本實用新型涉及一種便攜式劃入測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

儀器化壓入是一種微尺度的力學(xué)測試系統(tǒng)。該類儀器能自動、實時測量和記錄在壓入試驗周期內(nèi)作用于壓頭上的載荷和壓入試樣的深度，利用載荷-深度等信息，經(jīng)過反演分析，識別材料的壓入硬度和力學(xué)參量。劃入儀是經(jīng)過功能拓展的壓入儀，在壓入過程中，驅(qū)動壓頭和試樣產(chǎn)生水平的相對運動，同時測量出水平載荷、豎直載荷和劃入深度隨劃入位置的連續(xù)變化過程。不僅可以研究材料和結(jié)構(gòu)的摩擦磨損、變形和破壞性能，還可以研究涂層的黏著失效和薄膜與基底的結(jié)合強度。在電子器件薄膜、汽車噴涂、光學(xué)鏡頭等質(zhì)量檢測方面應(yīng)用廣泛。

目前，便攜式劃入儀尚未出現(xiàn)，現(xiàn)有的劃入測試只能在實驗室中進行，需要嚴格控制外部環(huán)境干擾，無法實現(xiàn)針對工程現(xiàn)場或者大型結(jié)構(gòu)件的在線檢測。目前使用最為廣泛的臺式劃入儀在測試薄膜材料的臨界附著力和摩擦系數(shù)以及試樣表面的粗糙度時，需要將被測材料或結(jié)構(gòu)加工成小塊試樣再送往實驗室測試，不能實現(xiàn)真正的原位測試，其測試結(jié)果也不能準確反映材料在原本外界環(huán)境下的力學(xué)性能。這樣的測試手段，效率相對較低，精度不高。

綜上所述，針對能夠?qū)崿F(xiàn)在工程現(xiàn)場或者是大型結(jié)構(gòu)件的在線檢測，便攜式劃入測試儀器的研制是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有劃入儀存在不能實現(xiàn)真正的原位測試的不足，本實用新型提供了一種可原位劃入測試、測試精度較高的一種便攜式劃入測試系統(tǒng)。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種便攜式劃入測試系統(tǒng)，包括劃入測試裝置和計算機，所述劃入測試裝置包括底座以及安裝在底座上的工作平臺調(diào)整模塊、劃入測試模塊、原位觀測模塊、信號測控模塊和電源模塊；所述工作平臺調(diào)整模塊、劃入測試模塊、原位觀測模塊、信號測控模塊分別與所述電源模塊連接；

所述底座中部設(shè)有用于測試被測結(jié)構(gòu)件的開口，所述開口的左右兩側(cè)分別對稱布置有立柱，橫梁可上下滑動的套裝在所述立柱上；所述劃入測試模塊、原位觀測模塊均位于所述開口的上方；

所述工作平臺調(diào)整模塊包括豎直調(diào)整組件、水平調(diào)整組件和工作平臺，所述豎直調(diào)整組件包括豎直調(diào)整電機和豎直絲杠，所述豎直絲杠的下端固定在所述底座上，所述豎直絲杠的上端與立柱固定連接，所述豎直絲杠上套裝有可上下運動的豎直絲杠螺母，所述豎直調(diào)整電機安裝在橫梁的底部且其動力輸出端與豎直絲杠螺母連接，所述橫梁同時可上下滑動的套裝于所述豎直絲杠上并位于所述豎直絲杠螺母的上方；所述豎直調(diào)整組件設(shè)置有兩個，分別為第一豎直調(diào)整組件和第二豎直調(diào)整組件，所述第一豎直調(diào)整組件的豎直絲杠位于開口左側(cè)立柱的左側(cè)，所述橫梁的左端位于所述第一豎直調(diào)整組件的豎直絲杠螺母的上方，所述第一豎直調(diào)整組件的豎直調(diào)整電機安裝在所述橫梁的左端的底部，所述第二豎直調(diào)整組件的豎直絲杠位于開口右側(cè)立柱的右側(cè)，所述橫梁的右端位于所述第二豎直調(diào)整組件的豎直絲杠螺母的上方，所述第二豎直調(diào)整組件的豎直調(diào)整電機安裝在所述橫梁的右端的底部；

