CN106885743B - 一种陶瓷器皿强度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷器皿强度检测装置及方法，属于陶瓷技术领域，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和计时器，所述第一光电耦合器包括第一光源和第一光敏元件，第二光电耦合器包括第二光源和第二光敏元件，第一光电耦合器和第二光电耦合器均连接至计时器，测试件穿过第一光电耦合器和第二光电耦合器产生的脉冲信号作为计数器的闸门，得到计数值Nx，第一光电耦合器的第二光电耦合器距离为定距L。本发明装置结构简单，通过两个光电式耦合器就可以评估待测陶瓷的强度。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种陶瓷器皿强度检测装置及方法。
背景技术
陶瓷是陶器和瓷器的总称，以天然粘土以及各种天然矿物为主要原料经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料的各种制品。中国是世界上最早应用陶瓷的国家之一，陶瓷因其质地坚硬、细密、严禁、耐高温、釉色丰富等特点，广泛应用于食器、装饰、科学等领域。
日用陶瓷有以下优点：第一，易于洗涤和保持洁净；第二，热稳定性较好，传热慢，具有经受一定温差的急热骤冷变化时不易炸裂的性能，且用来盛装沸水或滚烫的食物，端拿时不太烫手；第三，化学性质稳定，经久耐用；第四，瓷器的气孔极少，吸水率很低，用日用瓷器储存食物，严密封口后，能防止食物中水分挥发、渗透及外界细菌的侵害；等等。因此日用瓷器长期以来为广大人民群众所喜爱和使用。
但是传统的陶瓷器皿存在着力学性能差的缺点，不抗震耐摔、抗冲击性差，在外力冲击作用下容易破碎。随着市场的需求，例如洗碗机用陶瓷餐具、陶瓷刀具、陶瓷材质的研磨器皿等对材料的强度、抗冲击性能提出了更高的需求，陶瓷刀具有耐磨、高密度、高硬度、不会藏污纳垢、清洗容易等优点，具有许多金属制刀具无法取代的特性。但由于陶瓷刀脆性很大，不耐冲击。许多研究中心纷纷投入对抗震性能高的陶瓷材料的研发，因此，急需开发一种可以定量测量陶瓷器皿力学性能的装置，辅助科技研发。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种陶瓷器皿强度检测装置及方法，通过用测试件来撞击待测件，通过数学运算的方法，求解出瞬间的碰撞力，用以评估陶瓷器皿强度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种陶瓷器皿强度检测装置，其特征在于,包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和计时器，所述第一光电耦合器包括第一光源和第一光敏元件，第二光电耦合器包括第二光源和第二光敏元件，第一光电耦合器和第二光电耦合器均连接至计时器，测试件穿过第一光电耦合器和第二光电耦合器产生的脉冲信号作为计数器的闸门，得到计数值Nx，第一光电耦合器的第二光电耦合器距离为定距L。
作为一种优选实施方式,所述第一光源和第一光敏元件的连线、第二光源和第二光敏元件的连线、以及陶瓷器皿的测试面相互平行。
作为一种优选实施方式,其特征在于,所述第一光电耦合器的第二光电耦合器距离为定距L＝10cm。
一种陶瓷器皿强度检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将待测的陶瓷器皿受力面放置在与第一光电耦合器和第二光电耦合器均平行的位置；
步骤二：将测试件以一定的速度撞击待测的陶瓷器皿，先经过第一光电耦合器，然后经过第二光电耦合器，与待测的陶瓷器皿撞击后，再依次经过第二光电耦合器和第一光电耦合器，求解两次经过第一光电耦合器和第二光电耦合器的延时和v10和v1，其中，v10为测试件撞击待测的陶瓷器皿前的速度，v1为测试件撞击待测的陶瓷器皿后的速度，为发生碰撞前经过第一光电耦合器和第二光电耦合器之间路程的时间，为发生碰撞后经过第一光电耦合器和第二光电耦合器之间路程的时间；
