RU108842U1 - Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием - Google Patents
Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием Download PDFInfo
- Publication number
- RU108842U1 RU108842U1 RU2011107766/28U RU2011107766U RU108842U1 RU 108842 U1 RU108842 U1 RU 108842U1 RU 2011107766/28 U RU2011107766/28 U RU 2011107766/28U RU 2011107766 U RU2011107766 U RU 2011107766U RU 108842 U1 RU108842 U1 RU 108842U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- indenter
- diffraction grating
- laser
- photodetectors
- loading
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к измерительной технике для исследования и определения механических свойств материалов путем приложения к ним механических усилий Заявляемое устройство, содержит индентор и расположенные внутри корпуса устройства механизм нагружения индентора, датчик усилия нагружения, а также датчик перемещения индентора, причем индентор кинематически связан с механизмом нагружения через датчик усилия нагружения, а механизм нагружения индентора выполнен в виде электромагнита с подвижным штоком. Датчик усилия нагружения выполнен в виде тензометрического датчика, на котором жестко закреплено гнездо установки сменных инденторов, а датчик перемещения индентора включает отражательную дифракционную решетку, размещенную на основании гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и расположенную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки. 1 з.п. ф-лы, 3 илл.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике для исследования и определения механических свойств материалов путем приложения к ним механических усилий, а именно к микротвердомерам, регистрирующим диаграммы глубины вдавливания индентора в материал.
Известны микротвердомеры, предназначенные для измерения микротвердости металлов, сплавов, минералов и других материалов методом вдавливания алмазных наконечников с нагрузкой в диапазоне от 1 до 1000 гс по ГОСТ 9450-76, контролирующих величину отпечатка при заданной нагрузке на индентор. Они широко применяются в лабораториях заводов, научно-исследовательских институтах, учебных заведениях, в металлургической, машиностроительной, горнодобывающей промышленности, а также в других областях науки и техники.
Известен микротвердомер (патент РФ №2231041, опубл. 20.06.2004, G01N 3/48), содержащий основание с предметным столиком, стойку, установленную на стойке траверсу, первую направляющую в форме стакана с осевым отверстием под индентор, в полости которого размещен механизм нагружения с датчиком силы, и установленный в нижней части стакана, магнитоуправляемый датчик перемещений индентора, постоянный магнит которого размещен на нерабочей поверхности индентора, каретку со сменными грузами, установленную в полости стакана с возможностью вертикального перемещения посредством жесткого первого арретирующего звена узла привода нагружения в виде арретира, который установлен на верхней утолщенной поверхности стакана, вторая направляющая, выполненная в виде опоры, коаксиально установленная в стакане с возможностью вертикального перемещения относительно него, и второе арретирующее звено, выполненное в виде регулировочного микровинта, размещенного в верхнем торце опоры и обеспечивающего возможность освобождения опоры от контакта с кареткой при замыкании опоры с плоскостью образца, при этом стакан жестко закреплен на траверсе, магнитоуправляемый датчик перемещений индентора размещен в корпусе опоры, а каретка со сменными грузами и механизм нагружения соосно размещены в полости опоры, с возможностью вертикального перемещения относительно нее.
Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная как факторами внешних воздействий (вибраций) на индентор, которые невозможно устранить в описанной конструкции, так и неконтролируемые люфты в направляющих.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является прибор для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием (патент РФ №91627, опубл. 20.02.2010, G01N 3/42), содержащий основание с вертикальной стойкой с направляющими и закрепленный на нем предметный столик для установки исследуемого образца, каретку, расположенную в направляющих стойки с возможностью ее относительного перемещения вдоль стойки и снабженную смонтированными на ней приводом перемещения, пружинным параллелограммом и рычажным арретиром, закрепленным на оси с возможностью его углового поворота и взаимодействующим в процессе работы с упором, полый корпус со сквозным окном в его боковой стенке и с соосно размещенным внутри него на плоскопараллельных пружинах штоком с жестко закрепленным на его конце индентором, смонтированный внутри корпуса с помощью держателя нагружатель индентора, установленный с возможностью перемещения вдоль оси корпуса и кинематически связанный с вышеупомянутым приводом его перемещения через вышеуказанное окно в боковой стенке корпуса, а также средства регистрации усилия нагружения и глубины внедрения индентора, отличающийся тем, что нагружатель индентора выполнен в виде соосно установленных между собой с равномерным зазором сердечника из магнитострикционного материала с аномально большой магнитострикцией и охватывающего его постоянного магнита, причем магнит жестко закреплен в держателе, а сердечник жестко соединен со штоком соосно с ним и является его составной частью, корпус с помощью вышеупомянутого параллелограмма соединен с кареткой, а взаимодействующий с рычажным арретиром упор жестко закреплен снаружи его боковой поверхности.
Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения микротвердости массивных материалов и покрытий на их поверхности.
В заявляемом устройстве для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием, содержащем индентор и расположенные внутри корпуса устройства механизм нагружения индентора, датчик усилия нагружения, а также датчик перемещения индентора, причем индентор кинематически связан с механизмом нагружения через датчик усилия нагружения, а механизм нагружения индентора выполнен в виде электромагнита с подвижным штоком, указанный технический результат достигается тем, что, датчик усилия нагружения выполнен в виде тензометрического датчика, на котором жестко закреплено гнездо установки сменных инденторов, а датчик перемещения индентора включает отражательную дифракционную решетку, размещенную на основании гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и расположенную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки.
Кроме того, повышение точности измерений микротвердости в заявляемой полезной модели достигается тем, что лазер установлен таким образом, что его оптическая ось расположена в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки, лазер и фотоприемники расположены симметрично относительно нормали к отражательной поверхности дифракционной решетки, оптические оси лазера и фотоприемников имеют одинаковый угол α к нормали дифракционной решетки, расстояние D между оптическими осями равно
,
где d - период дифракционной решетки, k - целое число, и удовлетворяет условию
D≤Dlaser,
где Dlaser - световой диаметр лазера.
В заявляемом устройстве реализован ряд условий повышения точности измерений микротвердости. В частности, в устройстве повышена точность нагружения испытуемого материала, поскольку силовая цепь нагружения проходит от электромагнитного механизма нагружения через датчик усилия нагружения и индентор к поверхности исследуемой детали, не имея механической связи с другими элементами устройства. Это исключает непрогнозируемые ошибки измерений, связанные с трением между узлами механизма нагружения и другими элементами устройства. Электромагнитное устройство нагружения не создает вибраций и позволяет создавать любое усилие нагружения индентора без применения сменных грузов. Это дает возможность повысить точность измерений на различных материалах. На датчик усилия нагружения в заявляемой конструкции устройства воздействует минимизированная постоянная нагрузка (вес гнезда с индентором и дифракционной решетки), что позволяет проводить калибровку этого датчика перед каждым измерением и, тем самым, повысить точность контроля усилия нагружения. В заявляемом устройстве в отличие от прототипа исключено соприкосновение датчика усилия нагружения с другими деталями конструкции, что исключает влияние внешних воздействий (трение) на результат измерений. В заявляемой полезной модели применение в качестве датчика усилия нагружения тензометрического датчика обеспечивает повышение точности измерений за счет возможности получения с выхода указанного датчика электрического сигнала, пропорционального усилию нагружения, и дальнейшего использования этого сигнала в схеме управления механизмом нагружения в качестве сигнала обратной связи. Для повышения точности измерения величины перемещения индентора при его нагружении в заявляемом устройстве предложен оптический датчик, включающий отражательную дифракционную решетку, размещенную на основании гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и расположенную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 чертежей показана компоновочная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - оптическая схема датчика перемещения индентора, а на фиг.3 - электронная блок-схема устройства. На фиг.1 изображены электромагнитный механизм нагружения, выполненный в виде сердечника 1 с обмоткой, который находится в магнитном поле постоянного магнита 2 и имеет одну степень свободы. Сердечник 1 электромагнита закреплен в центре упругой мембраны 3, края которой жестко связаны с основанием корпуса устройства 4. Тензометрический датчик усилия нагружения 5 выполнен в виде металлического параллелограмма с массивным боковыми частями одной из которых он жестко закреплен на верхнем торце сердечника 1 электромагнита, а на противоположной жестко зафиксировано коническое гнездо для установки сменных инденторов 6 с байонетным замком. Оптический датчик перемещения индентора 6 (см. фиг.1) представляет собой дифракционную решетку 7, закрепленную на торцевой нерабочей поверхности датчика усилия нагружения 5 под основанием гнезда инденторов 6 параллельно его оси, штрихи которой расположены перпендикулярно оси перемещения индентора 6 и считывающую головку 8, закрепленную на внутренней поверхности корпуса 4 и содержащую лазер 9 и два фотоприемника 10 и 11 (см. фиг.2), оптические оси которых находятся в одной плоскости, расположенной перпендикулярно поверхности дифракционной решетки 7 и перпендикулярно ее штрихам. Лазер 9 и фотоприемники 10, 11 расположены симметрично относительно нормали к поверхности дифракционной решетки 7. Оптические оси лазера 9 и фотоприемников 10, 11 имеют одинаковый угол к нормали дифракционной решетки 7, например, α=45°. Расстояние D между оптическими осями фотоприемников равно D=dcos[(2k+1)α/2], где d - период дифракционной решетки 7, k - целое число, и удовлетворяет условию D≤Dlaser, где Dlaser - световой диаметр лазера 9. В предлагаемом оптическом датчике перемещения индентора 6 световой диаметр фотоприемников 10, 11 не превышает d. Оптические оси фотоприемников 10, 11 пересекают отражательную поверхность дифракционной решетки 7 в точках равноудаленных от точки пересечения поверхности дифракционной решетки 7 оптической осью лазера 9.