所述水平調(diào)整組件包括水平調(diào)整電機、水平絲杠和導(dǎo)軌，所述水平絲杠位于所述開口的上方并安裝在所述橫梁的中部的下方，所述水平調(diào)整電機安裝在橫梁上且其動力輸出端與水平絲杠連接，所述導(dǎo)軌的上部固定安裝在所述橫梁的中部的下方，所述水平絲杠上的水平絲杠螺母安裝在所述導(dǎo)軌的下部并與導(dǎo)軌形成左右滑動副；

所述劃入測試模塊包括用于水平驅(qū)動的壓電陶瓷驅(qū)動器、用于豎直驅(qū)動的電磁驅(qū)動裝置和壓頭，所述水平絲杠螺母通過壓電陶瓷驅(qū)動器與所述工作平臺的頂部連接，所述電磁驅(qū)動裝置的上端與所述工作平臺的底部固定連接，所述電磁驅(qū)動裝置的下端通過壓頭連接件與所述壓頭連接；

所述原位觀測模塊與電磁驅(qū)動裝置并排布置，所述原位觀測模塊包括顯微部件和物鏡轉(zhuǎn)換器，所述顯微部件通過物鏡轉(zhuǎn)換器安裝在所述工作平臺的底部；

所述豎直調(diào)整電機、水平調(diào)整電機、壓電陶瓷驅(qū)動器、電磁驅(qū)動裝置、顯微部件分別通過所述信號測控模塊與所述計算機連接。

進一步，所述電磁驅(qū)動裝置包括外殼以及設(shè)置在外殼內(nèi)的兩個磁缸、加載線圈和驅(qū)動主軸，所述加載線圈位于兩個磁缸之間，所述驅(qū)動主軸的上端與所述加載線圈的下端固定連接，所述驅(qū)動主軸的下端穿過外殼通過壓頭連接件與所述壓頭連接，所述驅(qū)動主軸的中部通過柔性支撐彈簧與所述外殼內(nèi)壁連接；

所述驅(qū)動主軸上自上而下依次設(shè)有用于測量豎直方向的劃入載荷的高精度豎直載荷傳感器、用于測量豎直方向上的劃入深度的平板電容傳感器、用于測量水平方向的劃入載荷的高精度水平載荷傳感器，所述驅(qū)動主軸的右側(cè)與所述外殼內(nèi)壁之間還設(shè)有電渦流位移傳感器，所述電渦流位移傳感器的目標板與所述高精度水平載荷傳感器分別位于所述驅(qū)動主軸的右側(cè)和左側(cè)，所述電渦流位移傳感器的探頭安裝在所述外殼內(nèi)壁上并與電渦流位移傳感器的目標板左右正對布置。

再進一步，所述豎直絲杠的上端設(shè)有上限位環(huán)，所述豎直絲杠的下端設(shè)有下限位環(huán)。

再進一步，所述底座的底部四角分別設(shè)有四個磁性表座，相鄰兩個磁性表座之間形成V型卡槽。

更進一步，所述劃入測試裝置外還設(shè)有防護罩。

本實用新型的有益效果是：有效實現(xiàn)原位劃入測試和原位觀測、實現(xiàn)連續(xù)測試、提高測試效率和測試精度。

附圖說明

圖1是帶有防護罩的劃入測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是劃入測試裝置的主視圖。

圖3是圖2的側(cè)視圖。

圖4是圖2的軸視圖。

圖5是一種便攜式劃入測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是電磁驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是水平調(diào)整組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本實用新型。

參照圖1～圖7，一種便攜式劃入測試系統(tǒng)，包括劃入測試裝置和計算機，所述劃入測試裝置包括底座以及安裝在底座上的工作平臺調(diào)整模塊、劃入測試模塊、原位觀測模塊、信號測控模塊10和電源模塊20；所述工作平臺調(diào)整模塊、劃入測試模塊、原位觀測模塊、信號測控模塊分別與所述電源模塊連接；

所述底座中部設(shè)有用于測試被測結(jié)構(gòu)件的開口，所述開口的左右兩側(cè)分別對稱布置有立柱1，橫梁4可上下滑動的套裝在所述立柱1上；所述劃入測試模塊、原位觀測模塊均位于所述開口的上方；

