zhì)中的金屬表面電位分布。
查閱1974年到1977年的德溫特國際專利文摘累積和1978年到1984年的德溫特專利文摘周報，還查閱了從1980年到1984年的日本專利文摘，均未見與本發(fā)明有關的專利。
本發(fā)明的目的是提供具有能檢測到金屬表面低達數(shù)微米區(qū)域和約10微伏的微區(qū)電位信號，且功能全，使用方便，價格低廉，適用性強，可用于研究大多數(shù)實際局部腐蝕體系的微區(qū)電位和電流密度分布測試裝置的自動掃描裝置。
由于實際腐蝕體系的電位分布信號微弱，干擾嚴重，要求具有良好性能的微參比電極在非?？拷移叫杏诒粶y樣品的表面上進行掃描測量，為此，解決上述任務的方法是利用電熱垂直拉制法拉制尖端內(nèi)外徑微小，內(nèi)阻較低的微參比電極作為測量探針，使之能探測到金屬表面低達數(shù)微米區(qū)域的電化學不均一性;設計制造高掃描精度的自動掃描裝置，采用被測樣品作X軸方向掃描，微參比電極作Y軸方向步進的機械掃描方式，掃描由微計算機控制;利用千分表改裝成微參比電極上下讀數(shù)微調(diào)器，利用螺旋測微器改裝成推動樣品運動的絲桿，降低微參比電極與樣品表面之間的距離，以保證微參比電極在非?？拷粶y樣品表面上勻速掃描。
微參比電極是微區(qū)電化學研究的關鍵部件，測量微區(qū)電位和電流密度分布，首先必須具有電化學性能良好及滿足一些特殊要求的微參比電極，它的外形尺寸和內(nèi)阻極大地影響了微區(qū)電位的測量精度。本發(fā)明利用電熱垂直拉制法拉制尖端外徑小于10微米，內(nèi)阻小于500KΩ，具有足夠的機械強度的微玻璃毛細管(2)作為鹽橋，管中充入KCl溶液(3)，再與直管(4)用密封材料(5)連接，直管內(nèi)充入1NKCl溶液(6)，再插入Ag/AgCl參比電極(8)，如附圖1所示。
用于測量電流密度分布的微參比電極需兩根，并用固定裝置(9)固定在一起，以便同時掃描，其中一根的微玻璃毛細管垂直放置，另一根的微玻璃毛細管(10)呈彎曲，兩根微玻璃毛細管的尖端位于垂直于樣品表面的同一直線上，兩尖端的距離一般為300～600微米，如附圖2所示。
微參比電極與被測樣品之間的距離由電極上下讀數(shù)微調(diào)器(25)調(diào)節(jié)并讀數(shù)，距離小于50微米，一般小于30微米，最好約10微米，讀數(shù)精度為1微米。
除微參比電極和電極上下讀數(shù)微調(diào)器外，機械掃描裝置由底板、滑軌、滑塊、立柱、橫梁、絲桿、電機、軸承聯(lián)軸裝置、樣品架、電解池、電極裝夾具和微計算機控制電路等部分組成。掃描方式采用樣品在X軸方向來回運行，微參比電極在Y軸方向步進，以掃描整個樣品表面。其動態(tài)原理是X軸方向步進電機以一定轉(zhuǎn)速直接帶動絲桿，推動滑塊在滑軌上平動一定的距離，滑塊上的樣品也跟隨同樣的運動。此時，Y軸方向步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，推進微參比電極在Y軸方向步進一定距離，接著X軸步進電機反轉(zhuǎn)，使樣品回掃到另一端，微參比電極再向Y軸方向步進一步，接著X軸步進電機再正轉(zhuǎn)。如此往復循環(huán)，微參比電極就自動掃描了整個樣品表面。
如附圖3、4和5所示，X軸滑軌(11)固定在底板(31)上，X軸步進電機(17)通過軸承(14)和聯(lián)軸部件(15)使X軸絲桿(13)轉(zhuǎn)動，以便驅(qū)動X軸滑塊(12)在X軸滑軌上來回平動，樣品架(19)和電解池(20)固定在X軸滑塊上跟隨一起運動。
橫梁(21)固定在立柱(22)上，橫梁上裝有滑條(23)，Y軸滑塊(24)可在滑條上自由滑動，電極上下讀數(shù)微調(diào)器固定在Y軸滑塊上，微參比電極通過電極裝夾具(26)與電極上下讀數(shù)微調(diào)器連接，固定在電機座(30)上的Y軸步進電機(29)驅(qū)動Y軸絲桿螺母(28)，聯(lián)動Y軸絲桿(27)，使Y軸滑塊在滑條上運動，即微參比電極也跟隨運動。
