CN1255195A - 无损伤测定物质弹性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

到目前为止,检测材料的弹性参数的各种方法大都是在样品上,而不是在实际工件上进行的。本发明能够直接在工件上无损伤地测定工件材料的弹性。为了无损伤地测定工件(1)的弹性(见图6),用加载装置(7)把透明材料制成的压头(2)压向工件(1)。压头的两主曲面的主曲率半径已知。由于弹性变形在工件(1)和压头(2)之间会出现一个接触面(3)。光学系统(4)和(6)经透明的压头照射在接触面上。在加载的同时通过一测长装置(5)对接触面的大小进行测定,通过力传感器(8)测定法向力,然后,根据赫兹公式,利用法向力、接触面尺寸和主曲率半径求出材料的弹性值。本发明尤其适用于无损伤地测定材料的弹性,特别是在科研和质量监控中对实际工件进行测定。

Description

无损伤测定物质弹性的方法及装置

本项发明涉及一种无损伤测定物质弹性，尤其塑料制品的弹性的新方法以及相应的测量装置。其特征在于：有一个由透明材料制成的压头，它的两个主曲面的主曲率半径为已知，用一定的法向力将压头压在待测工件上，在压头和工件之间会产生一个接触面。在法向力作用及测量法向力的同时，测出该接触面的大小。这样，材料的弹性参数就可以根据赫兹公式由已知的法向力，接触面积和主曲率半径计算出来。

到目前为止，材料的弹性参数大多是通过对试样进行拉伸试验测定的。由于材料的参数可随诸如温度、加载速度等因素的影响而变化，因而工件的实际参数与从样品上所测到的数值相比，会有或多或少的偏差。

在测定金属工件的硬度时，比如在布氏或维氏方法中，尽管材料参数“硬度”可以可以直接在工件上测得，但此材料参数实际上由压痕槽的塑性变形导出。按德国工业标准DIN53505用肖氏方法，以及用球压法按DIN53519和DIN53456测定塑料的硬度时，虽然压入深度在法向力作用的同时得到测定，但在这些方法中，样品相对较薄，材料变形相对较大，塑性变形不可避免。这样在计算硬度时，就不可能找到一个能准确提供变形和作用力之间关系的弹性理论作为理论基础，此外，由于台架的变形等影响因素，尽管有预加负荷的定义，压入深度的测量也不准确。

综上所述，利用上述硬度测量方法尽管也可以直接在工件上测定硬度，布氏硬度测试甚至也可以部分地保证无损伤的操作，但是它们所测算出来的硬度值只适用于各自定义的标准条件下的测试压力和压头，不可以直接应用于弹性理论之中。尽管这种硬度值可以换算成弹性模量，但这样换算的结果很不精确。

本项发明的目的是开发一种新的方法和相应的装置，使之能够直接在工件上无损伤地测量该工件的弹性或材料的弹性参数。

为了实现这一目标，我们引入一个材料弹性方面的中间参数“接触模量”，它由下式定义： $E_{k1}=\frac{E_1}{1-{{\mathrm{\ν}}_1}^2}.--\left(1\right)$

其中，E₁为弹性模量，ν₁为材料的横缩系数。

图1和图2形象地展示了用本发明无损伤地测量材料弹性模量的原理。它有一个由特殊透明材料制成的、一般呈透镜状的物体，也就是压头2，它的主曲率半径为已知，该压头在一定法向压力F_Z作用下压向待测工件1。由于弹性变形，在压头2和工件1之间就会形成一个接触面3。该接触面由一光源4所发出的一束光所照射，接触面的大小将由一个主要基于光学或光电原理制成的长度测量装置5来测定。

为了能够准确施加法向力，可将工件(见图2)或者压头(见图3-5)安装在一导向装置11上并且用加载装置7来施压或调节，所施的法向压力将由一个压力传感器8测定。要使压力能得到良好的传递，可将工件固定在载物台上，将压头固定在压头筒10上。为了对压力进行微调或较长时间保持压力不变，可在加载装置中串联一个弹性元件，比如说，这可以由一个机械弹簧12或一个液压缓冲装置来实现。

