[发明专利]一种基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构及其检测方法

说明书

技术领域

本发明属于材料计量检测领域，具体涉及一种基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构及其检测方法。

背景技术

材料的力学性能是指材料在承受各种外力与变形时所呈现的力学行为，这些力学行为可用由各种力学参量所建立的力学模型来描述。常用的材料力学性能包括硬度、模量、泊松比和屈服强度等。其中，硬度是工业界广泛用来衡量材料软硬程度的指标，它代表了固体材料抵抗局部弹塑性入侵和破坏的能力。

准确测定材料的硬度性能意义重大：首先，对材料的硬度性能进行准确表征有助于准确的描述材料的力学行为，有助于进行结构设计；另外，材料的硬度参数可用于检验产品的力学性能，并依此确定合理的加工工艺；考虑到硬度性能与结构的健康程度紧密相关，因此还可以将材料的力学性能作为一个评价指标，评估结构的健康状态和损伤程度。

自1822年Friedrich Mohs提出基于10种矿物的划痕法来衡量不同材料的软硬程度之后，多种不同的基于压痕的硬度测量方法也被先后提出，并得到了广泛的认可和应用。基于压痕测硬度的方法可以根据载荷的施加方式大致分为三大类：静态载荷压痕硬度测量、动态载荷压痕硬度测量和划痕硬度测量。

在静态压痕硬度测量中，所施加的力载荷为固定值。通常将特制形状的硬压头以一定压力压入待测材料表面，材料发生局部弹塑性变形，通过测量压头撤回后材料的残余变形几何尺寸，即可获得相应的硬度值。该测量方法简单，对仪器安装和试件要求不高，因此也得到了最广泛的应用。静态压痕法测硬度方式多种多样，载荷变化范围可包含0.1N～100kN，其中适用于块体材料的测量方法有布氏硬度HB和洛氏硬度HR，适用于涂层或者薄膜试样的测量方法有韦氏HV、玻氏HT和表面洛氏(Superficial Rockwell)。这些硬度值之间一般不能互相换算，亦很难建立硬度值与材料强度值之间的关系。在动态压痕硬度测量中，施加于样品的载荷为动态变化的。一种典型的金属动态硬度测量方法为使用从高处掉落的标准压头冲击试件表面，并通过测量回弹高度来确定硬度值。划痕硬度测量一般是使用硬质压头沿着试件表面横向刻划，并记录法向载荷和划痕宽度，由此可以测量材料的抗划入等性能，还可以测量薄膜材料粘附力。

但是，这些现有的硬度测量方法存在一定的问题：首先，现有的硬度测量方法多需要使用光学或者几何测量系统去测量材料的残余变形(维氏硬度等)或回弹高度(动态硬度)，这些测量方法无法排除材料由于“下沉”和“挤出”所产生的误差，也无法消除压坑圆角带来的误差；其次，几何测量系统造价昂贵，质量和体积均较大，因此不便于工业推广使用；另外，现有的硬度测量方法均需要人工进行测量操作，导致目前很难形成硬度的自动化测试，使得当前硬度测试效率难以提高。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构及其测量方法，通过特殊设计的结构，该方法仅仅需要使用阻抗芯片就能完成对硬度的测量。

本发明的一个目的在于提出一种基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构。

本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构包括：空心筒、支撑块、限位管、压电双晶梁、针尖和硬度计压头；其中，空心筒的一端为实心的支撑块，另一端的侧壁上设有限位管，限位管的轴线与空心筒的轴线垂直；压电双晶梁的一端通过支撑块固定在空心筒内，另一端为自由端，设有针尖，针尖的轴线垂直于压电双晶梁的表面，并且通过限位管伸出空心筒；针尖的顶端设有硬度计压头；自由状态下，硬度计压头与限位管的下边缘的距离为d；对样品进行检测时，样品的表面接合限位管的下边缘，从而样品与硬度计压头接触，并且引起压电双晶梁的自由端的变形为d。

压电双晶梁为“压电晶片-弹性钢层-压电晶片”的三层复合结构，压电晶片分别设置在弹性钢层的上表面和下表面。压电双晶梁、针尖和硬度计压头构成压电双晶梁硬度探测结构。

本发明的便携式硬度检测结构，自由状态下，针尖伸出限位管，硬度计压头与限位管的下边缘的距离为d；对样品进行检测时，样品的表面位于限位管的下边缘，从而样品与硬度计压头接触，并且引起压电双晶梁的自由端的变形保持为d，进而能保证恒定的接触力F，接触力F的值可由公式F＝K_cd计算，K_c为压电双晶梁硬度探测结构的刚度，由万能试验机标定。硬度计压头与限位管的下边缘的距离为d可以调整，故该结构可以通过调整d的大小来改变接触力F的大小。本发明通过限位管，使得压电双晶梁的变形为已知值，进而能获得一个稳定已知的接触力。