CN2227331Y - 轻巧便携适于现场测量的x射线应力测定仪 - Google Patents

Abstract

一种利用X射线衍射原理无损测量材料应力的仪器，其主要结构特点是，测量头的2θ导轨与ψ导轨为一整体件，它们与基体垂直交叉固定，X射线管的中部紧固在基体下部通孔中；ψ扇形蜗轮体上有一弧形通孔，连接柱直接与ψ扇形蜗轮紧固；三脚支架横梁上装有三维平移机构，立柱螺栓脚下装有电控永磁吸盘。本实用新型轻巧便携，测量精度高，适用范围广，既可在实验室使用，又可用于大型工件的现场测量。

Description

轻巧便携适于现场测量的X射线应力测定仪

本实用新型涉及一种利用X射线衍射原理无损地测定多晶材料应力的仪器。

各种机械构件在制造时往往会产生残余应力，以致使构件变形、开裂造成损坏。在无损测定残余应力的各种方法中，普遍认为X射线法是比较可靠和实用的。它可适用于各种金属材料(甚至陶瓷材料)经过各种工艺过程(如铸造、焊接、锻压、车削、磨削、喷丸、热处理及各种表面处理)制成的构件。因而在国内外已广泛应用于工业生产和科学研究中。

现有的X射线应力测定仪，主要由测量头和支架两大部分构成，其缺点是笨重庞大，功能差，不适于现场测量。从结构上看有以下不合理之处：1)ψ、2θ导轨是两个单件，分别安装在测量头基体的左右，基体在中部有一拐弯(形成台阶)，2θ导轨以基体的拐弯部位为依托。这种结构的缺点，一是基体带有拐弯部位会增加测量头的重量，二是ψ、2θ导轨单件加工装配，保证二者同心度十分困难，组装工艺复杂；2)X射线管呈悬臂状固定在基体下部的右面，受力不合理；3)ψ扇形蜗轮与支架的连接方式不合理。基于测试功能的需要，支架与ψ扇形蜗轮的连接应能够保证后者绕ψ回转中心在一定角度范围内变动。为此，目前的X射线应力测定仪是在ψ扇形蜗轮外附加一个T型导槽作为与支架的连接部位，这样做也使测量头的重量增加；4)测量头支架不适于现场实际测量。目前的支架主要有两种形式，一种是座式的，测量头以悬臂状态安装在与底座垂直的方形立柱上，其缺点是受力状态不合理，升降调整困难。另一种是横梁三脚式的，测量头悬挂于横梁之下，这种形式虽然受力状况较好，但高度、垂直度的调整和换点测试时平移调整都比较困难。此外两种形式的支架只能适用大型工件朝上的平面或曲率半径较大的弧面上各点的测试，适用范围较小。

本实用新型的目的是提供一种轻巧便携适用现场测量的高性能的X射线应力测定仪。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括X射线管、探测器、基体、2θ传动系统、ψ传动系统和三脚支架，其结构特点是，2θ导轨与ψ导轨为一整体件。基体为一平板，中部有一开口圆弧槽，2θ导轨、ψ导轨与基体垂直交叉，两导轨之间部分插进基体的开口圆弧槽中并加以紧固。X射线管插在基体下部的通孔中，固紧位置在X射线管的中部。ψ扇形蜗轮体上开有一弧形通孔，连接柱穿过通孔将ψ扇形蜗轮与三维平移机构的连接板连接起来。三脚支架的横梁上安装有三维平移机构，三脚支架的立柱螺栓脚下装有电控永磁吸盘，电控永磁吸盘与立柱螺栓采用万向节式连接。

本实用新型还可以下述方式实现：三维平移机构的X向平移机构由燕尾导轨、燕尾槽和丝杠、丝母组成，丝母固定在燕尾槽之上，燕尾导轨固定在横梁上，丝母、燕尾槽可在丝杠的作用下沿燕尾导轨平移；Y向、Z向平移机构分别由丝杠、圆柱导杆和圆筒导轨组成。X向平移机构燕尾槽与Z向平移机构的圆筒导轨连为一体；Z向平移机构的圆柱导杆与Y向平移机构的圆筒导轨连为一体；Y向平移机构的圆柱导杆与连接板连接，连接板上固定有连接柱。

