CN114034590B - 一种可原位测试的硬度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可原位测试的硬度测量装置，将激光位移传感器通过三轴位移系统安装于台架上；同时台架上还安装有用于放置铁球的落球定位装置。通过控制球体从高处落下，在被测材料表面或被测材料试样上留下由于塑性变形而形成的弹坑；根据激光位移传感器获取的数据，结合对数据进行计算得到弹坑的尺寸参数，最终根据弹坑尺寸参数确定被测材料的硬度。本发明通过将铁球以及激光位移传感器统一集成于台架上，实现硬度的原位测量；操作简便，测量成本低，测试速度快且测量结果可靠。

Description

一种可原位测试的硬度测量装置

技术领域

本发明属于硬度测试领域，具体涉及一种可原位测试的硬度测量装置，适用于冰、岩土等在落球加载后压痕形貌良好的材料的硬度测量。

背景技术

硬度测量装置可用于材料硬度测试。现有的技术，如公开号为CN211453221U、CN212083133、CN211718017U的实用新型专利，主要是通过对被测材料提取试样后对试样表面施加一定的载荷从而在试样表面形成压痕，通过测量压痕的尺寸来计算试样材料的硬度。

现有的硬度测量装置在加载过程中所使用的加载装置成本较高及测量装置体积质量均较大，不便于运输，且传统硬度测量装置对所采用的的压头及加载过程都有较高要求，在多次使用后压头会因磨损而使其尖端形状改变从而会对计算结果产生影响。此外，传统的硬度测量装置需要对被测材料取样后置于工作台上进行测量，对于如冰场的冰、岩土等适于原位测试的材料的测量精确度会大受影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于测试一般均质材料硬度的硬度测量装置,通过铁球下落对被测材料进行加载使其表面发生塑性变形，通过其加载时的动能和塑性变形所形成的弹坑的体积之比可测得均质材料硬度，是一种可重复性高、便于操作且低成本的可原位测试且可在低温环境下进行测量的硬度测量装置。

本发明可原位测试的硬度测量装置，在台架上设置可下落球体的套筒以及由三轴调节组件进行空间位置调节的激光位移传感器。

所述激光位移传感器通过连接组件安装于三轴调节组件上。连接组件包括连接片、夹具与安装杆；其中，连接片通过螺栓固定安装于三轴调节组件上。夹具包括夹具块A与夹具块B；夹具块A与夹具块B左右相对设置，相对侧面上开槽。夹具块A固定安装于连接片上，夹具块B与夹具块A间通过两根水平设置纵向排列的调节螺栓连接，调节螺栓穿过夹具块B上的开孔后，与夹具A上对应位置的螺纹孔螺纹连接，通过转动调节螺栓可调节夹具块A与夹具块B间的距离。安装杆垂直于安装圆台设置于夹具块A与夹具块B的开槽之间，下部安装激光位移传感器。由此通过转动调节螺栓，使夹具块B向夹具块A靠近，安装杆相对位置配合嵌入夹具块A与夹具块B的开槽内，实现安装杆与两个夹具块间的定位；进一步拧紧调节螺栓即可将安装杆夹紧固定于夹具块A与夹具块B间。

所述套筒为双层结构，与安装圆盘贴合面上安装电磁铁，用于吸附固定球体。内层套筒的内径与球体直径匹配，可根据铁球的尺寸进行更换不同内径的内层套筒，内层套筒的更换不会改变铁球的重心，保证铁球的重心在垂直方向始终在同一直线。

通过上述装置，控制球体从高处落下，在被测材料表面或被测材料试样上留下由于塑性变形而形成的弹坑；根据激光位移传感器获取的数据，结合对数据进行计算得到弹坑的尺寸参数，最终根据弹坑尺寸参数确定被测材料的硬度。

本发明的优点在于：

1、本发明可原位测试的硬度测量装置，能够用于测量材料试样或者直接置于均质材料表面测量硬度，加载方式简单，操作简便且测量装置不易损坏，测量可重复性强，且测量结果可靠性强，适合大面积推广。

