专利名称：试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，属于金属材料力学性能测试仪器技术领域。
背景技术：
目前检测金属硬度常用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等，一种硬度计对应于一种硬度试验方法。
目前所有金属硬度计因为受试验方法和试验条件的限定，采用的是额定载荷一次性加载，因此无法预料压头的压入深度，无法对试验过程和试验的有效性进行控制，无法实时判定试验的有效性；除洛氏、表面洛氏硬度试验外，无法在线获得试验结果；除维氏硬度试验外，都不能使厚、薄、软、硬的各类金属试样建立起连续的硬度标度。这是目前金属硬度试验中存在的根本性问题。目前虽有数显布氏、洛氏、表面洛氏、里氏硬度计投入使用，但其基本结构和原理与原来的相同，也不可能超出试验方法所限定的试验条件，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，并没有进行试验过程主要参数显示与控制，也没有实时判断试验有效性，因此没有克服或改善上述的根本性问题。
维氏硬度试验可使厚、薄、软、硬的各类金属试样建立起连续的维氏硬度标度，但目前应用的维氏硬度计进行硬度试验时，存在某些不便和限制①试验力不连续，只有有限的几档，应用时只能按所选档的试验力一次性地施加于压头，不能用控制试验力大小的方法来控制压头压入试样的程度，且试验力也是由砝码经杠杆等机械结构施加于压头，误差较大；②不能实时获取试验结果，需移出试样，经测量压痕对角线长度后通过计算或查表才能得到，因而效率低；③试样或试验层厚度至少是压痕对角线长度的1.5倍才是有效试验，要等测量了压痕对角线长度后才能判定试验是否有效，试验过程中无法知道、也不能控制试验的有效性；④维氏硬度值不能按需要转换为其它常用的硬度标度，如要转换，需经人工查表。
目前尚没有一种硬度计，既可以进行各种常用硬度标度的直接测量，又是全数字化的；既可以将标度连续的维氏硬度值转换成其它常用标度的硬度值，又可以进行其它常用硬度标度之间的转换。
发明内容
本发明的目的是提供一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，它是全数字、试验值可转换标度的硬度计，直接可测试金属试样的维氏硬度和小负荷维氏硬度值；试验开始时可根据所选的维氏硬度标度，提示其主要试验条件试验过程中实时显示试验力大小和压头压入试样的深度；试验结束时在线判定本次试验的有效性，在线进行试验数据处理，获取试验结果，并显示、存储；可按需要进行常用硬度标度之间硬度值的转换。当压头与压头座的配合具有互换性，所说的硬度计就具有通用性，也可以直接测量试样其它常用标度的硬度值，并可以按需要转换成其它常用硬度标度的硬度值。本发明硬度计的机架可以是不随意搬动的台式的，也可以是小型化的结构。小型化的硬度计其机架为箱式的，称为便携式硬度计，为优选方案，既可以在固定试验室使用，也可以携带至现场使用。
本发明的技术方案是一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，它包括一个机架；一个安装于机架内的由蜗轮蜗杆传动的试验力加载装置；一个与试验力加载装置相连接的力传感器；一个测量头与能更换的压头移动同步的位移传感器；它还有一个力传感器和位移传感器信号、数据处理系统，包括力传感器、放大器、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器，位移传感器、放大器、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器，时钟驱动器，随机存取存储器RAM，微型计算机，显示器，只读存储器ROM，键盘；其中，力传感器输出信号经放大器放大后，用与时钟驱动器的时钟信号同步的方式传递给采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器，按50～100次/秒的频率采样、模拟/数字(A/D)转换器转换，转换为数字量后相加，结果作为试验力；位移传感器输出信号经放大器放大后，信号的采样、模拟/数字(A/D)转换都在时钟驱动器的时钟信号的同步控制下进行；位移传感器采样频率与力传感器的采样频率相同。
本发明的效果在于，所获传感器信号、数据经电路和微型计算机处理，在线判定试验的有效性，在线获得试验结果；试验结果可转换成其它标度的硬度值。将压头更换成测量头工作部分符合相应硬度试验方法的别种压头后，同样适应直接测试试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度，试验结果同样可转换成其它标度的硬度值。
图1是本发明机械结构便携式硬度计的实施例，图示为测试中、小平面试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时总体结构的主视图；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处理过程框图；图7压头17与压头座20以圆锥面配合时的结构图；图8是测试中、小圆柱面试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，支承底板30上所衬的带销48的V形垫块47结构图；图9是测试大型铁磁性等直径圆柱面试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性座31下部结构图(实线所示实施例)，和型板49下部示意图(虚线所示实施例)；图10是测试大型铁磁性不等直径圆柱面试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