CN110018071A - 基于压痕测量的探伤装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于压痕测量的探伤装置，其压头与传力组件固定连接，可变形凸起固定设置于传力组件上，开槽圆柱的一端与可变形凸起接触，开槽圆柱的另一端与推动顶盖固定连接，第一测力传感器设置于可变形凸起的对应位置从而可以测量可变形凸起与开槽圆柱之间的压力，第二测力传感器的上端与推动顶盖固定连接，第二测力传感器的下端与传力组件之间设置有间隙；当第一传感器达到最大负载时，可变形凸起弯曲变形、间隙消失，且第二力传感器与传力组件直接接触。通过设计可变形凸起和间隙，使得两个测力传感器的量程能够叠加，增大了对负载力的测量范围。还通过将位移传感器完全固定在壳体内，消除了负载力对位移测量的影响，提高了测量精度。

Description

基于压痕测量的探伤装置

技术领域

本发明涉及一种探伤装置，具体的说是一种基于压痕测量的探伤装置，属于材料检测领域。

背景技术

目前存在多种测试方法可以用于测试材料的机械性能，其结果可用于工程设计、机械零件的质检与寿命估算。材料的机械性能测试方法主要可分为有损检测和无损检测两大类。无损测试(Non-destructiveTesting，NDT)是在不损伤被测材料的情况下，对材料的表面或内部缺陷检测。微损测试方法(Micro-destructiveTesting)是指对被测材料产生轻微损伤的测试方法。由于无损或微损测试方法具有非破坏性的优点，吸引了很多研究者在此方面探索。无损检测有诸多优点，此方法耗时少，工作量小，效率高。随着自动化技术的高速发展，以及高性能、高分辨率和高稳定性的传感器的研制和生产，无损检测的可行性大大提高。

超声无损测试技术主要利用超声波与试件相互作用所产生的反射波和其他类型的波进行材料性能测试，但是采用非线性超声测试法的试验数据还很少，还未能找到可以广泛适用的普遍规律。而一种新的无损方法——压痕实验法，可以很好地解决上述方法中的问题，压痕法将一定形状的压头压入被测材料，通过压痕响应值来预测材料的力学性能，该方法具有操作方便，效率高，测量准确等特点。由于压入深度为纳米级别，对材料可以认为是无损测量，而且该方法可以实现在线测量。

基于压痕法的无损检测可提供丰富的材料性能参数，如硬度，弹性模量，屈服强度，抗拉强度，断裂强度，弹性和塑性变形能量，应变硬化指数等。

然而，现有技术的中基于压痕测量的检测装置往往只有一个传感器来测量负载力力，其缺点在于量程短，测量精度低。此外，在负载力作用下位移的测量结果也会发生偏差，目前尚没有装置能完全消除由负载力的作用而引起的位移测量结果的误差。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于压痕测量的探伤装置，其能够克服现有技术的不足而增大量程、提高测量精度并消除负载力对位移测量造成的误差。

本发明提供一种基于压痕测量的探伤装置，包括力传感机构，所述力传感机构包括压头、传力组件、开槽圆柱、可变形凸起、推动顶盖、第一测力传感器和第二测力传感器，所述压头与所述传力组件固定连接，所述可变形凸起固定设置于所述传力组件上，所述开槽圆柱的一端与所述可变形凸起接触，所述开槽圆柱的另一端与所述推动顶盖固定连接，所述第一测力传感器设置于所述可变形凸起的对应位置从而可以测量所述可变形凸起与所述开槽圆柱之间的压力，所述第二测力传感器的上端与所述推动顶盖固定连接，所述第二测力传感器的下端与所述传力组件之间设置有间隙；当所述第一传感器达到最大负载时，所述可变形凸起弯曲变形、所述间隙消失，且所述第二力传感器与所述传力组件直接接触。

作为本发明的进一步技术方案，还包括壳体和底盖，所述力传感机构设置于所述壳体内，所述底盖上开设有圆形开孔，所述圆形开孔周侧设置有材料支撑部分，所述压头设置于所述圆形开孔内，所述壳体内固定设置有特殊固定支架，所述特殊固定支架的下表面与弹簧的上端固定连接，所述弹簧的下端与所述传力组件固定连接从而保持所述测力机构处于悬停状态。

进一步地，所述中央压力板上开设有中央凹槽，所述中央凹槽内设置有第一测力传感器支架，所述第一测力传感器设置于所述第一测力传感器支架下方，所述可变形凸起设置于所述中央压力板上方。

进一步地，还包括位移测量机构，所述位移测量机构包括驱动杆和位移传感器，所述位移传感器固定设置于所述特殊固定支架上，所述驱动杆的上端设置于所述位移传感器内，所述驱动杆的下端沿所述开槽圆柱的轴线方向穿过所述传力组件并与所述压头固定连接。

