CN104198286B - 一种多压头仪器化压入测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种多压头仪器化压入测试系统，包括压入测试主机、信号收发模块和上位机，压入测试主机包括密闭箱、压入测试模块和试样安装台，至少两套压入测试模块分别位于密闭箱的密封腔内，且并排位于试样安装台上；磁缸位于密封腔的顶部，线圈位于磁缸内，线圈与传动轴的上端连接，传动轴的下端穿过密封腔的底部与压头连接件连接，压头连接件与压头连接，压头位于试样安装台的上方，密封腔的中部设有水平布置的支撑弹簧，传动轴的中部穿过支撑弹簧，位于密封腔的下部的传动轴安装位移传感器，位移传感器、线圈与信号收发模块连接；每套压入测试模块的压头具有互不相同的形状。本发明简化测试步骤、提高测试效率、测试稳定性良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用压入方式测定材料力学性能参数的测试系统，特别是一种能够采用至少两个压头同时进行压入测试的系统。
背景技术
仪器化压入是一种微尺度(约几十纳米至几十微米)力学测试系统。它采用硬质(通常为金刚石)压头压入被测材料，实时测量和记录作用于试样的载荷和压入试样的深度，利用载荷-深度等信息，识别材料的硬度和力学参数。其中，测定材料硬度和弹性模量的仪器化压入方法已形成相关国际标准(ISO 14577)和国家标准(GB/T22458—2008)。为拓展仪器化压入的测试功能和范围，近十来年，塑性参数、蠕变参数和断裂参数等的压入测试方法相继被提出。由于利用压入方法识别材料的力学参数属于反分析过程，通过单一形状压头的测试有时不能准确唯一地测定出塑性参数等。为保证测试结果的唯一性和准确性，现有的塑性参数识别方法采用两个不同形状的压头分别进行仪器化压入测试，从两次测试数据中准确唯一地识别出塑性参数。
目前的仪器化压入为单压头测试系统，只能安装一个压头，一次测试只能获取一条载荷-深度曲线。利用目前的仪器化压入测试系统测定材料的塑性参数，首先安装上第一个压头和试样，在试样上定位好测试区域，完成第一次压入测试；然后御下第一个压头，安装上另一形状的第二个压头，重新定位好测试区域，完成第二次压入测试。该过程存在以下不足：(1)步骤繁琐，效率较低。由于压入测试对振动和温度敏感，压入测试是在一个防振的密闭箱中进行，目的是为了减少环境振动和温度波动的影响。更换压头需开启密闭箱，会破坏已稳定的温度环境，安装好第二个压头后，需要等到温度重新稳定，温漂小于设定阈值(通常等待几十分钟到几个小时)，才能开始测试，从而导致测试效率降低。(2)测试不稳定。由于更换压头会破坏已稳定的温度和振动环境，前后两次测试的环境条件发生改变，易导致测试不稳定。(3)试样需重新定位。由于更换压头前，试样和压头的位置需要复位，在安装上第二个压头后，还需要重新定位测试区域。(4)加剧仪器损耗。仪器化压入属于高精密测试系统，频繁更换压头会加剧仪器损耗，影响测试精度。
综上所述，有必要发展一种避免在测试过程中更换压头的仪器化压入测试系统。本发明就是在这样的需求背景下开展的。
发明内容
为了克服已有现有的单压头测试系统的步骤繁琐、效率较低、测试不稳定的不足，本发明提供一种简化测试步骤、提高测试效率、测试稳定性良好的多压头仪器化压入测试系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多压头仪器化压入测试系统，包括压入测试主机、信号收发模块和上位机，所述信号收发模块与所述上位机连接，所述压入测试主机包括密闭箱、压入测试模块和试样安装台，所述压入测试模块有至少两套，至少两套压入测试模块分别位于密闭箱的密封腔内，且并排位于试样安装台上；所述压入测试模块包括磁缸、线圈、传动轴、支撑弹簧、位移传感器、压头连接件和压头，所述磁缸位于所述密封腔的顶部，所述线圈位于磁缸内，所述线圈与所述传动轴的上端连接，所述传动轴的下端穿过所述密封腔的底部与压头连接件连接，所述压头连接件与压头连接，所述压头位于试样安装台的上方，所述密封腔的中部设有水平布置的支撑弹簧，所述传动轴的中部穿过所述支撑弹簧，位于密封腔的下部的传动轴安装位移传感器，所述位移传感器、线圈与所述信号收发模块连接；每套压入测试模块的压头具有互不相同的形状。
