专利名称：便携式全数字直接测试通用硬度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种便携式全数字直接测试通用硬度计，属于材料力学性能测试仪器技术领域。
背景技术：
常用的检测金属硬度的仪器包括布氏硬度计、洛氏硬度计、表面洛氏硬度计、肖氏(里氏)硬度计和维氏硬度计。所有类型的金属硬度计都只对应于一种金属硬度试验方法，或以一种硬度试验方法为主，另外一、二种为辅(且只能做其中的少数几个标度的硬度试验)，因此都不具备通用性；目前虽有数字显示布氏、洛氏、表面洛氏、里氏硬度计投入使用，但其仅仅解除了压痕测量、试样平均硬度、硬度示值波动度等内容的人工操作和计算，并不能进行试验过程主要参数显示与控制，也不能实时判断试验的有效性，也就是说现有硬度计不具备数字化功能。现有技术公开了一个专利名称为“数字式通用硬度计”(专利号ZL00255836.X)，它很好地解决了硬度计的通用性和数字化问题，但这是一种台式硬度计，只能检测中、小试样，使用场所也是固定的，不便携带至现场使用。
目前使用的有一种便携式硬度计，其中有锤击式布氏硬度计、手持式肖氏硬度计和里氏硬度计。虽然这些硬度计可以携带至现场使用，可以检测大试样，但有着明显的缺陷，如1、都属于动载荷试验硬度计，试验结果只具有相对性，而且准确性、一致性差；2、锤击式布氏硬度计、手持式肖氏硬度计不能在线获得试验结果；3、如果现场试样要求直接测量其它常用标度的硬度值，现有的上述便携式硬度计就无法进行。

发明内容
本发明的技术目的是1、提供一种能够便捷地用于直接测试各类金属、各种尺寸、各种被测形状，如平面、圆柱面试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和小负荷维氏硬度的便携式全数字化通用硬度计；2、所述的硬度计小型化，使用场所既可以是固定的，也可以携带至现场使用；3、直接测试金属试样常用标度的硬度值，在线获取试验结果，不需要各标度之间硬度值的转换；4、试验过程中实时显示试验力大小和压头压入试样的深度；5、试验结束时在线判定本次试验的有效性，并进行试验数据处理、显示、存储。
本发明的技术方案是所述便携式全数字直接测试通用硬度计，它主要由下述部分组成a、一个箱式机架，它主要由机座和与其下端固定连接的接长套组成；b、一个能将机架固定的力封闭框架，它包括至少两个分布在机座两侧的支撑整个机架的立柱，该立柱与机座之间为可以移动和拆卸的固定连接，立柱上端与横梁固定连接，其下端固定一个能与被测试样或被测试样的支承底板以磁力连接的磁性座；c、一个安装在机架内的试验力加载装置，它主要由蜗杆、蜗轮、蜗轮轴、力传感器座、力传感器、压板、压头座、可更换的压头组成，其中蜗杆下支承固定在机座内，蜗轮轴下端与力传感器座中心螺纹孔连接，构成传力螺纹副，力传感器位于力传感器座和压板之间，压头由固定在接长套下端中心孔的压头衬套定位；d、一个压头位移传感装置，其中的位移传感器在蜗轮轴下方，其下端测量头与压头或压头座上端常接触，其壳体通过支承板、支柱固定于接长套；e、一个传感器信号和数据处理系统。
本发明的有益效果是便携式小型化结构，既可以在实验室等固定场所使用，又可以携带至现场使用；通用性强，压头与压头座用锥面或圆柱面连接，在机内更换压头后，可直接测试各类金属试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和小负荷维氏硬度；对试样尺寸和形状的适用范围大，可进行大、中、小试样的平面和圆柱面硬度测试；数字化程度高，在线进行试验有效性判断，在线获取试验值。


图1是本发明测试中、小平面类试样时的优选实施例总体结构的主视图；图2是图1的左视图；图3是图1卸除上盖3后的A-A向视图；图4是图1的B-B剖视图；图5是图1中C的局部放大图；图6是力传感器8和位移传感器10所获信号的处理系统及处理过程框图；图7是压头17与压头座20以圆柱面配合时的结构图；图8是测试中、小圆柱面试样硬度时，支承底板30上所衬带V形垫块46的结构图；图9是测试圆柱面试样维氏或小负荷维氏硬度时，支承底板30上所衬带销V形垫块47的结构图；图10是测试大型铁磁性等直径圆柱面试样50硬度时，磁性座31下部形状或型板49(虚线所示)下部为圆弧形状示意图；图11是测试大型铁磁性不等直径圆柱面试样或多棱柱试样52硬度时，磁性座31或形型板51(虚线所示)下部为喇叭形示意图；
图12是测试超大型铁磁性圆柱面试样54硬度时，磁性座31下部所加的两个型板53的结构示意图。
具体实施例方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下图1～12中，各图号所对应的名称为1-横梁，2-立柱，3-上盖，4-蜗轮，5-机座，6-蜗轮轴，7-力传感器座，8-力传感器，9-紧定螺钉，10-位移传感器，11-导轨，12-压板，13-接长套，14-挡销，15-压头衬套，16-试样，17-压头，18-护套，20-压头座，21-支柱，22-支承板，24-轴套，25-蜗杆下支承，26-轴支承，27-蜗杆，28-蜗杆上支承，30-支承底板，31-磁性座，32-磁性开关，33-手轮，34-连接盖板，35-锁紧手轮，36-锁紧板，37、38-放大器，39-时钟驱动器，40、41-采样保持装置(S/H)与模/数(A/D)转换器，42-随机存取存储器(RAM)，43-键盘，44-微型计算机，45-显示器，46、47-V形块，48-销，49、51、53-型板，50、52、54-被测试样。
图1-5及图7是本发明测试中、小平面类试样硬度时的实施例结构图。所述的一种便携式全数字直接测试通用硬度计，它由下述部分组成a、一个箱式机架，它由机座5和与其下端固定连接的接长套13组成；b、一个能将机架固定的力封闭框架，它包括至少两个分布在机座5两侧的支撑整个机架的立柱2，本实施例立柱2有4个，机座5两侧分别有2个，该立柱2与机座5之间为可以移动和拆卸的固定连接，其连接件是锁紧板36(它为V形块)通过锁紧手轮35实现连接，立柱2上端与横梁1固定连接，其下端固定一个能与被测试样或被测试样的支承底板30以磁力连接的磁性座31；c、一个安装在机架内的试验力加载装置，它由蜗杆27、蜗轮4、蜗轮轴6、力传感器座7、力传感器8、压板12、压头座20、可更换的压头17组成，其中蜗杆下支承25固定在机座5内，蜗轮轴6下端与力传感器座7中心螺纹孔连接，构成传力螺纹副，力传感器8位于力传感器座7和压板12之间，压头17由固定在接长套13下端中心孔的压头衬套15定位；所述可更换的压头17是该压头与压头座用锥面或圆柱面连接，在更换压头后，可直接测试各类金属试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和小负荷维氏硬度d、一个压头位移传感装置，其中的位移传感器10在蜗轮轴6下方，其下端测量头与压头17或压头座20上端常接触，其壳体通过支承板22、支柱21固定于接长套13；e、如图6所示，有一个传感器信号和数据处理系统；更进一步地说所述的硬度计立柱2与机座5之间的固定连接件是锁紧板36和锁紧手轮35，该锁紧手轮35的轴与机座5连接，使机座5可沿立柱2滑动后固定于立柱2上，即滑动到工作位置后用锁紧手轮35固定；接长套13内侧设置有力传感器座7和压板12上下移动的导向导轨11，该导轨有三个；如图1和图4、图5及图7所示，三个力传感器8按圆周均布并固定于力传感器座7上，压板12用螺钉23与力传感器座7连接并对力传感器8施加预压力；压头17与压头座20配合具有互换性，以圆锥面配合时锥角3°～5°，以圆柱面配合时为过渡配合；如图1和图4所示，位移传感器10的壳体用紧定螺钉9固定于三角形支承板22的中心孔中，三角形支承板22置于三个力传感器8之间的空隙处，并通过三个支柱21固定于接长套13，使位移传感器10的壳体与机座5固定；位移传感器10的测量头与压头17上端面常接触，(当压头7上端面低于压头座20中心孔上端面较深时，则测量头与压头座20中心孔上边缘接触)并具有预置量；压头17的工作端伸出护套18的下端面；位移传感器10的轴线与压头17轴线同轴；位移传感器10的测量头能与压头17同步、等量移动，以获取位移传感器信号；所述的硬度计有一个与被检测试样的形状、大小、材料相适应的力封闭框架，它有如下结构形式a、如图1、图8、图9所示，当检测中、小型平面和圆柱面试样时，力封闭框架由横梁1、主柱2、磁性座31、磁性开关32、支承底板30构成；b、如图10和图11实线部分所示实施例，当测试铁磁性大型平面试样或大型、超大型圆柱面试样50、52时，则由所述这些试样替代支承底板30，以构成力封闭框架，此时，磁性座31的底面形状与被测试样表面形状相吻合；c、如图10和图11的虚线部分及图12所示实施例，当测试铁磁性大型平面试样或大型、超大型圆柱面试样50、52或54时，则由在磁性座31下部另加的相应的型板49、51、53替代支承底板30，以构成力封闭框架；所述实施例的磁性座31上均有磁性开关32；如图1、图8所示实施例，磁性座31的底面为平面，被测试样的支承底板30为平板，其上有一中心孔，该孔中衬以带销V形垫块46，用于测试中、小圆柱面试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度；如图2、图9所示实施例，在支承底板30上预先开设两个定位孔，该孔中衬以带销V形垫块47，用于测试中、小圆柱试样的维氏硬度或小负荷维氏硬度；另外，用于测试中、小型平面试样，支承底板30上也可以不开孔；如图4、图6所示，有三个力传感器8输出信号，分别经三个放大器37放大后，用与时钟驱动器39的时钟信号同步的方式传递给三个采样保持装置S/H及模拟/数字A/D转换器40转换为数字量后相加，结果作为试验力；位移传感器10输出信号经放大器38放大后，信号的采样保持装置S/H及模拟/数字A/D转换器41在时钟驱动器39的时钟信号的同步控制下进行。
以下对本发明的实施方式和使用操作方法及工作原理作更具体地说明如下如图1-5所示，测试中、小型平面试样16时，磁性开关32开，使磁性座31吸附于支承底板30，仪器由横梁1、立柱2、磁性座31、磁性开关32、支承底板30构成力封闭框架；上盖3通过连接盖板34与机座5连接；蜗杆27用上支承28、下支承25固定于机座5；蜗轮4与蜗轮轴6配合，蜗轮轴6以轴支承26、轴承24定向。接长套13固定连接于机座5，其内侧均布三根导轨11；三个力传感器8均布并固定于力传感器座7，压板12用螺钉23与力传感器座7连接并对力传感器8施加一定的预压力；蜗轮轴6的螺纹部分与力传感器座7中心螺孔配合，力传感器座7、压板12周边均布的三个V形导滑槽与导轨11配合。压头17上段与压头座20以圆锥面或圆柱面配合(以圆柱面配合时，配合性质为过渡配合)，并具有互换性；下端工作部分伸出接长套13下部的护套18端面2mm左右。位移传感器10壳体用紧定螺钉9固定于三角形支承板22的中心孔中，而三角形支承板22置于三个力传感器8之间的空隙处，并通过三个支柱21固定于接长套13；位移传感器10的测量头与压头17上端面常接触(也可以是与压头座20中心孔边缘接触)，且具有预置量，同时使位移传感器10的轴线与压头17轴线同轴。机座5两侧V型凹槽与立柱2配合，使机座5可以在力封闭框架的立柱2之间上、下滑动，并且可以用锁紧手轮35、锁紧板36将其固定于立柱2。
硬度试验时，松开锁紧手轮35，移动机座5使护套18接触试样16，压头17上移，即可使位移传感器10获得适当的、供测量压头17压入试样16的深度的预置位移量(图5中的 )，然后用锁紧手轮35，锁紧板36将机座5固定于立柱2，此时位移传感器10的读数为a0；通过手轮33连续均匀施加外力，压头17获得试验力F，使压头17工作端压入试样16。随着试验力F的不断增大，位移传感器10的读数a1不断变化，压头17压入试样16的深度为h1＝a1-a0。动态的h1、F同时实时显示。当F达到规定值时停止加载。卸载后位移传感器10的读数为a2，残余压痕深度h＝a2-a0。h和F送微型计算机44按试验规范进行数据处理，在线进行试验有效性判断后，获取试样16这个点的硬度值并显示、存储。每个试样试验结束后，微型计算机44输出硬度平均值和硬度示值波动度等数据。
参见图5、图7。压头17上段固定部分为一段锥角3°～5°的圆锥体，与压头座20的圆锥孔精确配合；压头17中部导向部分为圆柱体，与压头衬套15精确配合；下端为测量头部分，用硬度试验规范规定的材料制成规定的形状和尺寸。仪器所有硬度试验，包括小负荷布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和小负荷维氏硬度试验，所用压头17的上端固定部分和中部导向部分的形状、尺寸、公差一致，与压头座20、压头衬套15的配合具有互换性。改变硬度试验方法时，需要在挡销14的止转作用下将压头17从压头座20中拧出，更换成相应压头17后，由键盘43选择试验方法和试验条件，进入相应的信号处理系统，即可进行硬度试验。压头17与压头座20也可以用圆柱面配合，此时应选用过渡配合。
参见图8。当测试中、小型圆柱面试样硬度时，支承底板30应衬以底部有凸台的V形垫块46，V形垫块46的凸台与支承底板30的中心孔间隙配合。
参见图9。测试中、小圆柱面试样的维氏硬度和小负荷维氏硬度时，可在支承底板30上预先开设与仪器横轴、纵轴对称的两个定位孔，衬以底部带有两个定位销48的V形垫块47，并调整维氏压头，使压痕两条对角线与试样轴线的交角相等，或一条平行、一条垂直，以便将试样圆柱面硬度值修正为平面硬度值。
参见图10。图10是测试大型铁磁性等直径圆柱面试样硬度时的方法和磁性座下部结构的实施例。测试较大的等直径圆柱面试样50的硬度时，磁性座31下部直接做成与被测试样50相同直径结构的实施例。虚线为有型板49的实施例，型板49代替支承底板30，将型板49轴线与被测试样50的轴线一致放置，以构成力封闭框架。
参见图11。测试大型铁磁性不等直径圆柱面试样52的硬度时，实线为磁性座31下部直接做成喇叭形结构的实施例，虚线为磁性座31下面有型板51的实施例，型板51代替支承底板30，将硬度计机架横轴与被测试样52的轴线一致放置，以构成力封闭框架。
参见图12。图12是测试超大型铁磁性圆柱面试样硬度时的方法和磁性座31下部结构的实施例。当测试大型圆柱面试样54的硬度时，可在磁性座31下部加一型板53，使硬度计机架横向跨在试样54的圆周上，以构成力封闭框架。
权利要求
1.一种便携式全数字直接测试通用硬度计，其特征在于，它主要由下述部分组成a、一个箱式机架，它主要由机座(5)和与其下端固定连接的接长套(13)组成；b、一个能将机架固定的力封闭框架，它包括至少两个分布在机座(5)两侧的支撑整个机架的立柱(2)，该立柱(2)与机座(5)之间为可以移动和拆卸的固定连接，立柱(2)上端与横梁(1)固定连接，其下端固定一个能与被测试样或被测试样的支承底板(30)以磁力连接的磁性座(31)；c、一个安装在机架内的试验力加载装置，它主要由蜗杆(27)、蜗轮(4)、蜗轮轴(6)、力传感器座(7)、力传感器(8)、压板(12)、压头座(20)、可更换的压头(17)组成，其中蜗杆下支承(25)固定在机座(5)内，蜗轮轴(6)下端与力传感器座(7)中心螺纹孔连接，构成传力螺纹副，力传感器(8)位于力传感器座(7)和压板(12)之间，压头(17)由固定在接长套(13)下端中心孔的压头衬套(15)定位；d、一个压头位移传感装置，其中的位移传感器(10)在蜗轮轴(6)下方，其下端测量头与压头(17)或压头座(20)上端常接触，其壳体通过支承板(22)、支柱(21)固定于接长套(13)；e、一个传感器信号和数据处理系统。
2.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，立柱(2)与机座(5)之间的连接件是锁紧板(36)和锁紧手轮(35)，使机座(5)沿立柱(2)滑动后能固定于立柱(2)上。
3.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，接长套(13)内侧设置有力传感器座(7)和压板(12)上下移动的导向导轨(11)。
4.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，三个力传感器(8)按圆周均布并固定于力传感器座(7)上，压板(12)用螺钉(23)与力传感器座(7)连接并对力传感器(8)施加预压力；压头(17)与压头座(20)配合具有互换性，以圆锥面配合时锥角3°～5°，以圆柱面配合时为过渡配合。