X軸絲桿與Y軸絲桿互相垂直。這樣被測樣品在X軸方向上來回運動，微參比電極在Y軸方向步進，結(jié)果使微參比電極掃描了整個樣品表面。
自動掃描過程是由微計算機控制的，控制電路由可編程并行I/O接口(PPI)、CTC、環(huán)形分配器和功放電路等組成。微機中的CPU通過可編程并行I/O接口(PPI)與外設連接，外部狀態(tài)信息(例如微參比電極位置調(diào)節(jié)鍵)由PPI的輸入端口輸入，通過端口改變X軸步進電機和Y軸步進電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)微參比電極的掃描位置。PPI輸出控制信號，控制向X軸和Y軸步進電機提供脈沖信號，以控制電機按程序給定的參數(shù)運轉(zhuǎn)。PPI的另一個輸出端口輸出的控制信號與CTC配合形成定時脈沖，作為驅(qū)動步進電機的脈沖源，脈沖頻率由軟件控制，以改變電機的運轉(zhuǎn)速度即微參比電極的掃描速度。CTC工作在計數(shù)狀態(tài)，還可分別對驅(qū)動X軸和Y軸步進電機的脈沖數(shù)進行計數(shù)，從而控制電機運行的時間，即微參比電極的掃描過程。
從PPI和CTC輸出的脈沖信號分別送給兩組相同的驅(qū)動電路，先通過步進電機環(huán)形分配器，輸出三組具有不同相位關系的系列脈沖，分別經(jīng)三組功放后驅(qū)動X軸和Y軸步進電機運轉(zhuǎn)。
復位信號可使掃描處于初始狀態(tài)。
本發(fā)明的優(yōu)點是由于采用電熱垂直拉制法獲得尖端外徑小于10微米，內(nèi)阻小于500KΩ，穩(wěn)定性不劣于1毫伏/天，可逆性好的Ag/AgCl微參比電極，使微參比電極能在靠近被測樣品表面數(shù)微米的條件下測試低達數(shù)微米區(qū)域和約10微伏的微區(qū)電位信號。又采用樣品作X軸方向掃描，微參比電極作Y軸方向步進的自動掃描方式，利用螺旋測微器改裝成X軸絲桿，利用千分表改裝成電極上下讀數(shù)微調(diào)器，采用由微計算機控制由可編程并行接口(PPI)、CTC、環(huán)形分配器和功放電路組成的控制驅(qū)動電路實現(xiàn)對掃描裝置的自動掃描過程，因此掃描精度高，誤差小于10微米，掃描面積大，不小于20×15平方毫米，掃描速度快，達4毫米/秒，連續(xù)可調(diào)，微參比電極與被測樣品的距離調(diào)節(jié)精度1微米。本裝置的靈敏度和分辨率高，結(jié)構(gòu)合理簡單，操作方便，測量效率高，造價低廉，適用性廣，克服了目前各種方法只能測量低濃度介質(zhì)中的表面微區(qū)電位分布的不足之處。配合適當?shù)臏y量電路的軟件，可以在腐蝕現(xiàn)場，不干擾腐蝕過程，迅速測量金屬表面的腐蝕行為，檢測金屬表面微弱的電化學不均一性，得出各種清晰、直觀的電位分布圖形，給出定量結(jié)果，而且可以測量表面微區(qū)電流密度分布圖，評估金屬材料的耐局部腐蝕性能，是研究金屬局部腐蝕最直接最有效的電化學方法之一。
例如附圖12是18-8不銹鋼在5%的FeCl3·6H2O溶液中表面發(fā)生點腐蝕時的三維立體式電流密度分布圖。
附圖13是18-8不銹鋼在0.1NNaCl溶液中恒電位在+0.10伏，樣品處于腐蝕發(fā)生早期階段時表面等電位分布圖。
顯然上述圖形清晰、直觀。
附圖提供了本發(fā)明的一個實施例，由實施例將對本發(fā)明做進一步的說明。
附圖1·微參比電極的結(jié)構(gòu)。
附圖2·測量金屬表面微區(qū)電流密度分布用的微參比電極。
附圖3·自動掃描裝置的正視圖。
附圖4·自動掃描裝置的側(cè)視圖。