所述工作平臺調(diào)整模塊包括豎直調(diào)整組件、水平調(diào)整組件和工作平臺15，所述豎直調(diào)整組件包括豎直調(diào)整電機6和豎直絲杠3，所述豎直絲杠3的下端固定在所述底座上，所述豎直絲杠3的上端與立柱1固定連接，所述豎直絲杠3上套裝有可上下運動的豎直絲杠螺母，所述豎直調(diào)整電機6安裝在橫梁4的底部且其動力輸出端與豎直絲杠螺母連接，所述橫梁4同時可上下滑動的套裝于所述豎直絲杠3上并位于所述豎直絲杠螺母的上方；所述豎直調(diào)整組件設(shè)置有兩個，分別為第一豎直調(diào)整組件和第二豎直調(diào)整組件，所述第一豎直調(diào)整組件的豎直絲杠位于開口左側(cè)立柱的左側(cè)，所述橫梁的左端位于所述第一豎直調(diào)整組件的豎直絲杠螺母的上方，所述第一豎直調(diào)整組件的豎直調(diào)整電機安裝在所述橫梁的左端的底部，所述第二豎直調(diào)整組件的豎直絲杠位于開口右側(cè)立柱的右側(cè)，所述橫梁的右端位于所述第二豎直調(diào)整組件的豎直絲杠螺母的上方，所述第二豎直調(diào)整組件的豎直調(diào)整電機安裝在所述橫梁的右端的底部；

所述水平調(diào)整組件包括水平調(diào)整電機19、水平絲杠18和導(dǎo)軌17，所述水平絲杠18位于所述開口的上方并安裝在所述橫梁4的中部的下方，所述水平調(diào)整電機19安裝在橫梁4上且其動力輸出端與水平絲杠18連接，所述導(dǎo)軌17的上部固定安裝在所述橫梁4的中部的下方，所述水平絲杠18上的水平絲杠螺母安裝在所述導(dǎo)軌17的下部并與導(dǎo)軌17形成左右滑動副；

所述劃入測試模塊包括用于水平驅(qū)動的壓電陶瓷驅(qū)動器16、用于豎直驅(qū)動的電磁驅(qū)動裝置7和壓頭11，所述水平絲杠螺母通過壓電陶瓷驅(qū)動器16與所述工作平臺15的頂部連接，所述電磁驅(qū)動裝置7的上端與所述工作平臺15的底部固定連接，所述電磁驅(qū)動裝置7的下端通過壓頭連接件8與所述壓頭11連接；

所述原位觀測模塊與電磁驅(qū)動裝置7并排布置，所述原位觀測模塊包括顯微部件13和物鏡轉(zhuǎn)換器14，所述顯微部件通過物鏡轉(zhuǎn)換器安裝在所述工作平臺15的底部；

所述豎直調(diào)整電機6、水平調(diào)整電機19、壓電陶瓷驅(qū)動器16、電磁驅(qū)動裝置7、顯微部件13分別通過所述信號測控模塊10與所述計算機連接。

進一步，所述電磁驅(qū)動裝置7包括外殼21以及設(shè)置在外殼21內(nèi)的兩個磁缸22、加載線圈23和驅(qū)動主軸24，所述加載線圈23位于兩個磁缸之間，所述驅(qū)動主軸24的上端與所述加載線圈23的下端固定連接，所述驅(qū)動主軸24的下端穿過外殼通過壓頭連接件8與所述壓頭11連接，所述驅(qū)動主軸24的中部通過柔性支撐彈簧26與所述外殼內(nèi)壁連接；

所述驅(qū)動主軸24上自上而下依次設(shè)有用于測量豎直方向的劃入載荷的高精度豎直載荷傳感器25、用于測量豎直方向上的劃入深度的平板電容傳感器27、用于測量水平方向的劃入載荷的高精度水平載荷傳感器28，所述驅(qū)動主軸24的右側(cè)與所述外殼內(nèi)壁之間還設(shè)有電渦流位移傳感器，所述電渦流位移傳感器的目標板29與所述高精度水平載荷傳感器28分別位于所述驅(qū)動主軸24的右側(cè)和左側(cè)，所述電渦流位移傳感器的探頭30安裝在所述外殼內(nèi)壁上并與電渦流位移傳感器的目標板29左右正對布置。電渦流位移傳感器測量驅(qū)動主軸24相對于豎直方向的偏移量。

