CN1789962A

CN1789962A - 硬度计

Info

Publication number: CN1789962A
Application number: CNA2005101158738A
Authority: CN
Inventors: 吴绍明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2006-06-21
Also published as: CN2837826Y; US20060130566A1; US7284414B2

Abstract

本发明公开了一种硬度计，其包括：一细长导管，底端有一个用于与工件表面发生接触的冲击孔；在导管的环形表面靠近冲击孔的位置套有一个线圈座；一可在导管中滑动的测试体；一用于给测试体作用力以使其在导管内滑动并以一定的冲击速度冲击工件表面后再以一定的回弹速度回弹的冲击传动装置，其位于导管上部；一传感器，包括一绕于线圈座上并与线圈座同轴的电子线圈；一个用于根据测试体的冲击速度和回弹速度测出工件表面硬度的硬度转换器，与线圈电连接。还可包括有一个与硬度转换器一体的角度感应器；在导管的冲击孔头端处配有一用于与工件表面进行校准的基准头。

Description

硬度计

技术领域

本发明涉及一种材料硬度测试的仪器，尤其涉及一种可将电子线圈整体缠绕于一根导管上并与导管同轴，从而使冲击体和电子线圈间的距离最小化以得到更加精确的测试结果的硬度计。

背景技术

硬度测试对机械工程师来说是非常重要的。一个精确的测试结果将有效地帮助机械工程师在各种环境中选择最合适的材料和最佳的工程设计。

习惯上，我们将现有的各种硬度仪笼统地分为便携式和台式。有一种特殊的便携硬度仪由测试体在工件表面得到一个里氏硬度值来确定工件硬度。具体过程为：硬度计驱动一种含有磁性材料的测试体以一定的速度冲击测试工件表面，当测试体从工件表面回弹的时候，冲击速度和回弹速度被记录下来，并通过一个特定的科学公式进行分析，然而里氏硬度值带来了一些工程上的偏差。

这种传统的硬度计，如图1所示，通常包括：

一根底端有一个测试孔11P的支撑管10P；

一个可在支撑管10P内滑动的测试体20P；

一个安在支撑管10P内的传动装置，可驱动测试体20P冲击工件表面以产生冲击速度和回弹速度；

一个硬度传感器40P，包括一个线圈组41P和一个数据处理器。线圈组41P通常安在支撑管外部靠近测试孔11P的位置，当磁场在线圈41P中变化时就产生了电流。数据处理器通过电流与线圈组相连，当测试体20P的磁性材料在线圈中运动时，线圈41P产生同冲击速度和回弹速度成正比的电信号。一旦确定了冲击速度和回弹速度，工件表面的硬度也就可以确定。例如，根据下列等式，里氏硬度值为：

HL＝(回弹速度/冲击速度)×1000

这种传统的里氏硬度计最主要的缺点在于：这种硬度测试的实质是依靠传动装置驱动测试体20P产生冲击速度和回弹速度。因此，测试体20P冲击工件表面的方式对冲击速度和回弹速度有至关重要的影响。例如，测试体的冲击角度直接影响了测试体在支撑管内部滑动的距离，从而影响了相关速度(冲击速度和回弹速度)的测量精确度。还有，我们认为测试体和线圈组的距离越大，相关速度的测量误差也就越大。因为根据简单的电学理论，测试体和线圈组的距离越小，线圈中产生的电信号就越强，测量的精确度就越高。

我们认为上面所提到的传统的硬度计，在线圈组和冲击体间通常都有一个相当大的距离，这个距离被认为是造成传统的硬度测量方法测量误差相当大的原因。这个距离的存在是由于传统的线圈组通常包括一个装于支撑管上的支架，线圈411P被缠绕在这个支架43P上。因此，由于这个支架43P的物理尺寸，线圈411P和测试体20P间的距离是不可避免的。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高工件表面硬度测试结果准确性并适用于多种材料、各种环境下的工件表面硬度检测的里氏硬度计。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种硬度计，包括：