Электронная схема устройства (см. фиг.3) включает четыре тензорезистора, соединенные между собой в измерительный мост 12, выход которого электрически связан с входом дифференциального усилителя 13. Выход дифференциального усилителя 13 соединен с входом обратной связи источника тока 14 обмотки сердечника 1 электромагнитного механизма нагружения и входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15. Выход АЦП 15 соединен с входом контроллера 16, к которому также подключены клавиатура 17, выход считывающей головки 8 оптического датчика перемещения индентора 6, задающий вход источника тока 14, дисплей 18, а так же разъем для подключения персонального компьютера.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом:
Оператор с помощью клавиатуры 17 задает контроллеру 16 параметры режима проведения измерения микротвердости, в частности, усилие нагружения индентора 6, скорость его внедрения в исследуемый образец, время удержания под нагрузкой и т.д. В процессе ввода параметры режима отображаются на дисплее 18. По окончании ввода параметров оператор с помощью клавиатуры 17 подает на контроллер 16 команду проведения измерения микротвердости. Далее контроллер 16 вырабатывает аналоговый сигнал пропорциональный усилию, которое надо приложить к индентору 6 с заданной зависимостью от времени. Этот сигнал поступает на задающий вход источника тока 14, источник тока начинает повышать ток в обмотке сердечника 1, что приводит к его перемещению. Вместе с сердечником 1 перемещается датчик усилия нагружения 5, закрепленный на торце сердечника 1, и закрепленное на нем гнездо сменных инденторов с установленным в нем индентором 6. Перемещение датчика усилия нагружения 5 приводит к перемещению дифракционной решетки 7 относительно считывающей головки 8, в результате чего на фотоприемниках 10, 11 возникают синусоидальные сигналы со смещенными относительно друг друга фазами. Сигнал с выхода считывающей головки 8 передается на вход контроллера 16, в котором вырабатывается направление и величина перемещения индентора 6. В момент касания индентором поверхности исследуемого образца начинает возрастать усилие, прикладываемое к датчику усилия нагружения 5. Увеличение указанного усилия приводит к разбалансу измерительного моста 12 тензорезисторов и появлению на его выходе напряжения пропорционального усилию.. Напряжение с измерительного моста 12 усиливается усилителем 13 и с его выхода поступает на вход цепи обратной связи источника тока 14 электромагнита и останавливает нарастание тока в обмотке сердечника 1, причем малейшее колебание в системе от внешней вибрации приводит к автоматическому урегулированию усилия на индентор 6. Усиленное напряжение с выхода усилителя 13 также поступает на вход АЦП 15 и с его выхода в цифровом виде поступает на контроллер 16, который вырабатывает аналоговый сигнал для следующей точки диаграммы нагружения, так же фиксирует показания оптического датчика перемещения индентора 6 в момент касания образца и при последующем проведении нагружения, выдержке времени и разгружении. Последовательность операций, выполняемых заявляемым устройством после ввода оператором в контроллер 16 команды измерения микротвердости, повторяется несколько тысяч раз в секунду, что обеспечивает высокую точность реализации алгоритма нагружения как по усилию нагружения, так и по глубине внедрения индентора 6, а так же его точное удержание при выдержке времени под нагрузкой. Результат измерений отображается на дисплее 18. При подключении к контроллеру 16 персонального компьютера функции ввода данных и отображения результатов измерений передаются также и на него.