值得注意的是，当压头表面呈凸形时，而工件的待测面为鼓形时，它们之间的接触面就呈椭圆形(图1a)；当工件的待测面为平面(图1b)或球形时，接触面就是圆形。接触配对的接触模量E_k就可以按照赫兹公式由接触面的长短轴a和b、接触配对的等效半径R_e以及所施加的法向力F_Z计算出来：

这里s^*和l^*为赫兹系数，它们由两相互接触的物体的主曲率半径R_X1、R_Y1、R_X2、R_Y2所确定，可在Eschmann，P.；Hasbargen，L.；Weigand，K.1978年所著的“Die Wlzlagerpraxis”-《滚动轴承实验》一书中由函数式 $\cos \mathrm{\τ}=|\frac{1}{R_{x1}}-\frac{1}{R_{y1}}+\frac{1}{R_{x2}}-\frac{1}{R_{y2}}|/(\frac{1}{R_{x1}}+\frac{1}{R_{y1}}\text{+}\frac{1}{R_{x2}}+\frac{1}{R_{y2}})--\left(3\right)$ 在表格中查出。这里的下标1指工件，2指压头；下标x和y指的是个主曲方向；等效半径Re由相互接触物体的主曲半径按下式算出： $\frac{1}{R_e}=\frac{1}{R_{x1}}+\frac{1}{R_{y1}}+\frac{1}{R_{x2}}+\frac{1}{R_{y2}}--\left(4\right)$

如果压头表面为圆柱形，而待测面为一平面或圆柱形时，接触区3为矩形(图1c)。接触模量可以从接触区的边长B和a按下式求出： $E_k=\frac{8F_z{R}_e}{\mathrm{\π}{\mathrm{Ba}}^2}-----\left(5\right)$

如果工件压头的材料不同，则有下列通式：

如果接触配对的接触模量E_K已按此法求出，而压头的弹性模量E_Z和横向收缩系数ν_Z为已知，那么就可以按下列求出工件1的接触模量E_K1 $E_k={[\frac{2}{E_k}-\frac{1-{{\mathrm{\ν}}_2}^2}{E_2}]}^{-1}---\left(7\right)$

当工件的横向收缩系数ν₁为已知时，就可由工件的接触模量E_K1按下式导出工件的弹性模量E₁：

E₁＝(1-ν₁ ²)E_k1                      (8)

应用本发明的方法时必须注意以下前提条件：

1)首先，赫兹公式的半空间条件必须得到满足。即工件的待测面附近必须是实心的；从长、宽和厚度三个方面看其实心范围不应小于接触面短半径的3～5倍；

2)其次，在工件一侧的接触面附近的主曲面上必须具有恒定的主曲率半径，例如圆柱形、球形、鼓形或为一平面等。其主曲率半径必须为已知，或者是可以测定的。

3)第三，压力负荷不可超出待测材料的线性弹性区域。

采用此方法时，压头2应优先采用透明材料如玻璃或兰宝石制成，用于测定较软的材料如橡胶、塑料、树脂等。

在某些特定情况下，压头也可采用不透明材料。比如要测试较硬的材料时就应选用相应的硬质不透明材料制成的压头。在这种情况下，接触面不能透过压头从其背面来观察，测算时就要选用所施加的最大法向压力值和相对应的最大接触面尺寸。这个最大接触面一般以触痕的方式显示在压头2和工件1上，尤其是当在待测面上涂一层干燥的薄膜时，接触区在卸载后就可以从接触面的正面清楚地观察到。值得注意的是，该触痕完全是弹性变形的记录，它有别于硬度测量所产生的压痕槽，无塑性变形成分。在卸载后以及在接触配对相互分离之后，压头可以被推或转到一边，这样就可以用测长装置5来测量接触面在工件上留下的触痕。

还有一些特殊情况，比如脉冲载荷作用时，虽然压头是透明的，但可能不能在施加压力负荷的同时测量接触面的大小，这时最大接触面的测量也可以在撤掉负荷之后，透过由透明材料制成的压头来测定。

在工件1内部所产生的压应力受压头和工件的曲率半径等因素影响。要把这种应力控制在一个适当范围内，就应选用适当的压头形状及相应的曲率半径。为了使接触面不发生畸变和易于加载，一般压头背面是平面状，另一面是平面或曲面，如凹形，凸形或圆柱形。