附圖5·樣品架和電解池。
附圖6·微計算機控制電路方框圖。
附圖7·步進電機控制與脈沖產(chǎn)生電路圖。
附圖8·步進電機驅(qū)動電路圖。
附圖9·位置調(diào)節(jié)鍵調(diào)節(jié)微參比電極起始掃描位置工作流程圖。
附圖10·由CTC送出的定時脈沖波形關系圖。
附圖11·由CPU直接產(chǎn)生步進脈沖電路圖。
附圖12·18-8不銹鋼在5%的FeCl3·6H2O溶液中表面發(fā)生點腐蝕時的三維立體式電流密度分布圖。
附圖13·18-8不銹鋼在0.1NNaCl溶液中恒電位在+0.10V樣品處于腐蝕發(fā)生早期階段時表面等電位分布圖。
在附圖1中描述了微參比電極的結(jié)構(gòu)，把外徑約1毫米，內(nèi)徑約0.8毫米的硬質(zhì)玻璃管垂直裝夾在架上，利用電熱垂直拉制的方法使玻璃管局部位置熔化并緩慢拉伸，直至拉斷，即可獲得尖端外徑小于10微米，內(nèi)阻小于500千歐姆的微玻璃毛細管(2)，管中充入KCl溶液(3)，把充入KCl溶液的微玻璃毛細管與另一直管(4)用密封材料(5)連接，直管一般可用玻璃管，密封材料可用石臘，直管上套有遮光性好的套管(7)，套管可用塑料套管，直管內(nèi)充入1NKCl溶液(6)，再插入Ag/AgCl參比電極(8)。
用于測量電流密度的微參比電極需兩根固定在一起，且同時掃描，如附圖2所示，其中一根的微玻璃毛細管(10)呈彎曲，兩根微玻璃毛細管的尖端位于垂直于樣品表面的同上直線上，兩尖端的距離一般為300～600微米，最好約為400微米。
附圖3、4和5中，X軸絲桿最好利用螺旋測微器改裝而成，樣品架和電解池固定在X軸滑塊上，樣品架和電解池用耐酸、堿腐蝕的材料做成，一般可用有機玻璃。電解池與樣品架的連接最好采用細螺紋，使電解池可以沿垂直軸旋轉(zhuǎn)，以便于處理樣品和顯微觀察。電極上下讀數(shù)微調(diào)器最好用千分表改裝而成，在千分表的表蒙轉(zhuǎn)盤內(nèi)安置一凸扭，轉(zhuǎn)動表蒙時可推動表針，使微參比電極跟隨微動。
在附圖6至11中描述了自動掃描過程的微計算機控制驅(qū)動電路，它由可編程并行I/O接口(PPI)Intel8255、z80-CTC、步進電機環(huán)形分配器CH250和功放電路等組成。(32)為CPU總線，(33)為PPI，(34)為CTC，(35)為脈沖分配與成形電路，(36)為環(huán)形分配器，(37)為功放，(38)為位置調(diào)節(jié)鍵。并行I/O接口(PPI)Intel 8255是一種具有三個8位端口的可編程的接口芯片。在電路中，端口A定義為輸出方式，PA0、PA1，分別作為脈沖分配器的控制信號，以決定由CTC產(chǎn)生的定時脈沖分配給X軸和Y軸步進電機。端口B也工作在輸出方式，用以控制步進電機環(huán)形分配器CH250的工作方式，以決定X軸和Y軸步進電機的正、反轉(zhuǎn)，即微參比電極的移動方向，環(huán)形分配器的復位信號也由這個端口提供、端口C工作在輸入方式，用以讀入四個位置調(diào)節(jié)鍵的狀態(tài)信息。當主程序調(diào)用位置調(diào)節(jié)子程序時，就可以用這四個鍵K1-4調(diào)節(jié)微參比電極的起始掃描位置，其工作過程見附圖9。(39)為“讀數(shù)狀態(tài)”，(40)為“有鍵按下？”，(41)為“判別并相應處理”，(42)為“結(jié)束”，(43)為“返回”。
步進電機的步進定時脈沖的產(chǎn)生和計數(shù)，可直接由CPU產(chǎn)生，見附圖11。每當CPU對這個外設口寫1時就產(chǎn)生一個步進脈沖，并且由軟件定時和計數(shù)。這種方法的優(yōu)點是硬件簡單，但CPU占用時間較長。
