专利名称：岩石硬度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量装置，特别是岩石硬度测量装置。
背景技术：
岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压入的阻力，目前为止对于测定岩石的硬度还 缺乏一种完善的方法，特别是通过测定岩石的硬度来确定岩石级别的问题，更是急待研究 的一个问题。传统方法测量硬度精度并不高，而且测量结果标准不统一。例如仅以钢球碰 撞岩石试样的次数或金属压痕的深度表示其硬度，手工操作复杂，仪器效率偏低，需人工记 录，很容易造成操作人员的疲劳，测量方法已经不适应现时需求。最广泛的测定金属硬度的肖氏法以一个钢球从一定高度自由下落，打击岩石试 样；试样越硬、钢球打击试样消耗在破碎试样的能量越小，则钢球回弹的能力愈大，以回弹 的高度与释放钢球时初始高度的比值记作该岩石的硬度。但这种方法中只能在竖直方向进 行测量，岩石试样表面的不平整度会使反弹高度的误差较大。利用摆球硬度仪测量岩石的硬度中，仅依靠摆球碰撞岩样的次数和偏转角来确定 硬度，对硬度相对接近的岩样的分辨率不高，误差较大。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种岩石硬度测量装置，能自动显示硬度 值，无需人工记录，并且能优化测量方式，提高测试结果分辨率和精度。为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是岩石硬度测量装置，底盘上端 面设有一水平台，水平台上设有一圆弧轨道，圆弧轨道上端入口连接有竖直滑槽，圆弧轨道 通过支撑杆固定在水平台上；底盘下端面设有水平调节螺钉；速度传感器与信号处理装置 相连；圆弧轨道弧度为90度。速度传感器探头与圆弧轨道下端出口在一条水平直线上。信号处理装置采用单片机嵌入式系统。本实用新型提供的一体化灌浆装置，其有益效果如下1、测量装置引入信号处理 装置，通过显示器自动显示硬度值；2、回弹速度用速度传感器水平测量，优于肖氏法只能竖 直测量岩石硬度；3、测量结果分辨率高、精度高、测量速度快、不需人工记录。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明

图1是本实用新型的结构示 意图。图2是本实用新型信号处理装置外设连接示意图。图3是本实用新型信号处理装置工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型底盘7上端面设有一水平台9，水平台9上设有一圆弧轨 道5，圆弧轨道5通过支撑杆3固定在水平台9上。底盘7下端面设有水平调节螺钉8。速 度传感器2与信号处理装置1相连。圆弧轨道5弧度为90度。速度传感器2探头、圆弧轨 道5下端出口与岩样6中心在一条水平直线上。信号处理装置1采用单片机技术及嵌入式操作系统编程。信号处理装置1的显示 部分通过PWM波供电。实施例岩样6选用有代表性、完整、无明显裂隙的岩石制作。用锯石机将岩石切 横截面边长a = < 60mm,长度L = < 80mm的长方体，再用磨光机和抛光机加工岩样两端面， 一端抛光面粗糙度为0. 1 (相当于▽ 10)，另一端磨光面粗糙度为0. 8 (相当▽ 7)，岩样6两端 面不平等度不大于0. 15mm，截面与轴向不垂直度不大于1°。湿度< 60%，温度0°C _40°C。 岩样6体积分辨率< Icm ？ 。本实用新型利用钢球4以固定冲击速度Vl碰撞试样，回弹速度V2在只有重力的 情况下所能上升的竖直高度与1/4圆弧轨道5所对应的竖直高度R的比值表示硬度，公式
如下硬度= ^ 其 2 糾...................................................(1)
中V2 (回弹速度；钢球4从竖直高度h+R处自由滑下后，碰撞岩样6后的瞬时速度)利用超 声波速度传感器2测得(电气部分控制1，精度高)；圆弧轨道5垂直高度为R = 25. 4cm (工 程实践证明测量误差小)；对系统误差的修正(圆弧轨道5对钢球有摩擦力)，在1/4圆弧 轨道5上方增加一个高度为h的竖直滑槽10，利用该段的重力势能抵消克服摩擦阻力所作 的功Wf ；VO (冲击速度，速度传感器2测得；钢球4从1/4圆弧轨道5自由滑下后碰撞岩样
6前瞬时速度)= ^W +WfVl (钢
2...................................... P)
球4从竖直高度h+R处自由滑下后，碰撞岩样6前的瞬时速度)mgh = Wf...............