进一步，所述压入测试模块至少有两套。可以是两套，当然，也可以根据需要，设置三套甚至多套。
再进一步，所述位移传感器采用高精度的非接触式位移传感器。
所述位移传感器包括目标板和探头，所述目标板固定在位于密封腔的下部的传动轴上，所述探头位于所述目标板的上方。也可以选用其他结构形式。
更进一步，所述支撑弹簧由两层弹簧组构成，每层弹簧组由4根相互垂直的弹簧构成，所述支撑弹簧向四个方向拉拽所述传动轴。用于支撑所述线圈、传动轴和压头，使所述线圈、传动轴和压头仅竖直方向运动不发生横向摆动。
所述压头连接件上端与传动轴下端固接(例如焊接或螺纹连接)，所述压头连接件下端设有标准接口，压头可以通过该标准接口安装，该结构便于安装和更换压头。
所述信号收发模块包括功率放大器、信号发生器、信号采集器和下位机，所述功率放大器与所述信号发生器和信号采集器连接，所述信号发生器与信号采集器与所述下位机连接。
本发明的有益效果主要表现在：简化测试步骤、提高测试效率、测试稳定性良好。
附图说明
图1是多压头仪器化压入测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种多压头仪器化压入测试系统，包括压入测试主机1、信号收发模块2和上位机3，所述信号收发模块2与所述上位机3连接，所述压入测试主机1包括密闭箱7、压入测试模块和试样安装台14，所述压入测试模块有至少两套，至少两套压入测试模块分别位于密闭箱7的密封腔内，且并排位于试样安装台14上；所述压入测试模块包括磁缸6、线圈5、传动轴9、支撑弹簧8、位移传感器、压头连接件12和压头13，所述磁缸6位于所述密封腔的顶部，所述线圈5位于磁缸6内，所述线圈5与所述传动轴9的上端连接，所述传动轴9的下端穿过所述密封腔的底部与压头连接件12连接，所述压头连接件12与压头13连接，所述压头13位于试样安装台14的上方，所述密封腔的中部设有水平布置的支撑弹簧8，所述传动轴9的中部穿过所述支撑弹簧8，位于密封腔的下部的传动轴9安装位移传感器，所述位移传感器、线圈5与所述信号收发模块2连接；每套压入测试模块的压头具有互不相同的形状。
进一步，所述压入测试模块至少有两套。可以是两套，当然，也可以根据需要，设置三套甚至多套。
再进一步，所述位移传感器采用高精度的非接触式位移传感器。
所述位移传感器包括目标板11和探头10，所述目标板11固定在位于密封腔的下部的传动轴上，所述探头10位于所述目标板的上方。也可以选用其他结构形式。
更进一步，所述支撑弹簧8由两层弹簧组构成，每层弹簧组由4根相互垂直的弹簧构成，所述支撑弹簧向四个方向拉拽所述传动轴。用于支撑所述线圈、传动轴和压头，使所述线圈、传动轴和压头仅竖直方向运动不发生横向摆动。
所述压头连接件12上端与传动轴13下端固接(例如焊接或螺纹连接)，所述压头连接件12下端设有标准接口，压头可以通过该标准接口安装，该结构便于安装和更换压头。
密闭箱7中，相邻的密封腔采用隔板4进行隔离。
如图1所示，本实例为一种双压头仪器化压入测试系统，包括：压入测试主机1、信号收发模块2和计算机系统3。
压入测试主机1由密闭箱7、两套压入测试模块和试样安装台14组成。其中，压入测试模块由磁缸6、线圈5、传动轴9、支撑弹簧8、位移传感器探头10、位移传感器目标板11、压头连接件12和压头13组成。两套压入测试模块除安装的压头形状不同外，其他组成部件均相同。磁缸6固定在密闭箱7的顶部。线圈5、位移传感器目标板11和压头连接件12通过传动轴9固接在一起，由支撑弹簧8支撑，竖直悬挂于空中，仅沿竖直方向的运动，不发生横向运动。压头13通过压头连接件12与传动轴9固接。位移传感器采用高精度的非接触式位移传感器(如电涡流位移传感器)，位移传感器探头10固定于密闭箱7的侧壁，与位移传感器目标板11配套使用。试样安装台14采用高精度的水平移动台，安装在密闭箱7的底部，通过计算机控制，可将试样精确定位在压头下方。