步進電機的步進定時脈沖的產(chǎn)生和計數(shù)的另一種方法是采用Z-80CTC定時器/計數(shù)器電路，由CTC產(chǎn)生定時脈沖，并對X軸和Y軸步進電機的步進脈沖計數(shù)。定時脈沖的重復頻率由軟件給定，以改變電極的運轉(zhuǎn)速度，即微參比電極的掃描速度，脈沖重復頻率的最大值主要受步進電機啟動頻率的限制，最低值原理上可以無限，但通常要求有一定的掃描速度，不能太低。對X、Y步進脈沖的計數(shù)，可以控制電機的步進次數(shù)，從而控制微參比電極的掃描行程。
定時脈沖的產(chǎn)生是共用的，而輸送給X軸或Y軸步進電機則決定于PPI的端口A的狀態(tài)。當PA0＝1(即O1B)時，脈沖送到Y(jié)軸步進電機;當PA1＝2(即1OB)時，脈沖送到X軸步進電機。由于光電耦合管的響應速度慢，而Z-80CTC的定時輸出脈沖較窄(約一個CPU時鐘周期)，因此必須對定時脈沖展寬，由二極管D、電容C和與非門組成的簡單電路完成。展寬后的寬度在可能達到最高重復頻率的周期的一半以內(nèi)，但又符合光電耦合管的可靠工作的需要，其波形圖如附圖10所示。
在附圖8中描述了步進電機環(huán)形分配器和功放電路。CH250環(huán)形分配器是一種單片的三相步進電機控制的數(shù)字集成電路芯片。改變14、15腳的狀態(tài)，就可以使電機作正、反轉(zhuǎn)，步進脈沖從7腳輸入。功率放大電路用以對環(huán)形分配器輸出的信號進行放大，以適應步進電機的需要。從8255和Z-80CTC輸出的Xcp，XCONTRL，Ycp，YCONTRL脈沖信號分別送給兩組相同的功放電路，首先通過集電極開路門與光電耦合管連接，再利用J003進行電平轉(zhuǎn)換后，送入步進電機環(huán)形分配器CH250，環(huán)形分配器輸出三組具有不同相位關系的系列脈沖，分別經(jīng)三級功放后驅(qū)動X軸和Y軸步進電機運轉(zhuǎn)。復位信號可使掃描處于初始狀態(tài)。集電極開路門可選用74LS05，光電耦合管可用G0102。
CH250最好接成雙三拍工作方式(步轉(zhuǎn)角3°)，可使電機運轉(zhuǎn)化較穩(wěn)定。用Z80-CTC產(chǎn)生定時脈沖和分別對X、Y步進脈沖計數(shù)，達到了定時、行程均可由軟件控制，而CPU耗費時間少，是硬、軟件的最佳分配。在電機和微計算機之間接入光電耦合管，減少了對微計算機的干擾，保證微機的可靠運行。
附圖12中在電位峰的位置對應于樣品表面的每一個腐蝕活性點。掃描面積選7×7平方毫米，平均電位152毫伏。
附圖13中在等電位分布圖中的園圈中心位置均對應于樣品表面的每一個腐蝕活性點。掃描面積也選為7×7平方毫米，平均電位為199毫伏。
權(quán)利要求
1、測試微區(qū)腐蝕電位電流密度分布的掃描裝置，它由微參比電極、樣品架、電機、連接裝置、底板、立柱和控制驅(qū)動電路等部分組成，本發(fā)明的特征是微參比電極(1)的微玻璃毛細管(2)的尖端外徑小于10微米，內(nèi)阻小于500KΩ，樣品架(19)固定在X軸滑塊(12)上，通過X軸絲桿(13)與X軸步進電機(17)連接，X軸滑塊位于X軸滑軌(11)上，可自由運動，微參比電極與固定在Y軸滑塊(24)上的電極上下讀數(shù)微調(diào)器(25)連接，Y軸滑塊卡入橫梁(21)上的滑條(23)，并與Y軸絲桿(27)和Y軸步進電機(29)連接，自動掃描過程由微計算機中的CPU通過可編程并行I/O接口PPI(33)控制，PPI輸出控制信號控制CTC(34)向X軸步進電機和Y軸步進電機提供脈沖信號的分配和環(huán)形分配器(36)的工作方式。
2、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是測量電流密度分布需兩根微參比電極固定在一起，并同時掃描，其中一根的微玻璃毛細管(10)呈彎曲，兩根微玻璃毛細管的尖端位于垂直于樣品表面的同一直線上，兩尖端的距離一般為300～600微米，最好約為400微米。