电控永磁吸盘主要由壳体、可逆磁极、线圈、主磁极组成，可逆磁极位于线圈的芯部，主磁极位于线圈的下面。

本实用新型具有如下优点和积极效果：1)重量轻，便于携带。测量头基体形状的改变以及对ψ扇形蜗轮与连接柱连接方式的改进，节省了材料，使测量头重量减少35％。2)测量精度高。2θ导轨与ψ导轨为一整体件，在车床上可一次加工成型，确保了二者的同心度；增加三维平移机构使测试时可方便地进行微调，基于上述两点，使测量精度大大提高。3)适用范围广。立柱螺栓脚下增加电控永磁吸盘及三脚支架立柱螺栓与电控永磁吸盘万向节式的连接，使得支架既灵活又稳固，不仅可应用于大型工件朝上的平面或曲率半径较大的弧面上各点的测试，而且能够实现对曲率半径较小的弧面及对大型试件立面、仰面的测试。

下面结合附图对本实用新型做详细说明：

图1本实用新型立体图

图2基体

图3整体的2θ导轨——ψ导轨

图4基体与整体的2θ导轨——ψ导轨装配图

图5基体与整体的2θ导轨——ψ导轨及X射线管装配图

图6ψ扇形蜗轮与连接柱装配图

图7电控永磁吸盘结构图

(一)测应力原理简述

本实用新型是依据X射线衍射原理测定材料应力的。当一束具有一定波长入的X射线照射到多晶体上时，会在一定角度2θ(衍射角)上接收到反射的X射线强度极大值，这便是X射线衍射现象。X射线波长入，衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律：

        2dsinθ＝nλ    (n＝1，2，3……)

测试时，将一定波长的X射线分若干次以不同入射角照射到多晶材料表面，每次分别用探测器进行扫描以接收反射的X射线，便可得到与反射强度极大值相对应的衍射角2θ。如果这些衍射角2θ在一定误差范围内大体相等，即不随入射角的改变而规律改变，则表明被测材料表面元应力；反之，如果衍射角2θ随入射角有规律地变化，则表明有应力，变化越大，应力也越大。

根据这样的原理，应力测定仪的测量头应当具备如下两种运动：一是探测器相对于人射X射线在一定接收角范围内的扫描；一是改变X射线入射方向。如此才能做到在不同的入射角的情况分别得到衍射角2θ。至此，测应力的问题将转变为在不同入射角情况下测定衍射角2θ的问题。

(二)结构

本实用新型可分为测量头、三维平移机构、三脚支架、电控永磁吸盘等几部分。

1、测量头：包括X射线管7、探测器11、基体12和ψ传动系统、2θ传动系统。ψ传动系统由ψ导轨13、ψ蜗杆14、ψ扇形蜗轮15及步进电机组成；2θ传动系统由2θ导轨8、2θ扇形蜗轮9、2θ蜗杆10及步进电机组成。ψ导轨13与2θ导轨8为一整体件。基体12为一平板件，中部有一开口圆弧槽。2θ导轨8、ψ导轨13与基体12垂直交叉，两导轨之间部分插进基体12的开口圆弧槽中并加以紧固。X射线管7插在基体下部的通孔中，固紧位置在X射线管的中部。ψ扇形蜗轮15体上开有一弧形通孔，连接柱16穿过通孔将ψ扇形蜗轮15与三维平移机构6的连接板连接起来。由于测量头重量减轻，连接柱16仅用两根Φ16×60mm的双头螺栓，连接板尺寸用60×45×10mm的即可。

工作原理：当2θ蜗杆10在步进电机带动下转动时，它带动2θ扇形蜗轮9沿2θ导轨8运动，于是，与2θ扇形蜗轮连在一起的探测器便做扫描。所滑扫描，即是逐步改变探测器轴线与X射线管7发出的X射线的夹角。在扫描过程中，探测器11接收各角度上的反射X射线，这是应力测量必需的动作之一。

当ψ蜗杆14在步进电机带动下做自转时，它同时也沿ψ扇形蜗轮15作圆弧运动并带动整个测量头在ψ扇形蜗轮15上运动。整个测量头的运动的作用在于改变X射线对于试样表面的入射角，这是应力测量必需的又一动作。

2、三维平移机构和连接柱：三维平移机构6包括X向平移机构、Y向平移机构、Z向平移机构、连接板。X向平移机构由燕尾导轨、燕尾槽和丝杠、丝母组成。丝母固定在燕尾槽上，燕尾导轨固定在横梁上，丝母、燕尾槽可在丝杠的作用下沿燕尾导轨平移。Y向、Z向平移机构分别由丝杠、圆柱导杆和圆筒导轨组成。X向平移机构的燕尾槽与Z向平移机构的圆筒导轨连为一体，Z向平移机构的圆柱导杆与Y向平移机构的圆筒导轨连为一体，Y向平移机构的圆柱导杆与连接板连接，连接板上固定有连接柱16。