2、本发明可原位测试的硬度测量装置，将各个部件集中安装于台架上，能够在台架上上继续焊接或使用其它配合方式安装其它测量装置满足个性化测试需求。

附图说明

图1为本发明硬度测量装置整体结构示意图；

图2为本发明硬度测量装置中所设计的三轴调节组件示意图；

图3为本发明硬度测量装置中激光位移传感器安装方式示意图。

1-台架 2-三轴调节组件 3-连接组件

4-激光位移传感器 5-落球定位装置 101-安装圆盘

102-可伸缩支撑腿 201-x轴方向移动调节件 202-y轴方向移动调节件

203-z轴方向移动调节件 201a-x轴调节杆 201b-x轴导轨

201c-第一滑块 202a-y轴调节杆 202b-y轴导轨

203a-z轴调节杆 203b-z轴导轨 203c-第二滑块

301-连接片 302-夹具 303-安装杆

401-激光位移传感器保护框 402-磁吸片 501-定位筒

502-套筒

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明可原位测试的硬度测量装置，包括台架1、三轴调节组件2、连接组件3、激光位移传感器4和落球定位装置5，如图1所示。

所述台架1作为整个装置的支撑，包括顶部水平设置的安装圆盘101与安装圆盘101底面外缘周向等角度间隔安装的三根可伸缩支撑腿102。三根可伸缩支撑腿102垂直于安装圆盘101设置，顶端固定于安装圆盘101底面。上述台架1可设置于被测材料表面或放置有被测材料试样的水平面上，通过调节三条可伸缩支撑腿102的伸长与缩短，实现安装圆盘101的水平及高度调节。上述可伸缩支撑腿102包括外部管式支撑立柱与内部螺纹连接的螺纹杆，便于调节调节台架1高度；同时，螺纹杆底端套有塑胶套，增加与接触面间的摩擦力提高台架1设置的稳定性；且对于冰等材料塑胶套能够减少金属导热快的特性对冰面的作用而使冰融化，造成测量的误差

所述三轴调节组件2安装于安装圆盘101下表面，用于配合连接组件3来固定和调节所述激光位移传感器4的空间位置。三轴调节组件2包括x轴方向移动调节件201，y轴方向移动调节件202与z轴方向移动调节件203。其中，x轴方向移动调节件201固定安装于安装圆盘101下表面；y轴方向移动调节件202固定安装于x轴方向移动调节件201的移动部件上；z轴方向移动调节件203固定安装于y轴方向移动调节件202的移动部件上。通过三轴调节组件2实现激光位移传感器4空间位置调节，使激光位移传感器所发射出的激光束光斑对准带测量材料被加载后所形成的的弹坑最深处，从而测得弹坑深度的准确读数。

本发明中设计上述三轴调节组件2的具体结构为：

如图2所示，x轴方向移动调节件201包括x轴调节杆201a、x轴导轨201b和第一滑块201c。其中，x轴导轨201b沿x轴方向设置，底部固定安装于安转圆盘101下表面。第一滑块201c为矩形截面的柱状结构，底部与x轴导轨201b间滑动配合连接，可沿x轴导轨201b滑动。x轴调节杆201a为螺纹杆，沿x轴方向设置，与x轴导轨201b侧壁以及第一滑块201c间螺纹连接。x轴调节杆201a末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动x轴调节杆201a，进而带动第一滑块201c沿x轴方向移动，实现激光位移传感器4在x轴方向的移动。

y轴方向移动调节间202包括y轴调节杆202a和y轴导轨202b；其中，y轴导轨202b为矩形结构，中部沿y轴设计有滑道。y轴导轨202b通过中部滑道与第一滑块201c滑动配合连接，使y轴导轨202b可沿y轴移动。y轴调节杆202a为螺纹杆，沿y轴方向设置，与y轴导轨202b侧壁以及第一滑块201c间螺纹连接。y轴调节杆202a末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动y轴调节杆202a，进而带动y轴导轨202b沿y轴方向移动，实现激光位移传感器4在y轴方向的移动。

所述z轴方向移动调节件203包括z轴调节杆203a、z轴导轨203b和第二滑块203c。其中，z轴导轨203b顶端固定于y轴导轨203b；第二滑块203c与z轴导轨203b间滑动配合连接；第二滑块203c通过连接组件3连接激光位移传感器4。所述调节杆203a与z轴导轨203b底端以及第二滑块203c间螺纹连接。z轴调节杆203a末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动z轴调节杆203a，进而带动第二滑块203c沿y轴方向移动，实现激光位移传感器4在z轴方向的移动。