进一步地，所述特殊固定支架与所述壳体固定连接，所述特殊固定支架中间设置有中心孔洞，所述中心孔洞上方设置有盖子，所述盖子与所述特殊固定支架固定连接，所述位移传感器固定设置于所述中心孔洞内。

进一步地，所述开槽圆柱上开设有轴向孔洞和径向孔洞，所述位移传感器沿径向穿过所述径向孔洞，所述径向孔洞的轴向高度大于所述位移传感器的高度从而所述位移传感器能够相对于所述开槽圆柱上下活动，所述驱动杆沿轴向穿过所述轴向孔洞且上端插入于所述位移传感器内。

进一步地，所述传力组件包括压头支架、下压力板和中央压力板，所述压头支架与所述压头固定连接，所述下压力板与所述压头支架固定连接，所述下压力板的上表面与所述中央压力板固定连接，所述下压力板与所述底盖之间留有活动空间。

进一步地，所述第二测力传感器通过支撑部分与所述推动顶盖连接。

进一步地，所述壳体与所述底盖固定连接，所述底盖周侧设置有凸出部分，所述凸出部分包裹于所述壳体底端外周侧。

进一步地，所述位移传感器、所述第一测力传感器和第二测力传感器均与数据采集设备信号连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：通过设计力传感机构测试材料的力学性能，其中通过设计可变形凸起和间隙，使得两个测力传感器的量程能够叠加，增大了对负载力的测量范围。

通过设计位移测量机构实现了对压痕深度的测量，并通过将位移传感器完全固定在壳体内，利用驱动杆和位移传感器之间的位移，消除了负载力对位移测量的影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构剖面视图。

图2为本发明实施例的开槽圆柱结构示意图。

图3为本发明实施例的中央压力板的结构示意图。

其中：1-推动顶盖；2-螺纹孔；3-支撑部分；4-开槽圆柱；5-开槽圆柱；6-位移传感器；7-中心孔洞；8-盖子；9-第一螺栓；10-第二螺栓；11-特殊固定支架；12-导管；13-第二测力传感器；14-中央凹槽；15-弹簧；16-第一测力传感器；17-可变形凸起；18-中央压力板；19-间隙；20-第一测力传感器支架；21-压头支架；22-压头；23-下压力板；24-壳体；25-凸出部分；26-底盖；27-材料支撑部分；28-圆形开孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提出了一种基于压痕测量的探伤装置，其包括壳体24，同时在顶部、底部设置有推动顶盖1和底盖26。其中，底盖26具有凸出部分25，底盖26下方中心位置设计有用于支撑在待测材料表面的材料支撑部分27。在材料支撑部分27内部为一圆形开孔28，孔内有可供更换的压头22安装在压头支架21上。推动顶盖1的轴心位置配有螺纹孔2，用于夹紧硬度计或其他的加载机构。推动顶盖1的下方与推动段支撑部分3和开槽圆柱4相固结。弹簧15包围在开槽圆柱4的下半部分，弹簧15上端与特殊固定支架11相联结，下端与中央压力板18联结。自然状态下弹簧15呈微微拉伸状态，起到拉起中央压力板18的作用。

图2为开槽圆柱的结构示意图。图中开槽圆柱4的径向方孔槽用于安装位移传感器6。轴向孔洞是用来安装位移传感器6的驱动长杆5，开槽圆柱的下端与可形变凸起17紧密接触。

作用在推动顶盖1上的负载力通过支撑部分3传递到压头支架21，再传递给压头22，支撑部分3可在壳体中上下移动，并且与第二测力传感器13粘连在一起。负载力通过第二力传感器13推动中央压力板18，中央压力板18具有中央凹槽14，在该中央凹槽14中有第一测力传感器支架20，第一测力传感器支架20上安装有两个第一测力传感器16。可变形凸起17从中央压力板18的上方延伸出。中央压力板18的下方与下压力板23粘连在一起。

假设第一力传感器16最大负载力为200N，由于可变形凸起17的存在，在中央压力板18和第二力传感器13之间存在了间隙19。在负载力达到200N之前，使用第一测力传感器16测量，在大于200N负载力之后，可变形凸起17弯曲，其弯曲程度可知，且对应于间隙19的宽度。在间隙19被压缩消失后，第二力传感器13直接与中央压力板18接触。此时，负载力不再通过第一测力传感器16，而是通过较大量程的第二测力传感器13测量。为了实现两个力传感器之间量程的叠加，第二力传感器13的精度需高于第一力传感器16的1/10。在本示例中，第一力传感器16的最大负载力为200N，则第二力传感器13的测量精度必须高于20N，例如选择测量精度为10N的第二力传感器。这实现了两种类型的测力传感器在相同范围内的测量数据的重叠。

