CN108871984A - 基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法 - Google Patents

基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置和方法，其中，装置包括：载荷检测模块，用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；变形场检测模块，在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及后处理系统，用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。该装置可以增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。

Description

基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法
技术领域
本发明涉及压痕实验技术领域，特别涉及一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法。
背景技术
压痕方法是通过提取硬物压入材料的载荷—位移曲线并对其进行分析从而反演材料力学性质的方法，如图1所示。压痕方法具有操作简单方便，仪器容易设计和实现等诸多优点。该方法自提出以来便受到了力学研究工作者的广泛关注，文献中发展了针对不同材料力学属性(如弹性、粘弹性、弹塑性)的压痕方法，并将该方法推广到微纳尺度的材料表征领域。其中很多研究成果已经成功转化为产品(例如纳米压痕仪等)，在工业界、科研仪器方面获得广泛应用。
超声弹性成像方法通过对物体的B超图像进行分析，可以比较精确地获得物体内部的变形场。变形场与特定的激励形式(如声辐射力)相结合，可以对材料的力学性质进行定量测量。该方法具有非侵入、非破坏的特点，因而在基于人体组织力学性质测量的疾病诊断方面展现了良好的应用前景。目前，已有基于超声弹性成像方法的仪器用于临床研究。
现有技术中，有关压痕方法还停留在获取载荷—位移曲线并对其进行分析以反演材料力学性质的层面，对现代测量技术能够获取的材料内部变形场并未善加利用；另一方面，静态超声弹性成像仅通过变形场来粗略地获得不同部分之间力学参数的相对关系，而没有用到载荷的有关信息，因而难以进行力学性质的定量表征。可以看到，压痕方法与超声弹性成像方法能够有机地结合起来，从而极大地扩展材料力学性质表征的空间，进而在材料质量监控、人体疾病诊断等领域发挥重要作用。
现有技术中，发展了针对不同尺度(宏观到微观)、不同材料类型(弹性、粘弹性、弹塑性等)的压痕方法；其中一些相对成熟的方法已经实现成果转化。这些方法都是通过对压痕得到的载荷—位移曲线进行后处理来反演材料的力学性质，但是尚未发现将压痕方法与材料变形场测量结合的相关技术。
现有的压痕方法由于分析的数据来源是压痕得到的载荷—位移曲线，因而存在一定的局限性。具体如下：由于载荷—位移曲线反映的是材料整体对于压痕所施加载荷的响应，故压痕方法往往难以对材料的不均匀程度进行定量描述。受制于用载荷—位移曲线来反演材料力学性质的理论基础，针对特定材料的压痕方法往往对于压头形状、加载方式有很严苛的要求。例如某些压痕方法要求平压头和阶跃载荷的条件。但在某些应用场景下，该要求难以满足(如表征人体组织)。由于载荷—位移曲线所包含的信息相对较少，容错率很低，故这类反方法往往条件数较大，在实际使用中反演结果的相对误差较大，亟待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，该装置具有增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种基于载荷和变形场测量的压痕实验方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，包括：载荷检测模块，用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；变形场检测模块，在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及后处理系统，用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
本发明实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，通过将压痕方法与获取材料变形场信息的方法结合起来，增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。
另外，根据本发明上述实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括夹持装置，用于固定所述压力传感器和所述超声探头。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括控制器，用于根据当前进程控制所述夹持装置夹持或松懈。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制器为计算机。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述变形场检测模块为超声探头。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述载荷检测模块为压力传感器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述压力传感器的量程、分辨率和所述超声探头的形状根据所述测试材料和所述实验目获取。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，包括以下步骤：检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
本发明实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，通过将压痕方法与获取材料变形场信息的方法结合起来，增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。
另外，根据本发明上述实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，控制夹持装置夹持或松懈以适应当前进程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据测试材料和实验目确定实验仪器的参数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验的压痕方法示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置概念示意图。