一细长导管，底端有一个用于与工件表面发生接触的冲击孔；在导管的环形表面靠近冲击孔的位置套有一个线圈座；

一可在导管中滑动的测试体；

一用于给测试体作用力以使其在导管内滑动并以一定的冲击速度冲击工件表面后再以一定的回弹速度回弹的冲击传动装置，其位于导管上部；

一传感器，包括一绕于线圈座上并与线圈座同轴的电子线圈；

一个用于根据测试体的冲击速度和回弹速度测出工件表面硬度的硬度转换器，与线圈电连接。

所述的线圈座由与导管一体并与其同轴的两个隔离环相间构成，两环之间形成了一个线圈座，电子线圈缠绕于两环之间的线圈座上且与线圈座同轴。

所述的测试体包括由磁性材料制成的磁体和位于磁体底端的冲击头；还可包括一个向上的可被冲击传动装置的传动套抓起或松开的尾钩。

所述的冲击传动装置包括一个传动套和一个直接作用于传动套的手动释放控制器，还包括一个安在导管内且位于顶端的可给测试体一个弹性加载力的弹性装置。

本发明还可包括有一个与硬度转换器一体的角度感应器。

在导管的冲击孔头端处配有一用于与工件表面进行校准的基准头。

本发明的优点是：

1、测试结果准确性高：由于有一个完全缠绕于导管上并与导管同轴的线圈，从而使测试体和线圈间的距离最小化以可达到更精确的测试结果。

2、对各种环境的可适用性强：它有一个角度感应器，可探测硬度计的工作角度，根据硬度计的倾斜角度来校准表面硬度；

3、由于它没有用于缠绕电子线圈的支架，因此导管的体积可更小，更适合于狭窄空间的使用。

4、构造简单，使用方便。

附图说明

图1为传统的硬度计结构示意图

图2为本发明硬度计的结构示意图

图3为本发明硬度计的分解结构示意图

图4A、图4B 为加载管分别在加载状态和释放状态的结构示意图

图5为测试体在线圈中产生瞬间电流，瞬间电流被硬度转换器转换的图解

图6为本发明角度感应器的示意图

图6A为本发明角度感应器的剖面图

图6B为本发明角度感应器的外观图

具体实施方式

如图2、图3和图5所示，本发明硬度计包括：一根硬度测试管，硬度测试管具体包括了一根细长的导管10，一个可在导管内滑动的测试体20，一个冲击传动装置30和一个感应器40。

细长导管10包括了底部的一个可与工件表面接触的冲击孔11和一个在冲击孔11附近且位于导管10并且与导管一体的线圈座12。

冲击传动装置30安于导管10上部，它给测试体20一个作用力使其能在导管10内滑动并以一定的速度冲击工件表面70然后回弹。冲击和回弹的速度差取决于工件表面70的硬度和冲击过程中能量的损失。

传感器40包括了一个电子线圈41和一个硬度转换器42。电子线圈41完全缠绕于线圈座12上并与其同轴，以减小测试体穿过线圈座12时，电子线圈41与测试体20间的距离D。当测试体20穿过线圈座12时，线圈41通过与测试体20发生电磁感应，测得测试体的冲击速度和回弹速度。

另一方面，硬度转换器42通过电流与电子线圈41相连，根据冲击速度和回弹速度得出工件表面70的硬度。硬度转换器42被装在冲击传动装置30的顶端以节省导管10内空间。

换句话说也就是电子线圈41缠绕于线圈座12上，而线圈座12与导管10一体，与硬度转换器42电连接。

为了保护线圈座12，硬度计有一根套管14，将导管10和冲击传动装置30装在了一根套管14中。因为硬度转换器42与冲击传动装置30通过电流相连，而线圈座12是在导管10外面，所以导管10和套管14的底部(即套住线圈座12的部分)可以被设计成较小的体积，使使用者可在狭小空间内放置套管14底部实现硬度测试。

如图2和图3所示，导管10表面具两个隔离环13，与导管10同轴，两个隔离环13之间形成了一个线圈座12，电子线圈41缠在线圈座12上并与导管10同轴。当测试体20穿过线圈座12时，线圈41中分别产生对应于冲击速度和回弹速度的瞬间电流。

其中一个隔离环13上有两个不相连的横向导槽，线圈41的两端通过导槽与硬度转换器42相连，也就是线圈41被固定在了导管10的环状表面上，通过电流与硬度转换器42相连。

有必要指出的是，电子线圈41缠绕在线圈座12上，并与其同轴，当测试体20穿过线圈座12时，测试体20能够在线圈41内部产生相应的感应电动势，从而在线圈41中产生与测试体20运动速度相应的瞬间电流。

还有必要指出的是，因为电子线圈41缠绕在线圈座12上，套在导管10外部，距离D达到最小化，因此测试体20的冲击速度和回弹速度的测量误差最小。另外，测试体20的直径小于导管10直径，因此测试体20可毫无阻滞地沿着导管10轴向滑动去冲击工件表面，提高了冲击速度和回弹速度。