步骤三：根据测试得出的v10和v1求解恢复系数e、最大冲力Fmax和碰撞接触时间τc。
作为一种优选实施方式，所述步骤二中延时和v10和v1的具体测试方法为：当测试件两次越过第一光敏元件和第二光敏元件后，分别产生两个延时为和的脉冲信号，让脉冲信号作为计时器的闸门，可得到计数值Nx， 其中，Nx1和Nx2分别为撞击前的计数值和撞击后的计数值，τ0为计时时钟脉宽，L为第一光敏元件和第二光敏元件之间的距离。
作为一种优选实施方式，所述步骤三中最大冲力Fmax的求解方法为： 其中，n为测试件与待测的陶瓷器皿的平均材料形体常数，M为测试件和待测的陶瓷器皿的折算质量，其中，m1为测试件的质量，m2为待测的陶瓷器皿质量。
作为一种优选实施方式，所述步骤三中恢复系数e的求解方法为：其中，m1为测试件的质量，m2为待测的陶瓷器皿质量。
作为一种优选实施方式，所述步骤三中碰撞接触时间τc的求解方法具体为：
本发明有益效果是:(1)本发明的检测装置的开放式光电耦合器可以实现同时移动，且保持相互间距不动；(2)垫台为光滑平面，与待测件摩擦力小，其影响可以忽略不计；(3)本发明装置结构简单，通过两个光电式耦合器就可以评估待测陶瓷的强度。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的碰撞解析图。
图2是本发明的具体实施方式的F、δ的变化趋势和其极值时间。
图3是本发明的具体实施方式的v1(t)、v2(t)变化趋势。
图4是本发明的具体实施方式的开放式光电耦合器布置示意图。
图5是本发明的具体实施方式的延时为t的两个脉冲信号可转化为脉宽信号。
图6是本发明的具体实施方式的检测装置的结构示意图。
其中，1-框体，2-后挡板，3-垫台，4-第一轴承，5-第一转轴，6-第一链轮，7-第一链条，8-第一限位板，9-第一丝杠，10-第二轴承座，11-第一方形螺母，12-第一光源，13-第二方形螺母，14-第二光源，15-凹型支架，16-电机，17-第二转轴，18-第二链轮，19-第三链轮，20-第二链条，21-第四链轮，22-第三转轴，23-第三轴承，24-第二丝杠，25-第二限位板，26-第一光敏元件，27-第三方形螺母，28-第二光敏元件，29-第四方形螺母，30-第四轴承座。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
在牛顿碰撞定律与弹性力学的基础上，本发明利用测试件在碰撞前后的运动速度，来间接测量碰撞时间和最大冲力。最大冲力达1010N量级，而碰撞时间仅为us量级，理论上的基本方程表明，只要能测出测试件在碰撞前后的速度，就可间接推算出碰撞时间和最大冲力。本发明分析了这些基本方程的适用条件，并设计了以开放式光耦来测量测试件速度及其附件装置。实验结果表明，基准确度的评估值，可控为个位数，从而为碰撞冲量测量提供了一种简便的新途径。
冲量是碰撞过程中冲力与时间的积分量。在测试件与陶瓷器皿数10us的碰撞过程中，冲力由零升至最大又回复至零，要想定量而且精准地测量并记录到冲量的瞬变信息，并非易事，然而这一技术领域在国防装备工业中却是至关重要的。传统的冲量测试技术，往往是基于冲量与动量变化的规律借助于压电式测振传感器和复杂而昂贵的辅助设备，实现对冲量的间接测量。
如图4所示，为本发明的陶瓷强度检测装置的结构示意图，包括第一光电耦合器和第二光电耦合器，第一光电耦合器和第二光电耦合器的定距是L，光电耦合器分别包括光敏元件和光源，测试件以一定的速度从第一光电耦合器的左侧向右运动，经过第二光电耦合器后与陶瓷测试件发生碰撞反弹，再依次经过第二光电耦合器和第一光电耦合器。本发明利用牛顿碰撞定律与弹性力学规律相结合，分析与讨论了碰撞过程的基本方程及其适用条件，从而设计出简便的测速装置和实验验证方法，为冲量测试新技术提供了有益的借鉴。