图3为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置。
图2为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置概念示意图，该压痕实验装置能够在实际使用中同时获得压痕载荷和被测体变形场，提供远远多于现有压痕方法的信息，从而提高压痕方法的测量精度与适用范围。
具体而言，图3为根据本发明一个实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置的结构示意图。
如图3所示，该基于载荷和变形场测量的压痕实验装置10包括：载荷检测模块100、变形场检测模块200和后处理系统300。
其中，载荷检测模块100用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，变形场检测模块100可以为超声探头且超声探头的形状根据测试材料和实验目获取。
具体而言，可直接使用超声弹性成像设备的配套探头。但考虑到某些情况下对压头形状有一定要求(例如要求压头表面是平面)，在这类情况下，可以考虑使用定制的探头或在探头下加装声垫等方案。此外，在对较硬的材料进行压痕实验时，需要根据被测对象校核超声探头的刚度是否足够。
变形场检测模块200在压痕施加在测试材料上时，用于检测测试材料的变形场信息。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，载荷检测模块200为压力传感器且压力传感器的量程、分辨率根据测试材料和实验目获取。
具体而言，压力传感器用于测量压痕所施加的载荷，传感器的量程、分辨率等参数需要根据仪器的使用场景来给定，例如测量水凝胶等软材料时可选择低量程高精度的传感器。
传感器的连接方式不限，既可以与支架连接，方便更换探头；也可以与探头连接，方便手持操作，目的是确保压力传感器应能够正确测量压痕方法所施加的载荷。
后处理系统300用于根据变形场信息和载荷信息获取测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
在本发明的一个实施例中，超声弹性成像自带的后处理系统一般能够提供在实验过程中材料的变形场；而传感器则能够提供实验过程中载荷随着时间的变化。
利用专门的后处理程序将变形场信息与载荷信息整合起来，计算并显示材料的特定力学参数。
此外，在本发明的一个实施例中，基于载荷和变形场测量的压痕实验装置10还包括夹持装置，夹持装置能够对压头(超声探头)起到稳定的约束作用，并且在向下加载的过程中不能出现压头滑动等问题，因此要求支架有足够的刚度，支架与超声探头之间要结合牢固；在某些特殊的使用情形下，要求压头的压入深度满足一定的函数关系(例如测量材料松弛特性时常固定压入深度)。
在具体的实施例中，可以将活动支架设置成计算机可控，在一些实验要求较低的场景中，可用手来代替活动支架。
本发明实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，通过将压痕方法与获取材料变形场信息的方法结合起来，增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。
其次描述根据本发明实施例提出的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，该基于载荷和变形场测量的压痕实验方法包括以下步骤：检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；在压痕施加在测试材料上时，用于检测测试材料的变形场信息；以及根据变形场信息和载荷信息获取测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
进一步地，在本发明的一个实施例中，控制夹持装置夹持或松懈以适应当前进程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据测试材料和实验目确定实验仪器的参数。
此外，在本发明的一个实施例中，可以用电子散斑方法获取压痕实验中整个表面的离面位移场。
在本发明的一个实施例中，用数字图像相关方法获取压痕实验中整个表面的横向位移场。
本发明实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，通过将压痕方法与获取材料变形场信息的方法结合起来，增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，包括：
载荷检测模块，用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；
变形场检测模块，在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及
后处理系统，用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
2.根据权利要求1所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，还包括：
夹持装置，用于固定所述压力传感器和所述超声探头。
3.根据权利要求2所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，还包括：
控制器，用于根据当前进程控制所述夹持装置夹持或松懈。
4.根据权利要求3所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，所述控制器为计算机。
5.根据权利要求1所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，所述变形场检测模块为超声探头。
6.根据权利要求1所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，所述载荷检测模块为压力传感器。
7.根据权利要求5或6所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，其特征在于，其中，所述压力传感器的量程、分辨率和所述超声探头的形状根据所述测试材料和所述实验目获取。
8.一种基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；
在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及
根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。
9.根据权利要求8所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，其特征在于控制夹持装置夹持或松懈以适应当前进程。
10.根据权利要求8所述的基于载荷和变形场测量的压痕实验方法，其特征在于，根据测试材料和实验目确定实验仪器的参数。
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