测试体20包括了一个磁体21和一个位于磁体21底部冲击工件表面的冲击头22。磁体21由适当的磁性材料制成，例如普通磁铁。因此当它穿过线圈座12时，会与线圈41发生电磁感应，产生与测试体20速度相应的瞬间电流，电流被传输到硬度转换器42用于测量测试体20的速度和相对应的工件表面70的硬度。

另一方面，冲击头22由金刚石或碳化钨制成，有一定的硬度去冲击工件表面70。冲击头22最好被做成球形，使其与工件表面70只有一个接触点，以减少冲击中的能量损失并使冲击力集中在球头22上。

另外，测试体20还包括一个尾钩23位于测试体20的上部，可被冲击传动装置30抓起和释放，以驱动测试体20冲击工件表面70。

如图3、图4A和图4B所示，冲击传动装置30包括一个由导管10支持的传动套31，用来抓起和释放测试体20的尾钩23。还包括一个手动释放控制器32，作用于传动套31使其可松开尾钩23，释放测试体20使其冲击工件表面70。

此外，传动套31包括了一个套在导管10外部的支撑管311和一个导管10内可在加载位置和释放位置间移动的加载体312。加载时，加载体312顺着支撑管311下滑抓起测试体20尾钩23；释放时，加载体312顺着支撑管311上移，将测试体20吊起，通过手动释放控制器32释放测试体20以一定的冲击速度冲击工件表面70。

加载体312至少应有两个夹片3121伸向测试体20，而本加载体312从底部伸出三个可活动的夹片3121，每个夹片3121有一个轻微向内弯曲的可活动底端形成了一个抓钩3122，可抓起测试体20的尾钩23。

测试体尾钩23的顶端有一个表面倾斜的突起231从而形成了一个抓肩232，当加载体312在导管10内从释放位置向加载位置滑动时，三个夹片3121被顶端突起231挤开，直到抓钩3122抓住抓肩232，测试体20被加载到传动活塞31上。

本发明硬度计的传动套31还包括了一个位于支撑管311上部的弹簧313给加载体312一个向上的作用力让它保持在释放的位置。换言之，一旦加载体312受压，抓钩3122抓住尾钩23的抓肩232，弹簧313推动加载体312吊起测试体20，使之准备冲击工件表面70。

手动释放控制器32包括一个位于导管10顶端的按钮321和一个通过传动端与按钮321相连的推销322，以及一个推动端3221顺着加载体312与三个夹片3121相接触。按下按钮321时，推动推销322压下推动端3221向外推开三个夹片3121，抓钩3122松开尾钩23的抓肩232。于是，测试体20顺着导管10滑动冲击工件表面70。

为了控制测试体20的冲击速度，冲击传动装置30还要包括一个位于导管311顶端的弹性装置314，给测试体20一个除重力以外的向下的作用力。当释放按钮321使三个抓钩3122松开抓肩232时，测试体20以冲击速度穿过导管10的冲击孔11冲击工件表面70。

弹性装置314就是一根安在导管10内的压缩弹簧，给测试体20一个弹力作为向下的作用力。当弹性装置314加载弹力的时候，加载体312在导管内抓住测试体20，而当释放测试体20的时候，测试体20与加载体312分离，在弹力的作用下以一定的冲击速度被推向冲击孔11。也就是，当加载体312被推向冲击孔11时，抓钩3122抓住测试体20，弹性装置314就被压缩，使测试体20向背离冲击孔11的方向被提起。

如图2、图3和图5所示，电子线圈41由固定在线圈座12上顺着导管10的环行表面缠绕的普通导线组成，它与硬度转换器42电连接。当冲击传动装置30释放测试体20穿过线圈座12时，磁场在线圈41中产生一个瞬间电压，电压的强度与测试体20的速度相对应。接着，电流被传输到硬度转换器42，根据电压强度计算出测试体20相应的冲击速度。

只要测试体20撞击了工件表面70，它便会以一定的速度回弹。回弹的速度由工件表面70的硬度决定。当测试体20以回弹速度再次穿过线圈座12的时候，测试体20引起的磁场将在线圈41中产生一个瞬间电压，电压强度与测试体20的回弹速度相对应。产生的电压被传输到硬度转换器42，根据电压强度计算出测试体相应的回弹速度。

