专利名称：一种便携式压入仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种材料力学性能的测量仪器，具体的说，是一种 利用压入方式提取材料力学性能参数，并且具有便携性的仪器。
背景技术：
材料的力学参数一直是基础研究领域里关注的焦点，也是进行各种 结构设计及安全性评估的重要依据。力学测试是获取材料力学参数、研 究材料力学特性的重要方法。传统的力学测试方法主要集中于单轴拉伸、 压缩和扭转等。然而常规的拉伸、压缩实验对试样的尺度、制备、形状 等具有比较苛刻的要求，因此传统方式在小尺度、表面膜层等材料的力 学表征方面具有相当的局限性。压入法作为一种微区、微损测试方式， 其操作相对简便，对样品制备及试件对中要求相对较低，容易达成便携
的目的。从而具有解决上述三方面问题的潜力。经过20多年的发展，仪 器化压入技术成为表面工程力学性能检测的重要手段。
仪器化压入技术借助高分辨率的传感器，精确记录压针在加卸载过 程中载荷和深度数据，如图l和图2所示。图l表示压入实验的示意图。 F表示载荷，a表示残余压痕的半径，hp为残余压入深度，lv为最大压入 深度，hc为接触深度，oc为半锥角。图2表示典型的压入曲线。从左至 右依次为加载曲线与卸载曲线。其中F表示载荷，h表示位移。hp为残余
压入深度，hr为深度，hm为最大压入深度。然后通过接触力学模型处理
数据，获得材料的硬度和模量及其它力学参氣
目前的压入仪器多为实验室设备，对工作环境和样品制备有着较为 严格的要求。但在实际工程应用中，存在很多传统实验室实验受到局限
的情况。例如待测对象位于野外或难以拆卸，要求实现原位测量，如 测量输油管道的力学性能等；或者实验室实验程序复杂，需要对材料力 学参数进行现场的初步评估。在以上情况中，传统的实验室实验方法不 再可行，因此研制一种能够实现现场原位测量的4义器化压入仪就成为迫 切需要。
此外，现有材料实验机的工作原理多为采用马达驱动，由串联载荷 传感器计量载荷，由位移传感器直接计量作用轴位移。这种结构设计决 定了测量的位移中必然包括了机架和传感器的变形，而不能准确反映实
际的压入深度，并且马达驱动存在振动噪声；此外，这种设计对传感器 生产技术水平要求较高，引起制造成本增加。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是克服现有技术的局 限性，提供一种采用电磁方式驱动、利用深度测量的压入技术、实现现 场原位测量材料力学参数的便携式仪器。
为实现上述目的，本实用新型提供一种便携式仪器化压入仪，包括 用于测试的测试4义主才几，所述测试仪主机包括主机架、升降调节机构和 位移传感部分，所述主机架包括两底部为燕尾槽的电磁性表座、固定在 电磁性表座上的两个立柱，以及两端分别固定支撑在两个立柱顶面上的 横梁，所述横梁中部具有螺紋孔，所述升降调节机构包括手轮，手轮轴 具有与所述螺紋孔相配合的螺紋，与螺紋孔旋合在一起，所述测试仪主 机还包括带外壳的电磁驱动装置，手轮轴与电磁驱动装置外壳顶部可转 动的连接在一起，彼此之间只能产生相对的转动，手轮轴与电磁驱动装 置外壳顶部之间设有轴承，所述升降调节机构还设有套在两个立柱上可 沿立柱滑动的横架板，所述横架板上用于套住立柱的孔与立柱的形状相 配合，所述横架板与电磁驱动装置外壳固定在一起，横架板还设有能够 使其抱紧立柱的锁紧装置，横架板下部还连接有带有非接触式位移传感 器的传感器底杯，所述电磁驱动装置的动子连接有压针装置，压针头部 固定有与非接触式位移传感器相配合的目标板。
进一步，所述主机架为门形。
进一步，所述立柱为圓形。
进一步，所述立柱为多边形。
进一步，所述轴^^为滚动轴承。
进一步，所述锁紧装置为锁盖与螺栓结构。
进一步，所述非接触式位移传感器为电容式位移传感器、电涡流位 移传感器或光纤位移传感器。
本压入仪采用基于电磁驱动的载荷测量方式，将位移传感器固定于
压针位置，可以极大地改进前述缺点，并且节省成本。本实用新型可以 可靠地对材料力学参数进行实时现场测量，得到的测试结果意义直观明 确，极大地拓展了压入仪的使用范围，并且该装置体积小、重量轻、自 动化程度高，使用方便。
下面结^^附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说吸
图1为压入实验的示意图； 图2为典型的压入曲线；
