بخش 5.1

معمولاً یک پروب با شکل هندسی کاملاً تعریف شده برای تماس با نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرد (به بند۵-۲-۱۱ مراجعه شود). شبیه‌سازی تماس‌های واقعی در این گونه آزمون‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است که در آن‌ها خصوصیاتی از قبیل شکل تماس و پارامترهای هندسی مانند شعاع انحنای سوزنی³ که در تماس واقعی قرار دارد باید باز تولید شود. شکل هندسی فرض شده در مقیاس‌های تماس مورد آزمون تعریف شده در این استاندارد، مانند یک مخروط تیز، همیشه نمی‌تواند صحیح باشد. شکل هندسی واقعی تماس تقریباً همیشه در انتهای پروب انحنادار و گرد است. اگر مجموعه‌ای از آزمون‌ها انجام شوند، درنظر گرفتن تکرار پذیری شکل هندسی پروب مهم است به‌گونه‌ای که بتوان شرایط تماس را از یک آزمون به آزمون دیگر تکرار کرد. جزئیات دیگر نمونه‌ها دراین استاندارد ارائه شده است.

1-Mechanisms
2-Probe
3-Tip

اگرچه واژه‌های «پروب» و «نمونه» در استاندارد به کار رفته است، باید این نکته را مورد تاکید قرار داد که سایش و آسیب می‌تواند در پروب و نمونه هم رخ دهد.

نمونه و پروب هردو باید به صورت محکم و به یک روش مشخص نگه داشته شوند به گونه‌ای که نمونه‌ها فقط بتوانند حرکت از پیش تعیین شده را انجام دهند. غالباً محکم نگه داشتن نمونه‌ها به صورت مکانیکی ترجیح داده می‌شود اما در بسیاری از موارد یک چسب ممکن است برای محکم نگه داشتن نمونه در محل استفاده شود. برای مثال در جایی که گوی‌ها به‌عنوان پروب مورد استفاده قرار می‌گیرند و درجایی که نیاز است پروب با نگهدارنده تماس پیدا کند. اگر چسب مورد استفاده قرار بگیرد، این نکته حائز اهمیت است که ضخامت چسب به حداقل رسانده شود تا تأثیر هرگونه جریان وابسته به زمان را در چسب کاهش دهد و همچنین تأثیر سختی کاهش یافته از طریق چسب را کم کند. علاوه براین اگر از چسب استفاده شود، برای اثربخشی کامل چسب و به‌وجود آمدن بیشینه قدرت چسبندگی و هم چنین از بین بردن هرگونه اثرات حرارت زا قبل از انجام آزمون گذشت زمان کافی ضروری است.

حرکت نسبی ایجاد شده میان پروب و نمونه می‌تواند از طریق حرکت نمونه یا پروب حاصل شود. در هردو مورد حرکتی که ایجاد می‌شود باید مشخص و قابل باز تولید باشد به نحوی که بتوان آزمون‌های تکراری را انجام داد.

در تغییر مکان‌های عمودی کوچک و نیروهای به کار برده شده در آزمون‌ها دقتی ویژه مورد نیاز است تا بی‌نظمی موجود در خود حرکت باعث ایجاد خطاهای تصادفی در نیروهای به‌کار برده شده نشود. مراقبت‌های زیادی باید درنظر گرفته شوند تا نوسان‌های حرکت و سایر اثرات ایجاد شده به علت لرزش زمین، تغییرات دمای محیطی و جریان هوا (برای مثال از طریق دستگاه‌های خنک کننده، آزمونگر و یا دستگاه‌های آزمایشگاهی) را به حداقل برسانند. حرکت می‌تواند به چند طریق ایجاد شود. فعال‌کننده‌های پیزوالکتریک می‌توانند به‌کار گرفته شوند اما دامنه‌ای محدود دارند (معمولاً در حدود۱۰۰ μm).

همچنین می‌توان فعال‌کننده‌های الکتریکی فرمان‌پذیر، موتورهای سیم‌پیچ صوتی یا موتورهای پله‌ای (موتورهایی که چرخشی هستند و در گام‌های کوچک مجزا حرکت می‌کنند) را مورد استفاده قرار داد تا حرکت با دقت مورد نظر را ایجاد کنند. در تمامی موارد، داشتن یک مقیاس مستقل از جابجایی حائز اهمیت است.

علاوه براین، طراحی صفحه نمونه و سامانه‌های هدایت‌کننده حائز اهمیت است، به نحوی که اثرات ناخواسته¹ حرکت در راستای z و یا حرکت در راستاهای x-y مانند پسماند² یا پس زنی³ به حداقل برسند.