上述结构的三轴调节组件2是一种结构简单，低成本的三轴位移平台，实现其上安装的激光位移传感器4的空间位置手动调节。

所述连接组件3包括连接片301、夹具302与安装杆303。其中，连接片301通过螺栓固定安装于z轴方向移动调节件203中第二滑块203c上。夹具302包括夹具块A与夹具块B；夹具块A与夹具块B左右相对设置，相对侧面上开槽，用于固定安装杆303时与安装杆303侧壁间的配合，实现安装杆303的定位。其中，夹具块A通过螺栓固定安装于连接片301上，夹具块B与夹具块A间通过两根水平设置纵向排列的调节螺栓连接，调节螺栓穿过夹具块B上的开孔后，与夹具A上对应位置的螺纹孔螺纹连接，通过转动调节螺栓可调节夹具块A与夹具块B间的距离。安装杆303为四棱柱结构，垂直于安装圆盘101设置，位于夹具块A与夹具块B的开槽之间，安装杆303下部周向每个侧面上均开有两个圆形凹槽，用于安装激光位移传感器4。由此通过转动调节螺栓，使夹具块B向夹具块A靠近，进而安装杆303相对位置的棱边处会嵌入夹具块A与夹具块B的开槽内，实现安装杆303与两个夹具块间的定位；进一步拧紧调节螺栓即可将安装杆303夹紧固定于夹具块A与夹具块B间，且松开螺栓，可垂直移动安装杆303，实现激光位移传感器4垂直位置的粗调节。

所述激光位移传感器4尺寸为64×50×20mm，安装于激光位移传感器保护框401中。如图3所示，激光位移传感器保护框401为具有保护框顶面与保护框侧面的L型截面板状结构，保护框顶面与保护框侧面之间设置激光位移传感器4，使激光位移传感器4的顶部与保护框顶面贴合，侧部与保护框侧面贴合；并通过螺栓将激光位移传感器4固定于保护框侧面上。保护框侧面上设计有圆形磁吸片402，尺寸与前述安装杆303下部圆形凹槽304尺寸匹配。由此通过磁吸片402嵌入圆形凹槽内并吸附固定于安装杆303下部，实现激光位移传感器4的安装，且在安装杆203安装完毕后，可选择将圆形磁吸片402与安装杆203周向上远离硬度测量装置中心轴的侧面上圆形凹槽配合吸附固定，方便硬度测量时激光位移传感器4与落球定位装置5间的位置配合。上述激光位移传感器4的激光源位于激光位移传感器4底部，在激光位移传感器4安装后，激光位移传感器4朝向下方的被测材料，且激光位移传感器4所发射激光束与安装圆盘101呈一定角度设置，该角度根据所测量材料确定；如测试冰面硬度时，设计激光位移传感器4所发射激光束发射与安装圆盘101间夹角为19°，能够保证测到的反射光是冰面反射而不是冰内部反射。通过前述三轴调节组件2可实现激光位移传感器4的空间位置精调节，使激光束光斑照向被测材料表面所形成的弹坑，以测量弹坑深度。

所述落球定位装置5包括定位筒501、套筒502和电磁铁503，用于对被测材料施加载荷以发生塑性变形。其中，定位筒501顶面外侧与安装圆盘101下表面贴合并固定；定位筒501顶面内侧固定安装有电磁铁，电磁铁的开关和导线可设置于安装圆盘101的中心开孔处。定位筒501内同轴设置套筒502，通过在定位筒501与套筒502侧壁对应位置开设螺栓孔，配合螺栓实现两者间的固定。套筒502的内径与铁球的直径匹配，可根据铁球的尺寸进行更换不同内径的套筒502，配合不同尺寸的铁球对被测物加载不同大小的载荷；且更换套筒502不会改变铁球的重心，可保证铁球的重心在垂直方向始终在同一直线，避免在更换不同尺寸铁球时再次校准光斑位置。