接触面的测量精度受接触面3与其周边之间的反差影响较大。为了提高这种反差，可以在工件1上涂一层极薄的薄膜，待薄膜干后再测量，可以提高这种反差。将压头表面制成光面或毛面或在其表面涂一层极薄的薄膜干燥后，也可以达到同样的目的。此外，还可将一薄膜(厚度＜10μm)置于压头2和工件之间，这样可以使接触面清晰地印在薄膜上；薄膜越薄，其测量精度就越高。

采用不同波长的适当光源也可提高这种反差。尤其是采用平行光束照射接触面以及采用光学的或光电子途径进行测量，在这里光源4及测长装置5的光学主轴必须垂直于接触面3以及接触面的镜像面3′。部件4和部件5虽然设置在不同的部位，用一分束器6就可以满足上述要求。应该注意不让任何散射光射入接触面3而进入光路最后到达测长装置5。

本发明要求在一般情况下使用不变的或准静态的法向负荷压力。要测量材料在动态负荷条件下的性能，就要使所施加的法向力随时间而变化，比如周期性或脉冲式。这时加载装置7和测长装置5也要相应选择动态式的，如伺服油缸和一个摄像机。

在质检过程中可能会出现这样的情况，即只需要一个在一定的法向压力下的接触面积，或者一个对应一定接触面积的法向力就可以来确定或控制材料的特性，而不需要测出接触摸数或弹性模量。

采用本发明可以在工件的许多不同位置上测定接触模量。通过多点测量的取平均值可以提高所测材料参数的精确度；而从多点测量所得到的接触模量的差值中可以测出工件的非均质性。与通常使用的拉伸试验相比，这是该方法除无损伤性之外的又一个优点。

在生产带状材料时，有必要时材料进行连续的监测。为此，可选用透明材料将压头制成环状2d，使其能够在移动中的带状材料1上滚动(图5)。在滚动的同时由一个半透明的镜面6b将一束平行光束反射到接触面3上，同时测长装置如摄像机5d可以进行监视。这种设计也适用于测定处于滚动状态的工件。

图2和下面的几个应用实例可以用来进一步说明本发明。图3显示了一个类似于拉伸试验机的弹性测量装置，它包括测量和控制设备。图4为一便携式(手握式)弹性测量计。图5为一带有滚动压头的弹性测量装置，它可用于测量移动或滚动中的带状材料。

根据本发明，设置在工件1之上、已知主曲率半径的压头是可以更换的。工件和压头这两者之一可以沿导轨移动。这样，这个可移动的部分就可在加载装置7，如一个滚珠丝杠驱动装置7B的驱动下对另一个施加载荷，一个接触面3就会由于弹性变形在二者之间形成。多个具有不同形状如平面-凹，平面-圆柱形等和不同主曲率半径的压头可以置于一个回转式或平移式压头库中，其中只有一个选定的压头2在加载时处于测量位置。如果压头是由透明材料制成的，它最好置于一个钢质的保护圈中。

为了便于照射和测量接触面，必须将光源4和测长装置5，5b，5c，5d安装在接触面的压头一侧。最好是有一个分束器6或一个半透明的反射镜片6b放置在光源和压头之间，而测长装置5，5b，5c就正好置于由分束器反射形成的接触面的镜像3′的法向。另一种可供选择的方案是将光源4和测长装置5，5c的位置对调。也可以将部件4和部件6集成到测长装置5之中。

作为一种优选方案，可以把压头2、光源3、分束器6，6b、测长装置5，5b，5c以及压力测量装置8作为一个组件E安装在一个箱体10之上或其中。这个组件E包含了本项发明的全部核心部件，它可作为嵌入式模件装入其它装置中使用，如一个万能材料试验机或一个机器人。当然也可以将组件E中的一个或几个部件从该组件分离出来安装，如将压力测量装置8分离出来。

载物台9(图2)或者是组件E(图3、4)两者之一必须能够移动，移动的部分由一个导向装置11导向并通过导轨与机架15或者外壳15C直接相联，与加载装置7，7b可直接也可间接相联。

在另一个优选实例-便携式(手握式)弹性测量计(图4)中，测量计省去了加载装置，加载可由手来施加或者由一个外加的加载装置如机器人来实现。组件E位于外壳15c的内部由滑道导向，并通过一个弹簧12与加压套筒16相连。弹簧12用来对压力进行缓冲微调。压力FZ可来自于施加在外壳15c上的整个手掌的力，或者由拇指施加的力，经加压套筒16和弹簧12传递到组件E上。用姆指按压加压套筒16可以实现压力的细微调节。当然在灵敏度要求不高的情况下，可以省掉加压套筒16。