1- Artefacts
2- Hysteresis
3- Backlash

سه محور حرکتی برای حرکت x-y و هم چنین حرکت نسبتاً بزرگ در راستای z نیاز است تا به پروب این امکان را بدهد که نزدیک نمونه قرار گیرد. حرکت در راستای محور z باید عمود بر حرکت در صفحه x-y باشد.

انواع مختلفی از حرکت‌ها را می‌توان در این آزمون‌ها مورد استفاده قرار داد. متداول‌ترین آن، حرکت به جلو و عقب در یک مسیر خطی است. یک نوع از حرکت مذکور زمانی است که حرکت یک طرفه موردنیاز باشد به نحوی که حرکت در یک مسیر واحد همراه با بالا آمدن (قطع تماس) قبل از حرکت برگشت و بدنبال آن تماس‌های مکرر بعدی برای ایجاد تماس‌های چندگانه در همان راستا رخ دهد. حرکت چرخشی نیز کاملاً متداول است و در این جا نمونه سطح به سادگی به‌وسیله یک موتور محرک چرخانده می‌شود.

نیروی عمود بر سطح به‌کار رفته را می‌توان از طریق چندین سازوکار مختلف اعمال نمود. ساده‌ترین روش استفاده از بار وزنی مرده است. این یک روش غیرفعال است اما نیازمند دقت کافی است تا اثرات ناخواسته بارهای غیرواقعی مانند اصطکاک پارازیتی در سازوکار اعمال نیرو ایجاد نشود. اصطکاک پارازیتی نوعی از سایش است که در ساختار سازوکار اعمال نیرو ایجاد می‌شود به نحوی که نیروی به‌کار رفته واقعی متفاوت از نیروی مورد نیاز است. روش متداول دیگر برای تولید نیروی عمودی به‌کار رفته، استفاده از فشردگی یک جسم انعطاف پذیر برای تولید نیرو است. اندازه نیروی عمودی از طریق سنجش فشردگی ابعادی جسم انعطاف پذیر تعیین می‌شود.

فشردگی ابعادی جسم انعطاف‌پذیر را می‌توان از طریق اندازه‌گیری مبدل‌های جابجایی از قبیل حسگرهای فیبر نوری، حسگرهای انحراف نوری یا قطعات خازنی مورد سنجش قرار داد. این نکته نیز حائز اهمیت است که دامنه و دقت مبدل‌های جابجایی با انحراف جسم انعطاف‌پذیر در سامانه اعمال نیرو مطابقت داشته باشد به نحوی که قدرت تفکیک و دامنه نیروی موردنیاز بدست آید. سامانه‌ها را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد که اجسام انعطاف پذیر و تعویض‌پذیر را بتوان به منظور ارائه تفکیک‌پذیری بارها و دامنه‌های مختلف مورد استفاده قرار داد.

در هردونوع کنترل حلقه باز و بسته، بزرگی نیرو مستقیماً کنترل می‌شود و داده‌های کنترل شده باید برای نوفه¹ و نوسان جریان ولتاژ² در مقادیر آن‌ها به طور صحیح پالایش (فیلتر) شوند.

سامانه‌های اعمال بار که از یک جسم انعطاف‌پذیر برای ایجاد بار اعمالی استفاده می‌کنند را می‌توان بدون کنترل بار فعال مورد استفاده قرار داد، اما اگر یک نمونه با سطح ناهموار یا نمونه زبر³ مورد استفاده قرار گیرد، یا زمانی که سایش پروب یا نمونه رخ می‌دهد، تغییرات ناخواسته دربار به‌کاربرده شده به وجود خواهد آمد. به همین دلیل، غالباً کنترل بار فعال مورد استفاده قرار می‌گیرد به نحوی که بار به‌دست آمده با بار مورد نیاز مقایسه می‌شود و موقعیت سازوکار اعمال بار، غالباً به‌وسیله یک فعال‌کننده پیزو یا سازوکار بازخورد تنظیم می‌شود، به نحوی که بار واقعی مطابق با بار موردنیاز شود.

1-Noise
2-Spike
3-Rough

برای عملی کردن این روش، از کنترل حلقه باز و یا کنترل حلقه بسته استفاده می‌شود. در کنترل حلقه بسته، مقایسه مستقیم میان بار واقعی و بار موردنیاز، به‌وسیله سیگنال تولید شده متفاوت به وجود می‌آید که به منظور تحریک فعال‌کننده پیزو مورد استفاده قرار می‌گیرد تا بار مورد نیاز ایجاد شود. از مزایای این روش سریع بودن آن است اما تنظیم پارامترهای کنترل حلقه بسته به طوری که بازخورد و اثرات ناخواسته در کنترل مشاهده نشوند، مشکل است.