Z向平移机构的作用是精确较准测量头至测试点的距离。在一个点测试完毕后，如需在小范围内改换测试点，可利用X、Y向平移机构。例如，需要X向移动测量头时，转动丝杠，燕尾槽即带动Z向、Y向平移机构和整个测量头一起在X向平移。

3、三脚支架：三脚支脚5由三条立柱螺栓、两个横梁及固定螺母组成。其作用是支承测量头，使测量头相对于测试点保持一定的距离和角度。转动立柱螺栓，第一可以粗略调整测量头至被测试件表面的距离(精确调整由三维平移机构完成)，第二可以校准测量头相对于试件表面的垂直度。

4、电控永磁吸盘：它包括壳体1、可逆磁极2、线圈3、主磁极4及附件。主磁极4采用新型强永磁材料钕铁硼，可逆磁极2采用矫顽力较低的铝镍钴材料。可逆磁极2可用通电的线圈改变极性。电控永磁吸盘具体结构参见图7，在壳体1内部装有线圈3，可逆磁极2位于线圈3的芯部，主磁极4位于线圈3的下面。当主磁极4与可逆磁极2的磁力线恰成闭合状态时，整个吸盘对外不显磁性。给线圈3通电，使可逆磁极极性转换，这时主磁极与可逆磁极极性相同而相叠加，吸盘对外呈现很强的磁性。而且在此之后切断电源并不影响磁力。如需退磁，则要再给线圈以反向通电，使可逆磁极的极性再次转换，吸盘恢复对外无磁的状态。

电控永磁吸盘安装于三脚支架5的三个立柱螺栓脚部，采用万向节式连接方式，即立柱螺栓脚制成球形，电控永磁吸盘上有一窝臼，二者装配可有很大的自由度。这样可保证三脚支架在曲率半径较小的弧形的试样及大型工件立面、仰面上稳固而灵活地调整的需要。

此外，使用本实用新型测定材料应力时，还需配备计算机和开关电源。操作者可通过计算机的键盘以人机对话的方式选择测量条件，按动测量键后，即可按操作者的意图自动控制测量全过程，采集数据并进行运算，最后打印出测量结果。开关电源分低压、高压两部分，低压箱产生5V供计算机，24V供步进电机。高压部分由控制箱和油箱组成，主要为X射线管提供高稳定度的15—30KV电压，为探测器的正比计数管提供1000--1500V电压。

Claims (3)

1、一种轻巧便携适于现场测量的X射线应力测定仪，包括X射线管(7)、探测器(11)、基体(12)、2θ传动系统、ψ传动系统和三脚支架(5)，其特征是：

2θ导轨(8)与ψ导轨(13)为一整体件；基体(12)为一平板，中部有一开口圆弧槽；2θ导轨(8)、ψ导轨(13)与基体(12)垂直交叉，两导轨之间部分插进基体的开口圆弧槽中并加以紧固；X射线管(7)插在基体(12)下部的通孔中，固紧位置在X射线管的中部；

ψ扇形蜗轮(15)体上开有一弧形通孔，连接柱(16)穿过通孔将ψ扇形蜗轮(15)与三维平移机构(6)的连接板连接起来；

三脚支架(5)的横梁上安装有三维平移机构(6)，三脚支架(5)的立柱螺栓脚下装有电控永磁吸盘，电控永磁吸盘与立柱螺栓采用万向节式连接。

2、根据权利要求1所述的X射线应力测定仪，其特征是：三维平移机构(6)的X向平移机构由燕尾导轨、燕尾槽和丝杠、丝母组成，丝母固定在燕尾槽之上，燕尾导轨固定在横梁上，丝母、燕尾槽可在丝杠的作用下沿燕尾导轨平移；Y向、Z向平移机构分别由丝杠、圆柱导杆和圆筒导轨组成；X向平移机构的燕尾槽与Z向平移机构的圆筒导轨连为一体，Z向平移机构的圆柱导杆与Y向平移机构的圆筒导轨连为一体，Y向平移机构的圆柱导杆与连接板连接，连接板上固定有连接柱(16)。

3、根据权利要求1所述的X射应力测定仪，其特征是：电控永磁吸盘主要由壳体(1)、可逆磁极(2)、线圈(3)、主磁极(4)组成，可逆磁极(2)位于线圈(3)的芯部，主磁极(4)位于线圈(3)的下面。

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