在便携式弹性测量计中，应优先采用无外接电线的机械、光学和电子的测量装置(测力，测长)。图4就显示了这样一个例子。弹簧12除可以起到缓冲微调的作用外还可用作压力值指示器，因为弹簧伸缩的长度可以显示在一刻度标尺17上，刻度尺上还可以带有一最大力值记录指示。接触面3可由一光学投影装置5c投影到一个带长度标尺的视窗上。这两个显示装置(压力、接触面)设计成在加载时可以同时观察到。

在带有滚动压头(图5)的优选例子中，由透明材料制成的轮式压头2d固定在钢质园盘上。而钢质圆盘的轮轴则安置在一个座架10d上的轴承内，其作用与固定组件E的箱体10相似，该座架由导向装置11导向，经压力传感器8与加载装置7相联。在行程较小的情况下滚动导轨11可以被一个弹性导向装置，如一个片簧所替代。在测量时加载装置7通过座架10d将压头2d压向工件1，压头2d被平移或滚动的工件所驱动而随之滚动。用一个摄像机5d经分束器6b折射，并透过正在滚动的压头2d就可观察到接触面3的图像。这种装置可用于对连续生产的带状材料的质量进行监控，或用来研究工件的滚动速度对其弹性的影响。

加载装置的调控以及测量数据的收集和处理可以采用人工的方式，也可以由计算机来执行。图3显示了一个计算机执行的操作实例。加载装置7b、压力传感器8以及测长装置5b经由相应的控制卡、处理卡、继电器和放大器与微处理器14相联。

在微处理器的帮助下，可以全自动地或人机交互地对负载及卸载过程进行控制、数据的收集和处理，并将计算结果(接触摸量及弹性模量)显示出来。全自动测量，包括计算和显示，对便携式弹性测量计而言尤为重要，其中它的关键的任务是对接触面大小的自动识别。

除所描述的各种操作实例以外，本发明还可以设计成其它造型，如显微式弹性测量仪。在上述实例中对个别部件只例举了1至3个优选方案，类似的或功能相似的改型或者这些改型的组合都属于本发明的专利保护范围，如用CCD摄像机或用光电扫描器来取代测长装置5中的读数望远镜。

与拉伸试验相比较，本发明可以称为接触试验。为了检测这种接触试验的精度，在很短的时间内分别对三组塑料材料进行了接触和拉伸对比试验，拉伸试验是按德国工业标准DIN53457进行的。两种试验结果的比较显示，就一个线性较好的材料而言，两种方法测量并换算出的接触模量相差甚小(＜1％)。对于线性较差的材料，用接触试验测出的接触模量较从拉伸试验得出的值高3％到7％。与拉伸试验相比，接触试验不需要专门制备的样品，而可以直接在工件上进行无损测试，并可以任意重复，而且可以在工件使用过程中间或使用后再进行测试。

布氏、维氏和肖氏硬度局限于特定的材料、负载范围和标准定义，而接触模量是一个适用所有材料的，在弹性变形区内统一定义的材料弹性参数，可以直接应用于弹性理论。此外，接触面的大小不受框架变形的影响，因而不必要定义一个预加载荷。工件的待测面所受到的压力负荷在其弹性区间内，因此不对工件造成损坏。

根据权利要求1至19，本发明在工业测量中主要应用于较软的材料，如塑料和较软的金属、用于对半成品和工件在其实际使用的条件下对其弹性(弹性系数，接触模数)进行无损伤测量和监控。在科研方面，本发明可以用于研究诸如温度、加载速度等因素对工件弹性的影响。在建筑业和农业中，本项技术可以用来无损伤地测定混凝土、树脂、沥青、体育场地、土壤及水果等的弹性。在医学方面这种接触试验也可用来无损伤地测定人造材料及组织的弹性。

Claims (19)