使用位移传感器6通过驱动杆5的位移，测量压头22的尖端的位置或压痕深度，位移传感器6需要有不低于0.1微米的精度。

为了消除负载力对位移传感器6测量精度的影响，位移传感器6安装在一个特殊固定支架11上，特殊固定支架11用第二螺栓10固定在壳体24上。在特殊固定支架11中有一个中心孔洞7，用于安装位移传感器6。盖子8通过第一螺栓9固定在特殊固定支架11上，将位移传感器6固定在中心孔洞7中。特殊固定支架11的下部有导管12。驱动杆5沿着导管12，安装到位移传感器6中。

作用在推动顶盖1上的力通过特殊固定支架11周围的支撑部分3直接传递到第二测力传感器13上。位移传感器6相对于特殊固定支架11的位置和特殊固定支架11相对于壳体24的位置是完全固定的。驱动杆5穿过位移传感器6，并且不会受任何负载力引起的变形的影响。位移通过上述机构直接传递到压头22的压头支架21上。

位移传感器、第一测力传感器和第二测力传感器均通过线缆或信号发射器与数据采集设备（例如计算机）信号连接，再通过上位机处理数据。

使用时，给推动顶盖1一个向下的负载力，通过内部结构传动使压头22向下有个微小位移施加在被测物体上。压头22与位移传感器中的驱动杆5相连从而可以测得位移量。同时内部有两个力传感器，量程不同，精度不同。由于结构设计，向下压时先接触中央压板上的第一力传感器16，等到超出第一力传感器16量程时，刚好第二力传感器13接触中央压力板18开始测量。

本发明通过设计力传感机构测试材料的力学性能，其中通过设计可变形凸起和间隙，使得两个测力传感器的量程能够叠加，增大了对负载力的测量范围。还通过设计位移测量机构实现了对压痕深度的测量，并通过将位移传感器完全固定在壳体内，利用驱动杆和位移传感器之间的位移，消除了负载力对位移测量的影响，提高了测量精度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于压痕测量的探伤装置，包括力传感机构，其特征在于：所述力传感机构包括压头、传力组件、开槽圆柱、可变形凸起、推动顶盖、第一测力传感器和第二测力传感器，所述压头与所述传力组件固定连接，所述可变形凸起固定设置于所述传力组件上，所述开槽圆柱的一端与所述可变形凸起接触，所述开槽圆柱的另一端与所述推动顶盖固定连接，所述第一测力传感器设置于所述可变形凸起的对应位置从而可以测量所述可变形凸起与所述开槽圆柱之间的压力，所述第二测力传感器的上端与所述推动顶盖固定连接，所述第二测力传感器的下端与所述传力组件之间设置有间隙；当所述第一传感器达到最大负载时，所述可变形凸起弯曲变形、所述间隙消失，且所述第二力传感器与所述传力组件直接接触。

2.根据权利要求1所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：还包括壳体和底盖，所述力传感机构设置于所述壳体内，所述底盖上开设有圆形开孔，所述圆形开孔周侧设置有材料支撑部分，所述压头设置于所述圆形开孔内，所述壳体内固定设置有特殊固定支架，所述特殊固定支架的下表面与弹簧的上端固定连接，所述弹簧的下端与所述传力组件固定连接从而保持所述测力机构处于悬停状态。

3.根据权利要求2所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述中央压力板上开设有中央凹槽，所述中央凹槽内设置有第一测力传感器支架，所述第一测力传感器设置于所述第一测力传感器支架下方，所述可变形凸起设置于所述中央压力板上方。

4.根据权利要求3所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：还包括位移测量机构，所述位移测量机构包括驱动杆和位移传感器，所述位移传感器固定设置于所述特殊固定支架上，所述驱动杆的上端设置于所述位移传感器内，所述驱动杆的下端沿所述开槽圆柱的轴线方向穿过所述传力组件并与所述压头固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述特殊固定支架与所述壳体固定连接，所述特殊固定支架中间设置有中心孔洞，所述中心孔洞上方设置有盖子，所述盖子与所述特殊固定支架固定连接，所述位移传感器固定设置于所述中心孔洞内。

6.根据权利要求5所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述开槽圆柱上开设有轴向孔洞和径向孔洞，所述位移传感器沿径向穿过所述径向孔洞，所述径向孔洞的轴向高度大于所述位移传感器的高度从而所述位移传感器能够相对于所述开槽圆柱上下活动，所述驱动杆沿轴向穿过所述轴向孔洞且上端插入于所述位移传感器内。

7.根据权利要求6所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述传力组件包括压头支架、下压力板和中央压力板，所述压头支架与所述压头固定连接，所述下压力板与所述压头支架固定连接，所述下压力板的上表面与所述中央压力板固定连接，所述下压力板与所述底盖之间留有活动空间。

8.根据权利要求7所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述第二测力传感器通过支撑部分与所述推动顶盖连接。

9.根据权利要求8所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述壳体与所述底盖固定连接，所述底盖周侧设置有凸出部分，所述凸出部分包裹于所述壳体底端外周侧。

10.根据权利要求9所述的基于压痕测量的探伤装置，其特征在于：所述位移传感器、所述第一测力传感器和第二测力传感器均与数据采集设备信号连接。