性座31下部喇叭形结构图(实线所示实施例)和型板51下部示意图(虚线所示实施例)；图11是测试超大型铁磁性圆柱面试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性座31下部所加的型板53结构图；图12是键盘组成示意图；图13是测试中、小型圆柱面试样小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度时，支承底板30上所衬的带凸V形垫块46结构图；图14是小负荷布氏硬度试验时的压头17结构图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明如下如图1-图14所示，一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，它有一个机架；一个安装于机架内的由蜗轮4蜗杆27传动的试验力加载装置；一个与试验力加载装置相连接的力传感器8；一个测量头与能更换的压头17移动同步的位移传感器10；它还有一个力传感器和位移传感器信号、数据处理系统，该系统由下述部分组成力传感器8、放大器37、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器40，位移传感器10、放大器38、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器41，时钟驱动器39，随机存取存储器RAM42，微型计算机44，显示器45，只读存储器ROM55，键盘43；其中，力传感器8输出信号经放大器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采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器40，按50～100次/秒的频率采样、模拟/数字(A/D)转换器转换，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、模拟/数字(A/D)转换都在时钟驱动器39的时钟信号的同步控制下进行；位移传感器10采样频率与力传感器8的采样频率相同；还有，本实施例硬度计中有3个力传感器8和3个放大器37及3个采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器40；3个力传感器8均布并固定于力传感器座7；键盘43上设置有硬度试验方法键和数字键，当试验开始时信号处理系统所要进入的硬度试验方法和试验条件，由键盘43的硬度试验方法键和数字键确定；键盘43上还有“Enter”键，加载过程结束后，试验力卸载至规定值时，由键盘43的“Enter”键控制微型计算机44的执行顺序，进行硬度值计算、试验的有效性判断、试验结果显示与存储；键盘43上有一个“转换”键，由“转换”键确定系统进入转换状态；需要转换成的硬度试验方法和试验条件，依次由键盘43的硬度试验方法键和数字键确定；微型计算机44接到“转换”硬度试验方法和试验条件的指令后，是按照预先存入只读存储器ROM55中的维氏硬度值与其它硬度值的换算表进行转换的，并按照新标度处理、显示、存储；所述机架可以是悬臂式的台式机架，它适于固定在试验室实用，本发明实施例的机架为一个箱式机架，便于携至现场测试，该箱式机架它由机座5和与其下端固定连接的接长套13组成，该机架上有一个能上、下滑动后与机架固定的力封闭框架；所述的安装在机架内的试验力加载装置，其蜗杆27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上端面常接触，位移传感器10壳体由支承板22定位，该支承板22是通过支承柱21与接长套13固定连接；力封闭框架包括至少两个分布于机座5两侧支撑整个机架的立柱2；该立柱2上端固定连接一个横梁1，下端固定连接具有磁性开关32的、能与支承底板30或铁磁性试样以磁力连接的磁性座31；压头17具有互换性，它的上端与压头座20的中心孔以圆柱体过渡配合连接，或锥体配合连接，能更换成工作部分符合相应硬度试验方法要求的别种压头，能适应直接测试各类材料平面和圆柱面试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度。
结合附图对本发明硬度计以便携式箱式机架为实施例的技术方案、工作原理和操作方法作更具体的说明如下图1～图5是本发明测试中、小平面各类金属试样维氏硬度时的优选实施例结构图。
测试各类金属中、小型平面试样16的维氏硬度时，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、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，并以紧定螺钉固定于蜗轮轴6；蜗轮轴6以轴支承26、轴套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用螺杆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座7中心的螺孔配合，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上端锥面与压头座20的锥孔配合，下端工作部分伸出接长套13下部的护套端面2mm左右；位移传感器10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，使位移传感器10的壳体与机座5固定，两者不发生相对位移，而使位移传感器10的测量头与压头17上端面常接触，并取得预置量，同时使位移传感器10的轴线与压头17轴线同轴，当压头17上端较短时，测量头与压头座20中心孔上端边缘常接触。机座5两侧凹槽与立柱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。