图3为本实用新型便携式压入仪的系统结构示意图； 图4为本实用新型便携式压入仪主机的结构图； 图5为本实用新型便携式压入仪的立体图； 图6为本实用新型便携式压入仪的磁性底座的立体图； 图7为本实用新型便携式压入仪的磁性底座的主视图； 图8为本实用新型便携式压入仪的操作流程图。
具体实施方式
实施例1:
如图3所示，本实施例提供的一种便携式压入仪包括 一计算机， 包括信号采集和信号发生�？椋� 一测试仪主机，包括实现调节和定位的 机械部分和实现电气驱动和电信号反馈的电子部分 一电子信号控制设 备，包括实现电子信号转换和功率放大的电路。其中信号采集和发生模 块、电磁驱动装置及位移传感器均可采用市场上已有的产品。在本实施 例中，信号发生和采集�？槲狝DLINK公司的NuDAQ-2214信号发生和采 集卡；电磁驱动装置部分的线圈通过支撑弹簧悬浮在磁缸中；位移测试， 采用电涡流式位移测试4义。
测试仪主机的结构如图4至图7所示。主要包括三大部分主机架、 升降调节机构、位移传感部分。主机架由磁性表座16、立柱IO、横梁9 和横架板15组成。磁性表座16的底部为燕尾槽形，既能够适合固定在 圆柱形的表面，又适合固定在平面上。为减小机械间隙和机架柔度可能 对位移测量造成的不利影响，要求尽量减少连接环节，并且增大机架刚 度。横架板15由两端为两个可拆卸的锁盖151和横架板连接板152组成，
锁盖151和连4矣一反152均具有半圓形的凹槽，当扣合在一起时可形成完 整的圆形通孔，连接板152具有锁紧螺紋孔，锁盖151具有与锁紧螺紋 孔共轴的且直径略大的通孔，可通过螺栓紧固锁盖151的方式抱紧立柱 10,当螺栓拧松时，横架板15也可以沿立柱滑动以调节竖直位移。横架 板连接板152的中心具有使压针通过的开口 ，电磁驱动装置12的壳体与 横架板采用多点螺栓压紧，以避免产生间隙。升降调节机构包扭手轮6、 手轮轴5、钢珠压盖3、钢珠2、钢珠托盘1。手轮轴5具有与所述螺紋 孔相配合的螺紋，并与螺紋孔旋合在一起，其主要作用是灵活调节测量 主体部分的高度，以匹配不同高度和曲率的工作面(待测表面)。钢珠压 盖3、钢珠2和钢珠托盘1及螺柱5形成类似轴承的滑转机构，在钢珠压 盖3和钢珠托盘1上与钢珠2的接触面上加工有弧形槽，钢珠2可以在 其中滚动，即起到滚动轴承的作用，以利于在大负载情况下转动承载， 减少摩擦。钢珠压盖3通过螺栓7连接电磁驱动装置壳体11。位移传感 部分包括传感器底杯14、目标板17、非接触式位移传感器22。目标板 17靠近压针20的尖端，目的是使得到位移数据尽可能准确。非接触式位 移传感器22通过两个螺母锁紧在传感器底杯14上。
电磁驱动装置壳体11通过螺栓7与连接、通过螺栓14与横架板15 连接，将电磁驱动装置12压紧在其中；传感器底杯14与横架板相连， 非接触式位移传感器22通过螺母23紧固在传感器底杯14上；电磁驱动 装置12的定子12b为永-兹体，动子12c为电》兹线圈，通过膜片弹簧12a 与定子12b相连接，在电磁力的作用下可相对定子12b上下移动一定距 离。电》兹驱动装置12的动子12c与压针支杆18通过螺柱连接；通过螺 栓19将压针支杆18、压针压盖21、目标板17和压针20连接牢固，避 免因间隙影响测量准确性。上述机械设计采用二次锁紧以及过盈配合的 方式，确保不出现间隙，同时尽可能增大机架刚度。测试仪主机上电磁 驱动装置12和非接触式位移传感器22上分别引出信号线，与电子信号 控制设备相连。电子信号控制设备与计算机上的信号驱动和采集卡连接。
非接触式位移传感器22可为电容式位移传感器、电涡流位移传感器
或光纤位移传感器。本实施例的测试仪主机中采用的非接触式位移传感 器22为电涡流位移传感器。电磁驱动装置12是驱动和载荷计量的核心 部件，采用通电线圈在;f兹场中受力的原理驱动，并且通过采集电流信号 计量载荷。
载荷和位移分别通过采集电磁驱动装置的电流信号和位移传感器的 电压信号评估。测试仪主机与电子信号控制设备通过信号线连接，电子 信号线与计算机的信号发生采集卡连接。
利用本实用新型进行测试的具体实施步骤如下(如图8所示)
步骤101:为压入仪主机选择合适的安放位置，例如放置于待测的管 道的側壁之上或平面物体之上，开启磁性表座16的开关161，使压入仪 牢固地固定在上述待测表面之上。