上述调节组件3、连接组件4和落球定位装置5均衡分布在安装圆盘101下表面，通过合理的布置使整个装置的重心稳定。

本发明硬度测量装置采用了落球法测试原理，当用于测试的铁球从高处落下时，铁球会在被测材料表面或被测材料试样上留下由于塑性变形而形成的弹坑。一般地，弹坑的大小跟球体冲击被测材料表面的动能有关，由此可以定义被测材料的的平均硬度p_h为：

式中，E是球体的动能做功，V是弹坑的体积。动能做功可以根据球体重量和球体在撞击被测材料表面或被测材料试样前后的速度确定，弹坑的体积根据弹坑的深度或截面面积进行计算。

本发明硬度测量装置的硬度测试方法具体为：

步骤1：根据测量要求，选取合适重量铁球以及与内径与该铁球直径匹配的套筒502，并将套筒502与定位筒501间固定。

步骤2：将硬度测量装置架设于校准用材料(可为被测材料或其他在落球加载后压痕形貌良好的材料)表面，通过调节可伸缩支撑腿102，调节安装圆盘101的垂直位置以及水平度，使铁球与校准用材料表面的垂直距离等于设定的铁球下落高度。

步骤3：电磁铁通电，将铁球吸附固定于套筒502内，此时铁球位于设定下落高度位置。

步骤4：激光位移传感器光斑校准。

电磁铁断电，铁球自由下落并对校准用材料表面加载形成弹坑；随后从凹坑内取出铁球，将激光位移传感器4安装到安装杆303上，并通过调节安装杆303的垂直位置，使激光位移传感器4到达量程范围；进一步调节激光位移传感器4的XY轴位置，使激光位移传感器的激光束发射端朝向凹坑，且发射的激光束光斑对准弹坑最深处，完成校准。通过本发明中定位筒501与套筒502的设计，可确保无论更换任何直径的铁球后，铁球的重心在垂直方向始终在同一直线，避免在更换不同尺寸铁球时再次校准光斑位置。

步骤5：将硬度测量装置架设在被测材料表面，进行正式硬度测量，具体为：

首先，读取此时激光位移传感器4的读数，记为d₀；

随后取下激光位移传感器4，电磁铁通电，并将铁球放回入套筒502内；

进一步电磁铁断电，铁球自由下落并对被测材料表面的测量位置处加载形成弹坑；

最后从弹坑中拿开铁球，安装上激光位移传感器4，读取此时激光位移传感器读数，记为d₁；由此弹坑深度δ即为d₁-d₀，通过弹坑深度可根据几何关系计算出弹坑体积V，根据铁球密度尺寸参数可求出铁球砸向被测材料形成弹坑时候的能量E，代入前述公式(1)计算便可得到被测材料硬度值。

通过本发明设计的可原位测试的硬度测量装置，可对均质材料硬度进行准确可重复的测量，达到了计算均质材料硬度的效果，具有操作简单和成本较低的优势，和快速测得均质材料硬度的意义。特别地，本发明可用于原位测试，结构简单，操作方便，适合推广应用。

Claims (5)

1.一种可原位测试的硬度测量装置，其特征在于：在台架上设置可下落球体的套筒以及由三轴调节组件进行空间位置调节的激光位移传感器；通过控制球体从高处落下，在被测材料表面或被测材料试样上留下由于塑性变形而形成的弹坑；根据激光位移传感器获取的数据，结合对数据进行计算得到弹坑的尺寸参数，最终根据弹坑尺寸参数确定被测材料的硬度；

所述激光位移传感器通过连接组件安装于三轴调节组件上；连接组件包括连接片、夹具与安装杆；其中，连接片通过螺栓固定安装于三轴调节组件上；夹具包括夹具块A与夹具块B；夹具块A与夹具块B左右相对设置，相对侧面上开槽；夹具块A固定安装于连接片上，夹具块B与夹具块A间通过两根水平设置纵向排列的调节螺栓连接，调节螺栓穿过夹具块B上的开孔后，与夹具A上对应位置的螺纹孔螺纹连接，通过转动调节螺栓可调节夹具块A与夹具块B间的距离；安装杆垂直于安装圆台设置于夹具块A与夹具块B的开槽之间;安装杆下部安装激光位移传感器；由此通过转动调节螺栓，使夹具块B向夹具块A靠近，安装杆相对位置配合嵌入夹具块A与夹具块B的开槽内，实现安装杆与两个夹具块间的定位；进一步拧紧调节螺栓即可将安装杆夹紧固定于夹具块A与夹具块B间；