维氏硬度试验时，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，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；连续均匀施加的外力矩通过手轮33驱动蜗杆27、蜗轮4、蜗轮轴6转动，使压板12压向压头座20，压头17获得的试验力F使其工作端压入试样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按试验方法进行数据处理，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6。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)，通过采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器40，按50～100次/秒的频率采样、A/D转换，将转换为数字信号的F存入随机存取存储器RAM42中，微型计算机44在其内部时钟信号控制下，以同步方式将RAM42的F显示于显示器45。同时，相类似地，位移传感器10输出信号经放大器38放大后，在时钟驱动器39的时钟信号的同步控制下传递给采样保持装置(S/H)41，通过采样保持装置41的A/D转换器，按相同频率采样、A/D转换，将转换为数字信号的信号存入随机存取存储器RAM42中，微型计算机44在其内部时钟信号控制下，以同步方式将随机存取存储器RAM42中的、位移传感器10测量头的相对位移量(即压头17压入试样16的深度)同时显示于显示器45。加载过程结束后，试验力F卸载至规定值时，由键盘43的“Enter”键控制微型计算机44，进行硬度值计算、试验的有效性判断、试验结果显示与存储等。键盘43的作用还在于，它具有一套数字键和硬度试验方法键，试验开始时用于确定信号处理系统所要进入的硬度试验方法和试验条件。例如，顺序按键“HV”、“1”、“0”、“Enter”，系统即进入HV10试验方法，试验力10kgf。
压头17上部为一段圆柱体，与压头座20的中心孔为过渡配合，其配合具有互换性，便于压头17损坏时更换；压头座20中部导向部分为圆柱体，与压头座衬套15为间隙配合。压头17上部与压头座20也可以用圆锥面配合，锥角3°～5°，参见图7。
测试大型铁磁性平面试样的维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性开关32关，只需取下支承底板30，将磁性座31直接吸附于大型铁磁性平面试样，以构成力封闭框架。
参见图8。测试中、小圆柱面试样的维氏硬度或小负荷维氏硬度时，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的带销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9。图9是测试等直径大型圆柱面铁磁性试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性座31下部结构的实施例(实线所示)和有型板49(虚线所示)实施例。测试等直径大型圆柱面试样50的硬度时，磁性座31下部做成与被测试样50形状相。也可以是以虚线所示的型板49作为支承底板，将型板49轴线与被测试样50的轴线放置一致，以构成力封闭框架。
参见图10。测试不等直径大型圆柱面铁磁性试样52的维氏硬度或小负荷维氏硬度时，，磁性座31下部做成喇叭形结构。也可以是以虚线所示的型板51作为支承底板，将机架横轴与被测试样52的轴线放置一致，以构成力封闭框架。
参见图11。图11是测试超大型圆柱面铁磁性试样维氏硬度或小负荷维氏硬度时，磁性座31下部型板53结构的实施例。当测试超大型圆柱面试样54的硬度时，以型板53作为支承底板，机架横向跨在试样54的圆周上，以构成力封闭框架。
参见图12。获得维氏硬度试验值后，如需要将结果转换为其它常用标度的硬度值，直接在键盘43上先按“转换”键，使系统进入转换状态，再依次按键选择需要转换成的试验方法(例如“HB”)和选择试验条件(例如“2”、“/”、“1”、“2”、“0”)，向微型计算机44发出需要转换成的硬度标度(即HB2/120)的指令，微型计算机44根据预先存入只读存储器ROM55中的维氏硬度值与其它硬度值换算表，确定转换成的硬度标度(HB2/120)的硬度值，并按照新标度处理、显示、存储。
本发明所提供的硬度计特别适于做成便携式小型化结构，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，具有互换性，不但可作维氏和小负荷维氏硬度试验，而且在更换压头17后，可作小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度试验；可以直接测试试样的硬度，也可以在需要时进行各标度硬度值之间的转换；对试样尺寸和形状的适用范围大，可进行各类金属中、小试样的平面和圆柱面硬度测试，也可进行大型、超大型铁磁性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，并具有显示、存储功能。
应当指出，本发明的互换式压头17与压头座20为装配式，因此只需保持压头17与压头座20的配合性质不变，将压头17更换成工作部分符合相应硬度试验方法要求的别种压头后，同样适应直接测试各类材料平面和圆柱面试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度试验(测试中、小圆柱面试样时，支承底板30应衬以底部有凸台的带凸V形垫块46，带凸V形垫块46的凸台与支承底板支承底板30的中心孔间隙配合，如图13所示)，例如更换成图14所示的工作端凸球面半径为R1的压头后，就可做D＝2mm系列的布氏硬度试验(如“HB2/120”)，试验结果可以用相同的方式转换成其它标度的硬度值。
权利要求
1.一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，其特征在于，它包括一个机架；一个安装于机架内的由蜗轮(4)蜗杆(27)传动的试验力加载装置；一个与试验力加载装置相连接的力传感器(8)；一个测量头与能更换的压头(17)移动同步的位移传感器(10)；它还有一个力传感器和位移传感器信号、数据处理系统，包括力传感器(8)、放大器(37)、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器(40)，位移传感器(10)、放大器(38)、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器(41)，时钟驱动器(39)，随机存取存储器RAM(42)，微型计算机(44)，显示器(45)，只读存储器ROM(55)，键盘(43)；其中，力传感器(8)输出信号经放大器(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采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器(40)，按50～100次/秒的频率采样、模拟/数字(A/D)转换器转换，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、及模拟/数字(A/D)转换都在时钟驱动器(39)的时钟信号的同步控制下进行；位移传感器(10)采样频率与力传感器(8)的采样频率相同。
2.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，机架内有3个力传感器(8)、3个放大器(37)、3个采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器(40)；3个力传感器(8)均布并固定于力传感器座(7)。
3.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，键盘(43)上设置有硬度试验方法键和数字键，当试验开始时信号处理系统所要进入的硬度试验方法和试验条件，由键盘(43)的硬度试验方法键和数字键确定；键盘(43)上还有“Enter”键，加载过程结束后，试验力卸载至规定值时，由键盘(43)的“Enter”键控制微型计算机(44)的执行顺序，进行硬度值计算、试验的有效性判断、试验结果显示与存储。
4.根据权利要求1或2或3所述的硬度计，其特征在于，键盘(43)上有一个“转换”键，由“转换”键确定系统进入转换状态；需要转换成的硬度试验方法和试验条件，依次由键盘(43)的硬度试验方法键和数字键确定；微型计算机(44)接到“转换”硬度试验方法和试验条件的指令后，是按照预先存入只读存储器ROM(55)中的维氏硬度值与其它硬度值的换算表进行转换的，并按照新标度处理、显示、存储。
5.根据权利要求1所述的硬度计，其特征在于，所述机架为一个箱式机架，它主要由机座(5)和与其下端固定连接的接长套(13)组成，该机架上有一个能上、下滑动后与机架固定的力封闭框架；所述的安装在机架内的试验力加载装置，其蜗杆下支承(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；所述位移传感器(10)在蜗轮轴(6)下方，其下端与压头(17)或压头座(20)上端常接触，位移传感器(10)的壳体由支承板(22)定位，该支承板(22)是通过支承柱(21)与接长套(13)固定连接。
6.根据权利要求1或5所述的硬度计，其特征在于，力封闭框架包括至少两个分布于机座(5)两侧支撑整个机架的立柱(2)；该立柱(2)上端固定连接一个横梁(1)，下端固定连接具有磁性开关(32)的、能与支承底板(30)或铁磁性试样以磁力连接的磁性座(31)。
7.根据权利要求1或5所述的硬度计，其特征在于，压头(17)具有互换性，它的上端与压头座(20)的中心孔以圆柱体过渡配合连接或锥体配合连接。
全文摘要
本发明涉及一种试验结果可转换标度的全数字式维氏硬度计，属材料力学性能测试仪器技术领域。它包括一个机架；一个安装于机架内的由蜗轮蜗杆传动的试验力加载装置；一个与试验力加载装置相连接的力传感器；一个测量头与能更换的压头移动同步的位移传感器；它还有一个力传感器和位移传感器信号、数据处理系统，包括力传感器、放大器、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器，位移传感器、放大器、采样保持装置(S/H)及模拟/数字(A/D)转换器，时钟驱动器，随机存取存储器RAM，微型计算机，显示器，只读存储器ROM，键盘；其中，位移传感器采样频率与力传感器的采样频率相同。其优点在于所获信号经电路和微型计算机处理，在线判定试验的有效性，在线获得试验结果；试验结果可转换成其它标度的硬度值。将压头更换成工作部分符合相应硬度试验方法的别种压头后，同样适应直接测试试样的小负荷布氏、洛氏、表面洛氏硬度；试验结果同样可转换成其它标度的硬度值。
文档编号G01N3/40GK1556386SQ20041001262
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
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