本仪器中，硬度转换器42根据以下等式将冲击速度和回弹速度换算成里氏硬度值：

里氏硬度值＝(回弹速度/冲击速度)×1000

如图2、图3和图6所示，为了提高本发明的精度，扩大它的适用范围，本硬度计还包括了一个与硬度转换器42一体的电子角度感应器50，用来测量本发明的操作角度，根据硬度计的任何倾斜对测出的工件表面硬度作适当的调整。

图6为角度感应器的示意图。图6A为剖面图，图6B为外观图。

角度感应器50包括了一个薄壁球体51及在球体空腔内的金属球状的角度指示器52。球体51的外壁分布有多个独立的电极511，这些电极511为正极并加正电压。金属球52为负极并加负电压。薄壁球体51由绝缘材料制成。在电压作用下，其中一电极511会与金属球52形成电容Cx。无论在任何位置，球体空腔内的金属球52都与球体51的外壁其中的一个电极511有最近距离并且形成最大电容Ca。用扫描电路对这些电极511扫描并且测定其中最大电容Ca，就可知球体51与水平面倾斜角度。换句话说，当导管10与工件表面不垂直的时候，金属球52，在球体51空腔内滚动，与其中的一个电极511a有最近距离并且形成最大电容Ca，并产生感应信号显示硬度计的操作角度。接着感应信号被传输到硬度转换器42用来调节表面硬度的计算，根据工件表面70硬度和操作角度得到一个精确的结果。

如图2和图3所示，为了确保每次操作过程基本一致，在硬度计导管10底端的冲击孔11处，有了一个基准头60，当测量工件表面硬度的时候，通过基准平面61与工件表面70校准。

通过以上描述可以看到，之前提出的目的基本都已实现。本发明提供了一种硬度计使测试体20和电子线圈41之间的距离最小化，使工件表面硬度的测试结果更加精确。

另外，本发明还装了一个角度感应器50，可根据操作的角度，比如硬度计的倾斜角度，对结果进行调整。操作角度对测试体的冲击速度和回弹速度是有影响的，因此，根据操作角度做出调整能够得到更精确的硬度值。

综上所述，由于电子线圈41完全被缠于导管10上，内部结构与外套管14的总尺寸与传统的硬度计相比都达到了最小化。值得提的是，本发明可以与打印机连接，直接打印出测试结果。

Claims

1、一种硬度计，其特征在于包括：

一可在导管中滑动的测试体；

2、如权利要求1所述的硬度计，其特征在于：所述的线圈座由与导管一体并与其同轴的两个隔离环相间构成，两环之间形成了一个线圈座，电子线圈缠绕于两环之间的线圈座上且与线圈座同轴。

3、根据权利要求2所述的硬度计，其特征在于：其中一个隔离环上有两个不相连的横向导槽，电子线圈的两端穿过导槽与硬度转换器连接。

4、根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于：所述的测试体包括一由磁性材料制成的磁体和一冲击头，冲击头位于磁体的底端。

5、根据权利要求4所述的硬度计，其特征在于：所述的测试体还包括一个向上的可被冲击传动装置的传动套抓起或松开的尾钩，尾钩顶端突起形成有一个抓肩。

6、根据权力要求4所述的硬度计，其特征在于：所述的冲击头由金刚石或碳化钨制成，被做成球形以使其与工件表面只有一个接触点。

7、根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于：所述的冲击传动装置包括一个传动套和一个直接作用于传动套的手动释放控制器，所述的传动套由一套在导管外部的支撑管、一导管内可在加载位置和释放位置间移动的加载体组合构成。

8、根据权利要求7所述的硬度计，其特征在于：所述的冲击传动装置还包括一个安在导管内且位于顶端的可给测试体一个弹性加载力的弹性装置。

9、根据权利要求8所述的硬度计，其特征在于：所述的弹性装置为压缩弹簧。

10、根据权利要求7所述的硬度计，其特征在于：所述的加载体至少有两个夹片伸向测试体，每个夹片的可活动端都有一个抓钩。

11、根据权利要求7所述的硬度计，其特征在于：所述的手动释放控制器包括一位于导管顶部的按钮、一通过传动端与按钮相连的推销以及一与加载体相连的推动端。

12、根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于：还包括有一个与硬度转换器一体的角度感应器，角度感应器包括一绝缘球形内腔及在绝缘内腔内滚动的角度指示器，它的外部有一个以上独立的电极。

13、根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于：在导管的冲击孔头端处配有一用于与工件表面进行校准的基准头。