下文具体阐述以上测试装置测试陶瓷强度的原理：
1.两球体对心碰撞的基本方程
1.1动量守恒定律，在两球体上施加的总外力为零的条件下，两球体碰撞前后的动量之和满足m1v10+m2v20＝m1v1+m2v2 (1)。
式中m1(kg)为测试件的质量，约为10-2kg。m2(kg)为被测陶瓷器皿的质量。
v10(m/s)为测试件碰前的速度，约为400-500m/s。v20(m/s)为被测陶瓷器皿碰前速度，在本发明后续讨论中均假设v20＝0。v1为测试件碰后速度，v2为被测陶瓷器皿碰后速度，此时基本方程(1)变成m1v10＝m1v1+m2v2 (2)。
方程(1)和(2)应满足在两球体对碰中所施加的外力，主要指摩擦阻力为零。对测试件而言，选用体积小运动速度高的物件，例如子弹，空气的摩擦阻力可以忽略，而对被测陶瓷器皿m2的支撑应保证被测陶瓷器皿安装平台与支撑平面间的摩擦力较小。本发明中选择钢化玻璃与滚动轴承外钢圈之间的支撑，故与巨大的冲力相比，外力为零的条件容易满足，有益于推算的准确性。
1.2牛顿碰撞定律：在实际的碰撞过程中，完全的弹性碰撞是不存在的，总存在能量损耗，系统的机械能并不守恒，牛顿提出了恢复系数的概念。
式中分母为碰前相撞近的速度，分子为碰后分离的速度，e的取值范围为0<e<1。对于v20＝0的设定，(3)式可写成
如果e＝1，即v2-v1＝v10，此时机械能在碰撞前后守恒，称为完全弹性碰撞，实际情况均为e≤1即非弹性碰撞。联立(2)和(4)式可得：
和
1.3两球对心碰撞中球面挤压变形与球心距的变化关系：
参见图1，图1中a为碰前球心距为Δ0，图1中b表示碰后，球心O1以v1运动，O2以v2运动，球心距因挤压变形而变化为Δ，则球心距的变化增量为dδ,显见，
dδ＝Δ-Δ0＝v1·dt-v2dt (7)
即
1.4弹性变形与弹力的关系
根据弹性力学在两球对心非弹性碰撞中的讨论，其应力与应变的关系积分量的表达式为：
式中R1(m)球1的半径，R2(m)球2的半径，u两球的泊松比，E(N/m2)为两球的弹性模量，(9)也可改写成简单形式：
F＝n·δ3/2 (10)
式中n为材料常数，
n在后面讨论中可视为已知常数，其量纲为在不同材料的物体碰撞时，采用平均值计算，相互碰撞的测试件子弹和待测的陶瓷器皿，产生碰撞的位置均不是完整的球体，在实际测试的过程中，将发生碰撞的位置拟合为球体，采用拟合的半径来求取材料常数。
由(9)式可知，无论是弹力F或变形δ都是时变函数，其变化过程如图2所示，图中表示了F(t)和δ(t)的变化趋势和发生极值的时间τm点，而整个碰撞过程的全部时间为τc。
1.5两球碰撞后的速度变化趋势，在整个碰撞过程中，由(5)和(6)式v1＝v1(t),和v2＝v2(t)都是时变函数，其变化趋势如图3所示，图中v1(t)从v10下降至与v2(t)相交在τm时刻，然后继续下降至0，再进入负区直至τc时刻，最后保持v1(τc).v2(t)则v2(t)＝0，逐渐上升至τm时刻与v1(t)相交，最后稳定在v2(τc).曲线③则为vδ(t)＝v1(t)-v2(t)。本发明的目的不在于求解v1(t)和v2(t)的具体的函数式，而是关注几个关键时间节点的函数值，其中在时间轴起点的O点有v10，v20和v1(o)-v2(o)，在时间节点τm，有A点v1(τm)＝v2(τm)，因此在C点vδ(τm)＝0，而在时间节点B则表示v1(t)开始反向，由正区转向负区，最后在时间轴τc上分别标出了碰撞后的v1(τc)，v2(τc)和vδ(τc)。
2.根据基本方程求解δmax和Fmax
2.1求解δmax和Fmax，根据冲量与动量变化定理，可得：
式中，和为两球之间因碰撞压缩而产生的弹力，是一对作用力和反作用力，其大小相等方向则相反，分别作用于球1和球2，将上式写成标量形式则为：
引用(8)式