步骤102:松开横架板15上的锁盖151，转动手轮6调节测试主体 部分的高度，使压针20尽量贴近待测面，但不要接触，防止产生接触力。 然后柠紧锁盖151的螺栓进行紧固。
步骤103:根据实验要求，使用配套的计算机控制软件设计实验方法 程序，包括驱动波形、加载周期、幅值等。
步骤104:计算机通过信号发生卡产生相应的驱动信号，经过功率放 大后，驱动电磁驱动装置加载，电磁驱动装置12的工作原理为通电线圈 在均匀/P兹场中受电^f兹力，电^f兹力的大小与电流成正比。在本实施例中， 与电磁驱动装置12连接的压针支杆18被带动向下移动，使压针20压入 《寺测表面。
步骤105:由计算机上的信号采集�？椴杉灰菩藕藕驮睾尚藕�。其 中通过采集非接触式位移传感器22的电压信号得到位移信号，通过直接 采集线圈电流得到载荷信号。当非接触式位移传感器22采用本实施例中 的电涡流位移传感器时，根据电涡流位移传感器的目标板17与活动探头 22之间距离的变化即可测量出压针20压入待测表面的深度。
步骤106:对采集到的位移和载荷的原始信号进行处理，获得真实的 位移和载荷信号。
步骤107:将真实位移和载荷代入接触力学才莫型，进行数据处理。 步骤108:得到并输出材料的力学参数结果，如硬度、模量等。 本实施例提供的一种便携式压入仪的外形尺寸为长x宽x高= 200mmxl00mmx250mm,重量为5 10kg。
本实施例提供的一种便携式压入仪能对材料力学参数进行可靠地实 时现场测量，得到的测试结果意义直观明确，极大地拓展了压入仪的使 用范围，并且该装置体积小、重量轻、自动化程度高，使用方便。采用 上述技术方案，可以使仪器具有便携性，因而可应用于现场实时测量。
权利要求1.一种便携式压入仪，包括用于测试的测试仪主机，其特征在于，所述测试仪主机包括主机架、升降调节机构和位移传感部分，所述主机架包括两底部为燕尾槽的电磁性表座、固定在电磁性表座上的两个立柱，以及两端分别固定支撑在两个立柱顶面上的横梁，所述横梁中部具有螺纹孔，所述升降调节机构包括手轮，手轮轴具有与所述螺纹孔相配合的螺纹，与螺纹孔旋合在一起，所述测试仪主机还包括带外壳的电磁驱动装置，手轮轴与电磁驱动装置外壳顶部可转动的连接在一起，彼此之间只能产生相对的转动，手轮轴与电磁驱动装置外壳顶部之间设有轴承，所述升降调节机构还设有套在两个立柱上可沿立柱滑动的横架板，所述横架板上用于套住立柱的孔与立柱的形状相配合，所述横架板与电磁驱动装置外壳固定在一起，横架板还设有能够使其抱紧立柱的锁紧装置，横架板下部还连接有带有非接触式位移传感器的传感器底杯，所述电磁驱动装置的动子连接有压针装置，压针头部固定有与非接触式位移传感器相配合的目标板。
2. 根据权利要求l所述的便携式压入仪，其特征在于，所述主机架为门 形。
3. 根据权利要求1所述的便携式压入仪，其特征在于，所述立柱为圆形。
4. 根据权利要求1所述的便携式压入仪，其特征在于，所述立柱为多边 形。
5. 根据权利要求1所述的便携式压入仪，其特征在于，所述轴承为滚动 轴承。
6. 根据权利要求1所述的便携式压入仪，其特征在于，所述锁紧装置为 锁盖与螺栓结构。
7. 根据权利要求1所述的便携式压入仪，其特征在于，所述非接触式位 移传感器为电容式位移传感器、电涡流位移传感器或光纤位移传感 器。
专利摘要本实用新型公开一种便携式压入仪，包括测试仪主机，测试仪主机包括主机架、升降调节机构和位移传感部分，主机架包括电磁性表座、两个立柱，及中部具有螺纹孔的横梁，升降调节机构包括手轮，手轮轴与螺纹孔旋合在一起，测试仪主机还包括电磁驱动装置，手轮轴与电磁驱动装置外壳顶部可转动的连接在一起，手轮轴与电磁驱动装置外壳顶部之间设有轴承，升降调节机构还设有套在两个立柱上可沿立柱滑动的横架板，与电磁驱动装置外壳固定在一起，还设有锁紧装置，横架板下部还连接有带有非接触式位移传感器的传感器底杯，电磁驱动装置连接有压针，压针头部固定有目标板。本压入仪体积小、重量轻、自动化程度高，使用方便，能实时现场测量材料的力学参数。
文档编号G01N3/40GK201191257SQ20082008057
公开日2009年2月4日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者辛 姜, 鹏 姜, 张泰华, 杨业敏, 勇 郇 申请人:中国科学院力学研究所
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