所述套筒为双层结构，与安装圆盘贴合面上安装电磁铁，用于吸附固定球体；内层套筒的内径与球体直径匹配，可根据铁球的尺寸进行更换不同内径的内层套筒，内层套筒的更换不会改变铁球的重心，保证铁球的重心在垂直方向始终在同一直线。

2.如权利要求1所述一种可原位测试的硬度测量装置，其特征在于：台架具有顶部安装圆盘以及周向设计的高度可调支撑腿；安装圆盘底面用于安装套筒与三轴调节组件。

3.如权利要求1所述一种可原位测试的硬度测量装置，其特征在于：三轴调节组件的具体结构为：x轴方向移动调节件包括x轴调节杆、x轴导轨和第一滑块；其中，x轴导轨沿x轴方向设置，底部固定安装于安转圆盘下表面；第一滑块为矩形截面的柱状结构，底部与x轴导轨间滑动配合连接，可沿x轴导轨滑动；x轴调节杆为螺纹杆，沿x轴方向设置，与x轴导轨侧壁以及第一滑块间螺纹连接；x轴调节杆末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动x轴调节杆，进而带动第一滑块沿x轴方向移动，实现激光位移传感器在x轴方向的移动；

y轴方向移动调节件包括y轴调节杆和y轴导轨；其中，y轴导轨为矩形结构，顶部沿y轴设计有滑道;y轴导轨通过中部滑道与第一滑块滑动配合连接，使y轴导轨可沿y轴移动；y轴调节杆为螺纹杆，沿y轴方向设置，与y轴导轨侧壁以及第一滑块间螺纹连接；y轴调节杆末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动y轴调节杆，进而带动y轴导轨沿y轴方向移动，实现激光位移传感器在y轴方向的移动；

z轴方向移动调节件包括z轴调节杆、z轴导轨和第二滑块；其中，z轴导轨顶端固定于y轴导轨底面；第二滑块z轴导轨间滑动配合连接；z轴调节杆与z轴导轨底端以及第二滑块间螺纹连接；z轴调节杆末端设计有一体结构的旋钮，通过手持旋钮转动z轴调节杆，进而带动第二滑块沿y轴方向移动，实现激光位移传感器在z轴方向的移动。

4.如权利要求1所述一种可原位测试的硬度测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器安装于激光位移传感器保护框中，通过激光位移保护框上安装的磁吸片与安装杆上设计的凹槽配合定位，吸附固定于安装杆上；且其中安装杆设计为矩形截面，周向四面上均设计与磁吸片配合定位的凹槽。

5.如权利要求1所述一种可原位测试的硬度测量装置，其特征在于：硬度测量方法为：

步骤1：根据测量要求，选取合适重量球体以及内径与该铁球直径匹配的内层套筒，并将内外两层套筒固定；

步骤2：将硬度测量装置架设于校准用材料表面，调节台架高度以及水平度，使铁球与校准用材料表面的垂直距离等于设定的球体下落高度；

步骤3：将球体安装于内层套筒内，此时球体位于设定下落高度位置；

步骤4：激光位移传感器光斑校准；

铁球自由下落并对校准用材料表面加载形成弹坑；随后从凹坑内取出铁球，将激光位移传感器安装到安装杆上，通过调节安装杆垂直位置，使激光位移传感器到达量程范围内，进一步通过三轴调节组件调节激光位移传感器的位置，使激光位移传感器的激光束发射端朝向凹坑，且发射的激光束光斑对准弹坑最深处，完成校准；

步骤5：将硬度测量装置架设在被测材料表面，进行正式硬度测量，具体为：

首先，读取此时激光位移传感器的读数，记为d₀；随后取下激光位移传感器，并将球体放回入内层套筒内；进一步球体自由下落并对被测材料表面的测量位置处加载形成弹坑；最后从弹坑中拿开铁球，安装上激光位移传感器，读取此时激光位移传感器读数，记为d₁；由此弹坑深度δ即为d₁-d₀，通过弹坑深度可根据几何关系计算出弹坑体积V，根据铁球密度尺寸参数可求出铁球砸向被测材料形成弹坑时候的能量E，进而得到被测材料硬度值。

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