3、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是X軸滑軌(11)固定在底板(31)上，X軸步進電機(17)通過軸承(14)和聯(lián)軸部件(15)與X軸絲桿(13)連接，與X軸絲桿相連的X軸滑塊(12)在X軸滑軌上可來回平動。
4、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是樣品架(19)和電解池(20)連接，最好通過細螺紋連接，電解池可以沿垂直軸轉(zhuǎn)動，樣品架和電解池一般可用耐酸、耐腐蝕材料做成，通常用有機玻璃。
5、根據(jù)權(quán)利要求
1和3所述的掃描裝置，其特征是X軸絲桿最好利用螺旋測微器改裝而成。
6、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是橫梁(21)固定在立柱(22)上，橫梁上裝有滑條(23)，在Y軸滑塊(24)上固定有微電極上下讀數(shù)微調(diào)器(25)，Y軸絲桿(27)通過Y軸絲桿螺母(28)與Y軸步進電機(29)相連，讀數(shù)微調(diào)器可用千分表改裝而成。
7、根據(jù)權(quán)利要求
1、3和6所述的掃描裝置，其特征是X軸絲桿與Y軸絲桿互相垂直。
8、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是微參比電極離被測樣品的距離小于50微米，最好約為10微米。
9、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是PPI的狀態(tài)信息輸入端口由外設的位置調(diào)節(jié)鍵的狀態(tài)提供，一般可設四個位置調(diào)節(jié)鍵。
10、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是PPI的一輸出端口輸出控制信號，控制CTC(34)的一個通道形成定時脈沖，作為驅(qū)動步進電機的脈沖源，CTC的其余通道工作在計數(shù)狀態(tài)。
11、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描裝置，其特征是PPI的另一端口輸出控制信號，和CTC輸出的脈沖信號通過步進電機環(huán)形分配器(36)控制X軸和Y軸步進電機按程序給定的參數(shù)運轉(zhuǎn)，CTC輸出的定時脈沖可經(jīng)脈沖展寬電路展寬，展寬電路可由二極管、電容和與非門組成。
12、根據(jù)權(quán)利要求
1、9、10和11所述的掃描裝置，其特征是微計算機的CPU可用Z-80，PPI可用Intel8255，CTC可用Z-80CTC，步進電機分配器可用CH250。
專利摘要
本發(fā)明屬于金屬局部腐蝕的測試設備，包括外徑小、內(nèi)阻低的微參比電極，機械掃描裝置和由微計算機控制電路。配合微機控制的測量電路和軟件，能檢測到金屬表面低達數(shù)微米區(qū)域和約10微伏的微區(qū)電位信號以及電流密度分布圖，圖形清晰、直觀，并給出定量結(jié)果。本裝置的精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，適用性強，可用于研究大多數(shù)實際體系的金屬局部腐蝕機理，評估金屬材料耐局部腐蝕性能。
文檔編號G01N27/26GK86103043SQ86103043
公開日1986年11月12日 申請日期1986年4月28日
發(fā)明者田昭武, 林昌健, 卓向東 申請人:廈門大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan