一種基于機電阻抗法的便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)及其硬度計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于材料計量檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于機電阻抗法的便攜式硬度 檢測結(jié)構(gòu)及其硬度計。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的力學(xué)性能是指材料在承受各種外力與變形時所呈現(xiàn)的力學(xué)行為，這些力學(xué) 行為可用由各種力學(xué)參量所建立的力學(xué)模型來描述。常用的材料力學(xué)性能包括硬度、模量、 泊松比和屈服強度等。其中，硬度是工業(yè)界廣泛用來衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，它代表了固 體材料抵抗局部彈塑性入侵和破壞的能力。
[0003] 準(zhǔn)確測定材料的硬度性能意義重大：首先，對材料的硬度性能進(jìn)行準(zhǔn)確表征有助 于準(zhǔn)確的描述材料的力學(xué)行為，有助于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；另外，材料的硬度參數(shù)可用于檢驗產(chǎn) 品的力學(xué)性能，并依此確定合理的加工工藝；考慮到硬度性能與結(jié)構(gòu)的健康程度緊密相關(guān)， 因此還可以將材料的力學(xué)性能作為一個評價指標(biāo)，評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和損傷程度。
[0004] 自1822年Friedrich Mohs提出基于10種礦物的劃痕法來衡量不同材料的軟硬 程度之后，多種不同的基于壓痕的硬度測量方法也被先后提出，并得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng) 用?；趬汉蹨y硬度的方法可以根據(jù)載荷的施加方式大致分為三大類：靜態(tài)載荷壓痕硬度 測量、動態(tài)載荷壓痕硬度測量和劃痕硬度測量。
[0005] 在靜態(tài)壓痕硬度測量中，所施加的力載荷為固定值。通常將特制形狀的硬壓頭以 一定壓力壓入待測材料表面，材料發(fā)生局部彈塑性變形，通過測量壓頭撤回后材料的殘余 變形幾何尺寸，即可獲得相應(yīng)的硬度值。該測量方法簡單，對儀器安裝和試件要求不高，因 此也得到了最廣泛的應(yīng)用。靜態(tài)壓痕法測硬度方式多種多樣，載荷變化范圍可包含〇. IN~ 100kN，其中適用于塊體材料的測量方法有布氏硬度HB和洛氏硬度HR，適用于涂層或者薄 膜試樣的測量方法有韋氏HV、玻氏HT和表面洛氏（Superficial Rockwell)。這些硬度值 之間一般不能互相換算，亦很難建立硬度值與材料強度值之間的關(guān)系。在動態(tài)壓痕硬度測 量中，施加于樣品的載荷為動態(tài)變化的。一種典型的金屬動態(tài)硬度測量方法為使用從高處 掉落的標(biāo)準(zhǔn)壓頭沖擊試件表面，并通過測量回彈高度來確定硬度值。劃痕硬度測量一般是 使用硬質(zhì)壓頭沿著試件表面橫向刻劃，并記錄法向載荷和劃痕寬度，由此可以測量材料的 抗劃入等性能，還可以測量薄膜材料粘附力。
[0006] 但是，這些現(xiàn)有的硬度測量方法存在一定的問題：首先，現(xiàn)有的硬度測量方法多需 要使用光學(xué)或者幾何測量系統(tǒng)去測量材料的殘余變形（維氏硬度等）或回彈高度（動態(tài)硬 度），這些測量方法無法排除材料由于"下沉"和"擠出"所產(chǎn)生的誤差，也無法消除壓坑圓 角帶來的誤差；其次，幾何測量系統(tǒng)造價昂貴，質(zhì)量和體積均較大，因此不便于工業(yè)推廣使 用；另外，現(xiàn)有的硬度測量方法均需要人工進(jìn)行測量操作，導(dǎo)致目前很難形成硬度的自動化 測試，使得當(dāng)前硬度測試效率難以提高。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提出了一種基于機電阻抗法的 便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)及其硬度計，通過特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)，該方法僅僅需要使用阻抗芯片就 能完成對硬度的測量。
[0008] 本實用新型的一個目的在于提出一種基于機電阻抗法的便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)。
[0009] 本實用新型的基于機電阻抗法的便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)包括：空心筒、支撐塊、限位 管、壓電雙晶梁、針尖和硬度計壓頭；其中，空心筒的一端為實心的支撐塊，另一端的側(cè)壁上 設(shè)有限位管，限位管的軸線與空心筒的軸線垂直；壓電雙晶梁的一端通過支撐塊固定在空 心筒內(nèi)，另一端為自由端，設(shè)有針尖，針尖的軸線垂直于壓電雙晶梁的表面，并且通過限位 管伸出空心筒；針尖的頂端設(shè)有硬度計壓頭；自由狀態(tài)下，硬度計壓頭與限位管的下邊緣 的距離為d。
[0010] 壓電雙晶梁為"壓電晶片-彈性鋼層-壓電晶片"的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電晶片分別 設(shè)置在彈性鋼層的上表面和下表面。壓電雙晶梁、針尖和硬度計壓頭構(gòu)成壓電雙晶梁硬度 探測結(jié)構(gòu)。
[0011] 本實用新型的便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)，自由狀態(tài)下，針尖伸出限位管，硬度計壓頭與 限位管的下邊緣的距離為d ;對樣品進(jìn)行檢測時，樣品的表面位于限位管的下邊緣，從而樣 品與硬度計壓頭接觸，并且引起壓電雙晶梁的自由端的變形保持為d，進(jìn)而能保證恒定的接 觸力F，接觸力F的值可由公式F = KcXl計算，K。為壓電雙晶梁硬度探測結(jié)構(gòu)的剛度，由萬能 試驗機標(biāo)定。硬度計壓頭與限位管的下邊緣的距離為d可以調(diào)整，故該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整d 的大小來改變接觸力F的大小。本實用新型通過限位管，使得壓電雙晶梁的變形為已知值， 進(jìn)而能獲得一個穩(wěn)定已知的接觸力。
[0012] 本實用新型的另一個目的在于提出一種基于機電阻抗法的便攜式硬度計。
[0013] 本實用新型的基于機電阻抗法的便攜式硬度計包括：便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)、阻抗 分析芯片、計算芯片和結(jié)果顯示器；其中，便攜式硬度檢測結(jié)構(gòu)包括空心筒、支撐塊、限位 管、壓電雙晶梁、針尖和硬度計壓頭；空心筒的一端為實心的支撐塊，另一端的側(cè)壁上設(shè)有 限位管，限位管的軸線與空心筒的軸線垂直；壓電雙晶梁的一端通過支撐塊固定在空心筒 內(nèi)，另一端為自由端，設(shè)有針尖，針尖的軸線垂直于壓電雙晶梁的表面，并且通過限位管伸 出空心筒；針尖的頂端設(shè)有硬度計壓頭；自由狀態(tài)下，硬度計壓頭與限位管的下邊緣的距 離為d;壓電雙晶梁連接至阻抗分析芯片；阻抗分析芯片連接至計算芯片；計算芯片連接至 結(jié)果顯示器。
[0014] 硬度計壓頭可以采用維氏硬度壓頭、布氏硬度壓頭或努式硬度壓頭，并根據(jù)相應(yīng) 的維氏、布氏或努式的計算公式，獲得材料的維氏硬度值、布氏硬度值或努式硬度值。
[0015] 本實用新型的基于機電阻抗法的便攜式硬度計的檢測方法，包括以下步驟：
[0016] 1)由萬能試驗機標(biāo)定得到壓電雙晶梁硬度探測結(jié)構(gòu)的剛度K。，并測量得到自由狀 態(tài)下硬度計壓頭與限位管的下邊緣的距離山從而由公式F = KcXl計算得到接觸力F ;
[0017] 2)對樣品進(jìn)行檢測，樣品的表面與限位管的下邊緣接合良好，從而樣品與硬度計 壓頭接觸，并且引起壓電雙晶梁的自由端的變形為d ;
[0018] 3)壓電雙晶梁連接至阻抗分析芯片，阻抗分析芯片測量得到阻抗頻譜特性；
[0019] 4)計算芯片依據(jù)獲得的阻抗頻譜特性，根據(jù)雙晶梁機電等效電路理論計算得到硬 度計壓頭與樣品之間的接觸面積，進(jìn)一步通過接觸力F和接觸面積計算樣品的硬度值；
[0020] 5)計算芯片將硬度值傳輸至結(jié)果顯示器給出。
[0021] 本實用新型的優(yōu)點
[0022] 與現(xiàn)有的基于壓電梁的材料檢測方法相比，本實用新型通過這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè) 計，使得核心元件的變形為已知值，進(jìn)而能獲得一個穩(wěn)定已知的接觸力，這種設(shè)計無需使用 應(yīng)變片和響應(yīng)的應(yīng)變測量系統(tǒng)，只需要一個簡單的阻抗分析芯片，因此加快了測量效率且 提高了測量穩(wěn)定性；并且本實用新型解決了現(xiàn)有方法在接觸測量時無法保證因為干擾而致 使接觸力不穩(wěn)定的弱點。
[0023] 本實用新型與現(xiàn)有的振動硬度計有明顯的區(qū)別：1)現(xiàn)有的振動硬度計是基于機 械阻抗法，而本實用新型的設(shè)計是基于機電阻抗法，兩者原理不同；2)現(xiàn)有的振動硬度計 的探頭是直桿，振動在桿內(nèi)以一維波動的形式進(jìn)行，而本實用新型的探頭是壓電雙晶片懸 臂梁，振動在梁內(nèi)以彎曲變形的方式進(jìn)行；3)現(xiàn)有的振動硬度計是通過質(zhì)量