5.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，位移传感器(10)固定于三角形支承板(22)的中心孔中，三角形支承板(22)置于三个力传感器(8)之间的空隙处，并通过三个支柱(21)固定于接长套(13)，使位移传感器(10)的壳体与机座(5)固定；位移传感器(10)的测量头与压头(17)上端面常接触，并具有预置量；压头(17)的工作端伸出护套(18)的下端面；位移传感器(10)的轴线与压头(17)轴线同轴；位移传感器(10)的测量头能与压头(17)同步、等量移动，以获取位移传感器信号。
6.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，磁性座(31)的底面与被测试样的支承底板(30)的外表面的形状相吻合，磁性座(31)上有磁性开关(32)；构成力封闭框架的是横梁(1)、立柱(2)、磁性座(31)、磁性开关(32)、和支承底板(30)。
7.根据权利要求1或6所述的硬度计，其特征在于，被测试样的支承底板(30)为平板，其上有一中心孔，该孔中衬以带销V形垫块(46)，用于测试中、小圆柱面试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度；或在支承底板(30)上预先开设两个定位孔，该孔中衬以带销V形垫块(47)，用于测试中小圆柱试样的维氏硬度或小负荷维氏硬度；用于测试中小型平面试样，支承底板(30)可以是无孔板。
8.根据权利要求1或6所述的硬度计，其特征在于，被测试样的支承底板(30)为一个面与磁性座(31)底面相接触的平面，另一个面为与被测试样的外表面的形状相吻合的异形面的型板(49、51、53)。
9.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，磁性座(31)的底面形状与被测试样的外表面的形状直接相吻合；磁性座(31)上有磁性开关(32)；构成力封闭框架的是横梁(1)、立柱(2)、磁性座(31)、磁性开关(32)、和被测试样(50、52)，适用于测试大型、超大型平面、圆柱形及异型试样的硬度。
10.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，机架内有三个力传感器(8)，其输出信号分别经三个放大器(37)放大后，用与时钟驱动器(39)的时钟信号同步的方式传递给三个采样保持装置(S/H)及模/数(A/D)转换器(40)转换为数字量后相加，结果作为试验力。
11.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，位移传感器(10)输出信号经放大器(38)放大后，信号的采样、模/数(A/D)转换在时钟驱动器(39)的时钟信号同步控制下进行。
全文摘要
本发明涉及一种便携式全数字直接测试通用硬度计，属材料力学性能测试仪器技术领域，它主要由下述部分组成a、一个箱式机架；b、一个能将机架固定的力封闭框架，它包括至少两个分布在机座两侧的支撑整个机架的立柱，其下端固定一个能与被测试样或被测试样的支承底板以磁力连接的磁性座；c、一个安装在机架内的试验力加载装置，主要由蜗杆、蜗轮、蜗轮轴、力传感器座、力传感器、压板、压头座、可更换的压头组成；d、一个压头位移传感装置，其下端测量头与压头或压头座上端常接触，其壳体通过支承板、支柱固定于接长套；e、一个传感器信号和数据处理系统。本发明具有便携、适应不同测试场合和各种形状的试样现场测试硬度的特点，能在线判定试验的有效性，在线获得试验结果；更换不同压头后，可作相应的常规硬度试验。
文档编号G01N3/42GK1556387SQ20041001262
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月6日 优先权日2004年1月6日
发明者邢思明 申请人:武汉大学