再進一步，所述豎直絲杠3的上端設(shè)有上限位環(huán)2，所述豎直絲杠3的下端設(shè)有下限位環(huán)9。

再進一步，所述底座的底部四角分別設(shè)有四個磁性表座12，相鄰兩個磁性表座之間形成V型卡槽。

更進一步，所述劃入測試裝置外還設(shè)有防護罩。

本實施例中，機架有底座、立柱1和橫梁4組成；豎直方向的劃入載荷即為豎直載荷，水平方向的劃入載荷即為水平載荷；高精度豎直載荷傳感器25為高精度的接觸式豎直載荷傳感器；水平絲杠螺母為帶有螺紋孔33的滑塊32。

如圖5所示，豎直調(diào)整電機6可為絲杠升降機，豎直絲杠為滾珠絲杠，豎直調(diào)整是由豎直調(diào)整電機6與豎直絲杠3的豎直絲杠螺母配合，由于豎直絲杠3是固定的，橫梁4是位于豎直絲杠螺母的上方，由于豎直絲杠螺母的上下運動，從而推動其上的橫梁4沿著雙立柱1在豎直方向上進行調(diào)整，實現(xiàn)連接在橫梁4上的工作平臺15在豎直方向升降的調(diào)整，初步調(diào)整壓頭11和顯微部件13的物鏡到被測結(jié)構(gòu)件表面的距離，雙立柱1保證了豎直方向的線性度，鎖緊閥5對橫梁4進行鎖緊固定，保證了工作過程中豎直方向的穩(wěn)定性和精度，同時上限位環(huán)2和下限位環(huán)9保證在豎直調(diào)整過程中出現(xiàn)的極限位置，為防止機器出現(xiàn)狀況或者人為不當操作時出現(xiàn)事故，從而防止對機器或人身造成傷害。水平調(diào)整是由水平調(diào)整電機19驅(qū)動與水平絲杠18配合的工作平臺15沿著導(dǎo)軌17在水平方向調(diào)整，導(dǎo)軌17保證了水平調(diào)整的精度，由于可以連續(xù)的水平調(diào)整壓頭11的位置，所以可以實現(xiàn)連續(xù)的測試。

所述劃入測試模塊和原位觀測模塊安裝在工作平臺15的兩端，劃入測試過程是由提供水平驅(qū)動的壓電陶瓷驅(qū)動器16和提供豎直驅(qū)動的電磁驅(qū)動裝置7相互配合完成，電磁驅(qū)動裝置7在豎直方向上利用加載線圈22進行二級載荷的施加，驅(qū)動連接在壓頭連接件8上的壓頭11在豎直方向上進行壓入，同時由安裝在工作臺15和導(dǎo)軌17之間的壓電陶瓷驅(qū)動器16提供水平方向上的二級驅(qū)動，驅(qū)動壓頭11在豎直方向壓入的同時，在水平方向與試樣產(chǎn)生相對運動，兩者相互配合完成劃入測試。所述劃入測試模塊是由電磁驅(qū)動裝置提供壓入的動力，采用電阻率較低的材料制成線圈，在磁缸中，有電流通過時產(chǎn)生驅(qū)動力，能夠提供高精度的線性載荷。所述劃入測試模塊采用高精度的非接觸式位移傳感器和接觸式載荷傳感器，能夠準確靈敏地測量位移和載荷；所述劃入測試模塊的壓頭連接件，提供標準接口，便于安裝和更換壓頭。

原位觀測模塊是由工作平臺調(diào)整模塊中的水平調(diào)整組件控制，在劃入測試完成后通過水平調(diào)整工作平臺的位置，將安裝在工作平臺15上的顯微部件13移動到劃入測試區(qū)域進行原位的觀測。顯微觀測部件13通過物鏡轉(zhuǎn)換器14連接到工作平臺15上，可以自動識別和捕捉劃痕區(qū)域，實現(xiàn)對劃痕的觀測分析。顯微部件13是標準接口，可以根據(jù)不同的工況需求，方便地安裝和更換不同放大倍數(shù)(10×、20×、40×)的物鏡；顯微部件13具備自動對焦和圖像識別功能，自動識別捕捉劃痕區(qū)域，提高測試效率和精度。