作两边对t求导得：
将(14)-(15)并与(16)联立可得
式中，称为两球的折算质量。
将上式中的F并利用(10)替换为δ后可得二阶微分方程
利用积分法降阶可求出，当即vδ＝v1-v2＝0时，δ(t)出现极值，于是得：
再利用(10)式得：
2.2求解碰撞时间τc,
图1和图2表示整个碰撞过程，分为变量的上升阶段和下降阶段两个过程，因此总碰撞时间包括0→τm和τm→τc两部分，利用(18)积分降阶，可得：
通过参数变换和积分可得
即
上式表明第一阶段碰撞时间与m1的初速度v10的次方成正比，而在碰撞过程的第二时段t2＝τm→τc,因非理想弹性碰撞中的能量损耗要比第一时段稍长，式(22)应修正为：
而总的碰撞时间：
式中，e为两球对心碰撞时的恢复系数，e的实际大小接近于1而稍小于1。利用(5)式可知，只要能测出v10和v2即可推算出τc。
3、测试装置设计
3.1从上节基本方程和延伸的公式可知，只要让实验测试装置能测出v10和v1，前者为m1碰前的初速度，后者则为m1的碰后反弹速度v1，就能完整的得到：
和
并且e值可通过(5)算出
当m2＞＞m1时，上式可简化为
3.2速度测量装置
本设计中测量v10和v1合用同一个开放式光电耦合器，为把v10信号和v1信号转变为光脉冲信号，子弹穿过两个定距10cm的开放式光耦后，可产生两个光脉冲信号。见图4，第一光源和第一光敏元件组成第一个开放式光电耦合器，第二光源和第二光敏元件则组成第二个光电耦合器。
设子弹穿越定距L所需时间为t，则其平均速度为
即所测速度与穿越时间t成反比，当子弹越过两个光敏元件后，将分别产生两个延时为t的脉冲信号，如图5所示，如让脉冲信号作为计时器的闸门，便可得到计数值Nx
式中，τ0(μs)为计时时钟脉宽，于是有t＝Nx·τ0m/s (30)
从而可按(28)式算出v10和v1。
如图6所示，为本发明的检测装置的结构示意图，包括框体1、后挡板2、垫台3、第一轴承4、第一转轴5、第一链轮6、第一链条7、第一限位板8、第一丝杠9、第二轴承座10、第一方形螺母11、第一光源12、第二方形螺母13、第二光源14、凹型支架15、电机16、第二转轴17、第二链轮18、第三链轮19、第二链条20、第四链轮21、第三转轴22、第三轴承23、第二丝杠24、第二限位板25、第一光敏元件26、第三方形螺母27、第二光敏元件28、第四方形螺母29和第四轴承座30。
框体1的前后侧壁中心位置固定设置有凹型支架15，凹型支架15的右侧固定设置有电机16，电机16的第二转轴17上固定连接有第二链轮18和第三链轮19，框体1的前侧壁上以螺栓连接的方式固定有第一轴承座4和第二轴承座10，第一轴承座4内穿插有第一转轴5，第一转轴5上固定有第一链轮6，第一链轮6与第二链轮18通过第一链条7连接，第一转轴5的末端连接第一丝杠9，第一丝杠9的另一端连接至第二轴承座10，第一丝杠9上旋转连接有第一方形螺母11和第二方形螺母13，第一方形螺母11上固定设置有第一光源12，第二方形螺母13上固定设置有第二光源14，框体1的前侧壁上以螺栓连接的方式固定有第一限位板8，框体1的前侧壁末端与后挡板2铰接。
框体1的后侧壁上以螺栓连接的方式固定有第三轴承座23和第四轴承座30，第三轴承座23内穿插有第三转轴22，第三转轴22上固定有第四链轮21，第四链轮21与第三链轮19通过第二链条20连接，第三转轴22的末端连接第二丝杠24，第二丝杠24的另一端连接至第四轴承座30，第二丝杠24上旋转连接有第三方形螺母27和第四方形螺母29，第三方形螺母27上固定设置有第一光敏元件26，第四方形螺母29上固定设置有第二光敏元件28，框体1的后侧壁上以螺栓连接的方式固定有第二限位板25，框体1的后侧壁末端与后挡板2活动连接。
垫台3设置在电机16的右侧位置。