1.一种无损测量材料弹性，尤其是塑料材料弹性的方法，其特征在于：

将一由透明材料制成的压头用一恒定或变化的法向力压在待测工件上，该压头表面具有两个主曲率半径，且该主曲率半径已知或可测；

在施加法向力的同时，用透射过压头的光照射在压头和工件之间由于弹性变形而产生的接触面上，并由一测长装置测定接触面尺寸；

利用接触面的尺寸、法向力及主曲率半径，根据赫兹公式计算工件材料的弹性，即接触模量，并由此导出弹性模量。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，在压头上或工件上接触面一侧涂一层极薄的、迅速干燥的薄膜或将一簿膜置于压头和工件之间。

3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，压头用透明材料制成平-凹形，当然采用不透明材料或采用其它表面形状也是可以的。

4.如权利要求1，2或3的方法，其特征在于，接触面的大小在卸载之后以及接触配对分开后，借助于留在压头或工件上或簿膜上的接触面压痕，以光学手段或其它测长装置进行测定。

5.如权利要求1-4任一项的方法，其特征在于，优先采用一束平行单色光照射接触面，当然散射光及由多个波长组成的光也是可以的。

6.如权利要求1-5任一项的方法，其特征在于，将一分束器或一个半透明的镜片设置在这样一个位置，使照明光束和测长装置的光学主轴分别垂直于接触面和由分束器形成的接触面的镜像。

7.如权利要求1-6任一项的方法，其特征在于，无须计算接触模量，只需测定一个在特定法向力下的接触面值，一个对应于一定义接触面大小的法向力，即可达到测定并控制材料的参数的目的。

8.如权利要求1-6任一项的方法，其特征在于，在同一工件上的几个部位进行测量，从各测量值中求出平均值；此外还可把这些数值的离散性作为工件材料的非均质性的参数。

9.如权利要求1-6任一项的方法，其特征在于，在一法向力的作用下，将一环状压头压在一个滚动或移动着的工件上，压头将随之滚动，测长装置在滚动的同时通过接收透过压头和半透明镜片(6B)的有关接触面的光学信息，从而对接触面进行在线测量。

10.一种根据权利要求1的方法而设计的装置，其特征在于，包括已知主曲率半径的、可置换的压头(2D)，该压头置于一工件(1)之上，压头(2D)和工件(1)二者之一可以沿导轨移动并在一加载装置(7)的作用下压向另一个，在两者之间由于弹性变形而产生一接触面。

11.如权利要求10的装置，其特征在于，一个工作表面的主曲率半径和形状各不相同的压头组，装在一旋转式或推拉式压头盒内，并设置在工件上部的待测位置附近，通过旋转或平移使其中一个压头刚好处在工作位置。

12.如权利要求10或11的装置，其特征在于，一个由透明材料制成的环状压头(2d)固定在钢质法兰上并通过其轮轴安置在座架(10d)上，该座架由导向装置(11)导向并通过一压力传感器(8)与加载装置(7)连接。

13.如权利要求10-12中任一项的装置，其特征在于，一个测长装置(5，5b，5c，5d)，一个光源(4)和一个分束器(6，6b)安置在接触面的上方，其中部件(4)和部件(5)的光学主轴分别垂直于接触面(3)以及接触面的镜像图(3′)。

14.如权利要求10-13中任一项的装置，其特征在于，压头(2)，光源(4)，分束器(6)，测长装置(5)和压力测量装置(8)作为一个组件(E)安置在同一个箱体(10)上或其中。

15.如权利要求10-14中任一项的装置，其特征在于，工件(1)的载物台(8)或组件(E)两者之一由导向装置(6)导向，它可以直接与加载装置(7)联接，也可以通过一个压力传感器(8)或一个弹簧(12)与之联接。

16.如权利要求10-15中任一项的装置，其特征在于，其为便携式结构(图4)，载有压头的盒(10)即组件(E)通过一导向装置(11)安装在外壳(15c)的内部，将一弹簧(12)和一个压力套筒(16)放置在外壳和组件(E)之间。

17.如权利要求16的装置，其特征在于，法向压力和接触面的显示装置设计成在受力的同时皆可观察到，在压力刻度标尺(17)上所显示的弹簧(12)的伸缩量可以用来测力。

18.如权利要求10-13中任一项的装置，其特征在于，可以采用人工的、人机交互或和全自动的方式实现调控、测量数据的收集和处理，以及测试结果的显示。

19.如权利要求10-17中任一项的装置，其特征在于，该装置为显微镜式弹性测量仪或其它形式的检测设备。

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