底座的底部由四個磁性表座12構(gòu)成，由于磁性表座兩兩互成V型，能夠穩(wěn)定地在被測結(jié)構(gòu)件的表面進行安裝和固定，從而為劃入測試提供支撐。

信號測控模塊10用于將從計算機中接收的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電壓信號后發(fā)送給劃入測試模塊，以及將從劃入測試模塊接收的豎直載荷、水平載荷、位移模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號并發(fā)送給計算機。

所述計算機，用于發(fā)送和接收指令，同時分析測試數(shù)據(jù)，計算被測試結(jié)構(gòu)或材料的力學(xué)性能參數(shù)。

如圖6所示，其中，24為驅(qū)動主軸，是活動部件，需要嚴格限制沿一維方向運動；25為高精度豎直載荷傳感器，能夠提供準確靈敏的記錄豎直方向的劃入載荷；26為上下兩層的柔性支撐彈簧，用于懸浮活動部件和確保其沿一維方向運動；27為平板電容傳感器，用于測量豎直方向上的劃入深度；28為高精度水平載荷傳感器，準確記錄劃入測試在水平方向的劃入載荷；29和30分別為電渦流位移傳感器的目標板和探頭，電渦流傳感器用于測量壓頭在劃入過程中相對于原始位置的水平的偏移；當加載線圈23通電時，加載線圈23會受到電磁力驅(qū)動向下運動，從而提供劃入測試在豎直方向的動力。

如7圖所示，導(dǎo)軌17通過四個螺紋孔31固定在橫梁4的下方，滑塊32中有左右貫通的螺紋孔33與水平絲杠18配合，由水平調(diào)整電機19驅(qū)動水平絲杠18，使滑塊32沿著導(dǎo)軌17水平滑動，滑塊32下方有壓電陶瓷驅(qū)動器16連接工作平臺15。

本實用新型的工作流程為：

(1)開機、檢驗儀器狀態(tài)。通電設(shè)備工作時會發(fā)熱，引起溫度波動，應(yīng)提前半個小時以上開機預(yù)熱。待儀器穩(wěn)定，采用標準參考樣品，間接檢驗該劃入測試系統(tǒng)是否正常工作。若正常，則進行正式測試。

(2)粗選測試區(qū)域。通過觀察被測結(jié)構(gòu)件的表面，初步選定測試區(qū)域。

(3)確定測試區(qū)域。將測試儀器安裝在被測結(jié)構(gòu)件上，要求壓頭11與待測表面垂直，以便保證壓頭11垂直壓入。調(diào)整工作平臺15和管道之間的距離，通過水平調(diào)整組件切換到觀測模式，利用顯微部件13觀測粗選的測試區(qū)域是否滿足測試要求。如果滿足要求則進行下一步，如果不滿足則水平調(diào)整壓頭11位置重新選取待測區(qū)域，若滿足則進行下一步測試參數(shù)設(shè)定，若多次水平調(diào)整之后仍不滿足，重復(fù)上一步粗選測試區(qū)域的操作。

(4)設(shè)置測試參數(shù)。選定好合適的測試區(qū)域后，通過計算機設(shè)置合適的測試參數(shù)，如加載方式、劃入深度、劃入長度、劃入速率和豎向載荷等。

(5)完成測試。根據(jù)設(shè)置好測試參數(shù)，開始測試，等待測試完成。

(6)觀察、測量劃痕。劃入測試完成后，切換成觀測模式，利用顯微部件13觀察并且自動識別捕捉劃痕區(qū)域，將劃痕的形態(tài)特征反饋到計算機。

(7)處理測試數(shù)據(jù)，生成測試結(jié)果報告。計算機會結(jié)合豎向載荷、水平載荷和劃入深度曲線以及顯微部件13識別的劃痕結(jié)果進行處理，并且會根據(jù)用戶選用的分析方法，自動分析處理測試數(shù)據(jù)，計算相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，如膜基結(jié)合強度、摩擦系數(shù)和材料表面粗糙度等，并生成測試結(jié)果報告。

本實用新型采用一體式設(shè)計，機架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，劃入過程中機架變形引起的變形誤差小，測量精確；同時，水平調(diào)整電機19在水平方向可以自由調(diào)整，因此可以連續(xù)的選擇測試區(qū)域，實現(xiàn)一次安裝，多次連續(xù)測試。