本发明的检测装置工作原理为：将测试件放置在凹型支架15位置，被测试的陶瓷件放置在垫台3位置，垫台3为光滑平面，设置在第一丝杠9上的第一光源12和第二光源14为定距，相对应的，第一光敏元件26和第二光敏元件28也为定距，与第一光源12和第二光源14对应设置。电机16转动时，第二链轮18和第三链轮19同轴转动，带动第一链轮6和第四链轮21转动，第一转轴5和第三转轴22的转动方向相同，第一转轴5和第三转轴22带动第一丝杠9和第二丝杠24转动，因为第一限位板8和第二限位板25限制四个方形螺母的转动，驱动四个方形螺母相对于丝杠做直线轮动，来调节开放式光电耦合器与被测试的陶瓷之间的距离，也即调整测试精度，在一定范围内，可以近似认为反弹的测试件为反方向返回，用来评估陶瓷耐碰撞的强度。
本发明基于弹性力学和碰撞理论的基本方程，提供了测试件与陶瓷器皿碰撞时的冲量测量的简便方法。本发明解析所得最大冲击力示于公式(20)，式中M为测试件和陶瓷器皿的折算质量，n为测试体的材料和形体常数，在不同材料物体碰撞时，采用两者的平均值，通过公式(11)近似求出材料和形体常数，通过本发明的测试方法，可得到碰撞时间、碰撞最大力的基准确度的评估值，可控为个位数，可作为评价瓷器的抗震能力，碰撞前后的速度测试可以通过多次试验，来评估碰撞的最大冲量。v10为碰撞接触前的子弹速度，整个碰撞接触时间示于公式(24)，恢复系数e示于公式(27)，v1为子弹回弹速度。对v10和v1的实际测量装置示于图4，装置设置简单，实施方便。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种陶瓷器皿强度检测装置的检测方法，所述装置包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和计时器，所述第一光电耦合器包括第一光源和第一光敏元件，第二光电耦合器包括第二光源和第二光敏元件，第一光电耦合器和第二光电耦合器均连接至计时器，测试件穿过第一光电耦合器和第二光电耦合器产生的脉冲信号作为计数器的闸门，得到计数值Nx，第一光电耦合器的第二光电耦合器距离为定距L；其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将待测的陶瓷器皿受力面放置在与第一光电耦合器和第二光电耦合器均平行的位置；
步骤二：将测试件以一定的速度撞击待测的陶瓷器皿，先经过第一光电耦合器，然后经过第二光电耦合器，与待测的陶瓷器皿撞击后，再依次经过第二光电耦合器和第一光电耦合器，求解两次经过第一光电耦合器和第二光电耦合器的延时和v10和v1，其中，v10为测试件撞击待测的陶瓷器皿前的速度，v1为测试件撞击待测的陶瓷器皿后的速度，为发生碰撞前经过第一光电耦合器和第二光电耦合器之间路程的时间，为发生碰撞后经过第一光电耦合器和第二光电耦合器之间路程的时间；
步骤三：根据测试得出的v10和v1求解恢复系数e、最大冲力Fmax和碰撞接触时间τc。
2.根据权利要求1所述的强度检测方法，其特征在于，所述步骤二中延时和v10和v1的具体测试方法为：当测试件两次越过第一光敏元件和第二光敏元件后，分别产生两个延时为和的脉冲信号，让脉冲信号作为计时器的闸门，可得到计数值Nx， 其中，Nx1和Nx2分别为撞击前的计数值和撞击后的计数值，τ0为计时时钟脉宽,L为第一光敏元件和第二光敏元件之间的距离。
3.根据权利要求1所述的强度检测方法，其特征在于，所述步骤三中最大冲力Fmax的求解方法为：其中，n为测试件与待测的陶瓷器皿的平均材料形体常数，M为测试件和待测的陶瓷器皿的折算质量，其中，m1为测试件的质量，m2为待测的陶瓷器皿质量。
4.根据权利要求3所述的强度检测方法，其特征在于，所述步骤三中恢复系数e的求解方法为：其中，m1为测试件的质量，m2为待测的陶瓷器皿质量。
5.根据权利要求4所述的强度检测方法，其特征在于，所述步骤三中碰撞接触时间τc的求解方法具体为：
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