....................................(3)由(2) (3)式得4 = ‘参数设置钢球4
2.H
质量为m= 2. 5g;圆弧轨道5垂直高度为R= 25. 4cm (工程实践证明测量误差小)；钢球4 密度P = 7. 8g/cm3 ；钢球4直径d = 0. 85cm ；重力加速度g = 9. 8m/s2。实施步骤1)、调整水平调节螺丝8，使装置底盘7处于水平状态；2)、调整圆弧轨 道5顶端挡板，钢球4放于挡板之上，圆弧轨道5末端对准岩样6中心；安装岩样6，在离岩 样6中心点l-2cm处对称布置4个点(四个点分别为截面边长的中心处)，并用彩色笔标 注编号；3)、将岩样6摆放在底盘7上，调整岩样6，使圆弧轨道5下端出口中心对准岩样6 中心点，转动螺旋手轮，固定岩样6 ;4)、按下信号处理装置1 “开启”键启动，此时速度传感 器2会连续发出超声波；迅速抽出圆弧轨道5顶点处挡板，钢球4以初速度为零自由滑下， 沿圆弧轨道5让其撞击岩样6，再以水平向右的速度沿水平台9运动，在水平台9右侧的速 度传感器2可以检测钢球4反弹速度，这个速度呈依次递减趋势；速度传感器2的原理是通 过发射的超声波测得钢球4距离超声波速度传感器2的实时距离，再由单片机记录相应的 时间，然后计算出钢球4运动时的即时速度，利用控制器分析出反弹最大速度，其中反弹最大速度即是我们所需要的回弹速度V2，再通过单片机对读取的数据进行误差分析和处理， 并将最终的结果显示在液晶显示器上，岩样6第一测量点的硬度测定完毕。5)、转动螺旋手轮，松开并调整岩样6，使水平台9的中心对准第二个测量点，再依 次重复之前动作，之后依次完成一个岩样6上5个点的岩石硬度的测定，取这5个点的平均 值，即为该岩样6的硬度值，关闭信号处理装置1电源。6)、该装置可对数据实现保存功能，同时，采集的各个数据样本保存后可通过串口 上传到PC机，通过电脑超级终端便于数据的进一步分析，传输速率快，非常方便；软件方面 是基于AVR系列单片机MegaSL芯片作为主控芯，运行速度快，处理数据效率高，硬件资源丰 富性价比高。显示部分通过PWM波供电。信号处理装置1电气原理部分说明1)、最小系统最小系统包括MegaSL单片机、 电源部分、复位电路以及下载线部分(采用片内晶振，故省略时钟电路部分)。电源部分普通电池(三节5号电池)即可也可以用USB供电。复位电路由于MegaSL芯片是低电平复位，故设计了原理图示的低电平有效复位 电路。但按键Sl未按下时，单片机复位脚PC6为高电平，电容Cl充电，而当Sl按下时电容 Cl通过按键Sl放电使PC6点位拉低，故可以实现低电平复位。下载线P1 (ISP)为2X5的10芯插座，与台式机的并口相连，用来下载程序，或者 通过并口转USB下载线来与USB接口相连(供笔记本电脑选用)。2), SCI串口通信单片机RXD (PDO)、TXD (PDl)通过MAX232 (在通信线上)接至电 脑串口，便于使用PC机来分析和处理数据。3)、人机界面人机界面包括输入(按键)和输出(液晶显示器)。4)、传感器部分传感器采用TCRT16-40超声波传感器，其控制接口包括发射端 (RCIV)和接收端PWM 1通过单片机发射端加一个8-15US的高电平，然后在接收端开始计 时，此时接收端为高电平，超声波在空气中传播一定时间返回接收器，接收端收到一个下降 沿，这个过程就是超声波的传输时间，用下面的公式就可以测算出有形物体到测距模块的 距离距离=(超声波传输时间/2)*340m/s，通过几次测距，并记录相应的时间则可以计算 出运动小球的速度。
权利要求岩石硬度测量装置，其特征在于底盘(7)上端面设有一水平台(9)，水平台(9)上设有一圆弧轨道(5)，圆弧轨道(5)上端入口连接有竖直滑槽(10)，圆弧轨道(5)通过支撑杆(3)固定在水平台(9)上。
2.根据权利要求1所述的岩石硬度测量装置，其特征在于速度传感器(2)与信号处理 装置(1)相连。
3.根据权利要求1所述的岩石硬度测量装置，其特征在于圆弧轨道(5)为1/4圆弧。
4.根据权利要求1所述的岩石硬度测量装置，其特征在于底盘(7)下端面设有水平 调节螺钉⑶。
5.根据权利要求1所述的岩石硬度测量装置，其特征在于速度传感器(2)探头、圆弧 轨道(5)下端出口在一条水平直线上。
6.根据权利要求1所述的岩石硬度测量装置，其特征在于信号处理装置(1)采用单 片机嵌入式系统。
专利摘要岩石硬度测量装置，底盘上端面设有一水平台，水平台上设有一圆弧轨道，圆弧轨道上端入口连接有竖直滑槽，圆弧轨道通过支撑杆固定在水平台上。底盘下端面设有水平调节螺钉，速度传感器与信号处理装置相连，圆弧轨道弧度为90度，速度传感器探头与圆弧轨道下端出口在一条水平直线上，信号处理装置采用单片机嵌入式系统。通过显示器自动显示硬度值，优于肖氏法只能竖直测量岩石硬度，测量结果分辨率高、精度高、测量速度快、不需人工记录。
文档编号G01N3/52GK201689022SQ20102021975
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者刘培, 刘杰, 刘艳, 王 琦 申请人:刘杰