信号收发模块由功率放大器15、信号发生器16、信号采集器17和下位机18组成。下位机18与计算机系统3之间采用网线进行数据传输，可实现远程控制和数据采集。下位机18与信号发生器16、信号采集器17之间为数字信号，采用数据线传输数据。功率放大器15与信号发生器16、信号采集器17之间，以及功率放大器15与压入测试主机1之间为模拟信号，采用屏蔽信号线传输信号。
计算机系统3安装有相应的控制和后处理软件，可实现人机交互、批量测试、自动采集和处理测试数据、生成测试结果报告。
本双压头仪器化压入测试系统的工作流程为：
(1)开机预热、检验仪器状态。通电设备工作时会发热，引起温度波动，应提前半个小时以上开机预热。待仪器稳定，采用标准参考样品，间接检验双压头仪器化压入测试系统是否正常工作。若正常，则进行正式测试。
(2)安装、定位被测试样。将试样安装在试样安装台14上，要求试样表面水平，以便保证压头垂直压入。通过计算机系统3控制试样安装台14，将试样定位在压头下方。具体为：通过计算机系统3安装的软件，发送移动方向和距离的指令，数字指令通过网线传达到下位机18后，再通过数据线传输给信号发生器16，信号发生器16将数字信号转换成模拟信号后，传送到功率放大器15，模拟信号经过放大，最后传递给试样安装台14，控制其移动方向和距离，将试样定位在压头下方。
(3)设置测试参数。定位好试样测试位置后，通过计算机系统3上安装的控制软件设置测试参数，如加载方式、加载时间、最大压入载荷(或深度)等。此外，还可以设置两套压入测试模块是同时测试还是分别单独测试。
(4)完成压入测试。设置好测试参数，点击开始按钮，双压头仪器化压入测试系统会按预先设定，自动完成测试。
(5)处理测试数据，生成测试结果报告。完成压入测试后，计算机系统3安装的后处理软件会根据用户选用的分析方法，自动分析处理测试数据，并生成测试结果报告。
Claims (6)
1.一种多压头仪器化压入测试系统，包括压入测试主机、信号收发模块和上位机，所述信号收发模块与所述上位机连接，所述压入测试主机包括密闭箱、压入测试模块和试样安装台，其特征在于：所述压入测试模块有至少两套，至少两套压入测试模块分别位于密闭箱的密封腔内，且并排位于试样安装台上；所述压入测试模块包括磁缸、线圈、传动轴、支撑弹簧、位移传感器、压头连接件和压头，所述磁缸位于所述密封腔的顶部，所述线圈位于磁缸内，所述线圈与所述传动轴的上端连接，所述传动轴的下端穿过所述密封腔的底部与压头连接件连接，所述压头连接件与压头连接，所述压头位于试样安装台的上方，所述密封腔的中部设有水平布置的支撑弹簧，所述传动轴的中部穿过所述支撑弹簧，位于密封腔的下部的传动轴安装位移传感器，所述位移传感器、线圈与所述信号收发模块连接；每套压入测试模块的压头具有互不相同的形状。
2.如权利要求1所述的一种多压头仪器化压入测试系统，其特征在于：所述位移传感器采用高精度的非接触式位移传感器。
3.如权利要求2所述的一种多压头仪器化压入测试系统，其特征在于：所述位移传感器包括目标板和探头，所述目标板固定在位于密封腔的下部的传动轴上，所述探头位于所述目标板的上方。
4.如权利要求1所述的一种多压头仪器化压入测试系统，其特征在于：所述支撑弹簧由两层弹簧组构成，每层弹簧组由4根相互垂直的弹簧构成，所述支撑弹簧向四个方向拉拽所述传动轴。
5.如权利要求1所述的一种多压头仪器化压入测试系统，其特征在于：所述压头连接件上端与传动轴下端固接，所述压头连接件下端设有标准接口。
6.如权利要求1所述的一种多压头仪器化压入测试系统，其特征在于：所述信号收发模块包括功率放大器、信号发生器、信号采集器和下位机，所述功率放大器与所述信号发生器和信号采集器连接，所述信号发生器与信号采集器与所述下位机连接。
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