Предлагаемое устройство позволяет проводить линейное, ступенчатое и циклическое нагружение исследуемых образцов с контролем усилия нагружения или глубины внедрения, непрерывно регистрировать зависимость глубины внедрения индентора от нагрузки в процессе нагружения, при выдержке времени под постоянной нагрузкой и при снижении усилия нагружения. Это дает возможность контролировать предел прочности, пластическую и упругую деформацию исследуемых материалов.
Claims (2)
1. Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием, содержащее индентор и расположенные внутри корпуса устройства механизм нагружения индентора, датчик усилия нагружения, а также датчик перемещения индентора, причем индентор кинематически связан с механизмом нагружения через датчик усилия нагружения, а механизм нагружения индентора выполнен в виде электромагнита с сердечником, отличающееся тем, что датчик усилия нагружения выполнен в виде тензометрического датчика, на котором жестко закреплено гнездо установки сменных инденторов, а датчик перемещения индентора включает отражательную дифракционную решетку, размещенную под основанием гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и закрепленную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки.
2. Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием по п.1, отличающееся тем, что лазер установлен таким образом, что его оптическая ось расположена в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки, лазер и фотоприемники расположены симметрично относительно нормали к отражательной поверхности дифракционной решетки, оптические оси лазера и фотоприемников имеют одинаковый угол α к нормали дифракционной решетки, расстояние D между оптическими осями фотоприемников равно
где d - период дифракционной решетки, k - целое число, и удовлетворяет условию
D≤Dlaser,
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011107766/28U RU108842U1 (ru) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011107766/28U RU108842U1 (ru) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU108842U1 true RU108842U1 (ru) | 2011-09-27 |
Family
ID=44804439
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011107766/28U RU108842U1 (ru) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU108842U1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108918317A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-11-30 | 河南省计量科学研究院 | 一种片剂硬度仪校准装置 |
RU213873U1 (ru) * | 2021-11-23 | 2022-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Измерительно-силовая головка для наноиндентирования |
-
2011
- 2011-02-21 RU RU2011107766/28U patent/RU108842U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108918317A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-11-30 | 河南省计量科学研究院 | 一种片剂硬度仪校准装置 |
RU213873U1 (ru) * | 2021-11-23 | 2022-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Измерительно-силовая головка для наноиндентирования |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107631817B (zh) | 一种微牛级微推力测试系统及测试方法 | |
US5357786A (en) | Device for determining mechanical properties of materials | |
CN101319980B (zh) | 微牛/纳牛级超微力值测量装置及力值溯源方法 | |
KR102365523B1 (ko) | 시험체 표면 내로의 침투체의 침투 이동 중에 측정 신호를 결정하는 측정 시스템, 측정기구 및 방법 | |
JP2002202244A (ja) | 微細摩擦摩滅実験装置 | |
CN1782678A (zh) | 电子天平 | |
CN100489485C (zh) | 微力学测试仪及其测试方法 | |
Read | Piezo-actuated microtensile test apparatus | |
CN201935794U (zh) | 一种挠度检测装置 | |
Cheng et al. | Development of a high-precision optical force sensor with μN-level resolution | |
CN113654913B (zh) | 一种低场核磁共振原位拉伸流变检测系统 | |
RU108842U1 (ru) | Устройство для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием | |
Isah et al. | Uniaxial compression test of rocks: Review of strain measuring instruments | |
US3379054A (en) | Tensile test apparatus | |
Chen et al. | Calibration technology of optical fiber strain sensor | |
CN105320152A (zh) | 三维微动装置 | |
JP2008026128A (ja) | 表面追従型測定器 | |
CN115183930A (zh) | 一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置及其测量方法 | |
JP4922583B2 (ja) | 表面形状測定用触針式段差計の摩擦力補正方法 | |
Hu et al. | A new torsion tester based on an electronic autocollimator for characterizing the torsional behaviors of microfibers | |
JP2013007670A (ja) | 表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法及び該方法を実施した表面形状測定用触針式段差計 | |
CN1330959C (zh) | 一种动态弯矩的测量方法 | |
RU2231041C2 (ru) | Микротвердомер | |
CN114114109A (zh) | 基于反亥姆霍兹线圈测量微小形变的方法 | |
JP2007327826A (ja) | 表面形状測定用触針式段差計の力の補正方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120222 |