کنترل حلقه باز هنگامی است که در آن یک رایانه خارجی مقایسه را انجام می‌دهد و فرمانی را به سامانه اعمال بار ارسال می‌کند تا بار اعمال شده صحیح بدست آید. نقص این رویکرد این است که زمان عکس‌العمل محرک می‌تواند طولانی باشد.

یک نوع روش مناسب که می‌تواند آزمون‌های روی نمونه‌های دارای سطحی با شکل پیچیده را تسهیل کند، انجام یک روش اولیه در سطح نمونه با اعمال بارسبک و ثبت موقعیت عمودی پروب است.

این فرم اندازه‌گیری شده را می‌توان به منظور تعیین مسیر سنجش مورد استفاده قرار داد و با کاهش اندازه حرکت بازخورد کنترل به کنترل بار بهتری دست یافت.

اندازه‌گیری اصطکاک معمولاً از طریق اندازه‌گیری انحراف جسم انعطاف‌پذیر با استفاده از مبدل‌های جابجایی یا با به‌کارگیری سنجه‌های تعیین کرنش به طور مستقیم روی جسم انعطاف پذیر انجام می‌شود. اگر اندازه‌گیری جابجایی انجام شود، حسگرهای فیبرنوری، حسگرهای انحراف نوری و یا قطعات خازنی را می‌توان به این منظور مورد استفاده قرار داد. در بررسی مقادیر کوچک اصطکاک که در برخی از مواد دیده می‌شود مسئله مهم‌تر از کنترل بار به‌کار رفته این است که دامنه و دقت مبدل‌های جابجایی با انحراف جسم انعطاف‌پذیر در سامانه اعمال بار مطابقت داشته باشد تا توان تفکیک و محدوده بار موردنیاز به دست آید.

در این زمینه، این مسئله حائز اهمیت است که اطمینان حاصل شود که محورهای دو نیروی اندازه‌گیری شده (N و F) در طول فرآیند اندازه‌گیری بر یکدیگر عمود بمانند.

اصولاً اندازه‌گیری سایش درزمان واقعی را می‌توان از طریق اندازه‌گیری جابجایی نسبی نمونه و پروب بدست آورد. این امر را می‌توان مانند حالت اندازه‌گیری اصطکاک با استفاده از حسگرهای فیبرنوری، حسگرهای انحراف نوری یا قطعات خازنی انجام داد. با این وجود جابجایی‌های بسیار کوچکی که احتمالاً در این آزمون‌ها رخ می‌دهند به این معنی هستند که اثرات ناخواسته ایجاد شده، برای مثال انبساط حرارتی مسیر مکانیکی میان دو نمونه یا بی‌نظمی‌های موجود در نمونه مورد آزمون، اندازه‌گیری‌ها را در زمان واقعی دشوار می‌سازند.

می‌توان اندازه‌گیری‌های جابجایی نسبی (جابجایی یک نمونه نسبت به نمونه دیگر به علت سایش) را انجام داد اما زمانی که یکی از نمونه‌ها نسبت به نمونه دیگر حرکت می‌کند، اندازه‌گیری مشکل است.

بسیاری از سامانه‌های آزمون توانایی آزمایش در دمای کنترل شده را دارند. در مورد طراحی سامانه‌های آزمون برای انجام آزمون‌ها در دمای کنترل شده باید دقت لازم اعمال شود. نکته مهم گرم کردن و خنک کردن نمونه و پروب با هم است به گونه‌ای که نتایج آزمون تحت تأثیر اختلاف دمایی غیرمنتظره قرار نگیرند. این نکته نیز مهم است که ابزارهای اندازه‌گیری تحت تأثیر گرم یا خنک کردن نمونه واقع نشوند. در این جا می‌توان از روش انبساط سنجی¹ استفاده کرد که البته انجام آن درمورد بارهای کوچک و تماس‌های با اندازه کوچک مشکل است.

در این مورد باید اندازه‌گیری دما انجام شود تا اطمینان حاصل شود که دمای واقعی نمونه‌ها اندازه‌گیری می‌شود، این کار معمولاً از طریق قرار دادن دقیق ترموکوپل‌ها در مجاورت نمونه‌های مورد آزمون انجام می‌شود. این یک نکته ویژه در مورد حرکت نمونه متحرک است که در آن سختی نوک ترموکوپل می‌تواند اندازه‌گیری اصطکاک را تحت تأثیر قراردهد.