一种便携式划入测试系统的制作方法

本发明涉及一种便携式划入测试系统。

背景技术：

仪器化压入是一种微尺度的力学测试系统。该类仪器能自动、实时测量和记录在压入试验周期内作用于压头上的载荷和压入试样的深度，利用载荷-深度等信息，经过反演分析，识别材料的压入硬度和力学参量。划入仪是经过功能拓展的压入仪，在压入过程中，驱动压头和试样产生水平的相对运动，同时测量出水平载荷、竖直载荷和划入深度随划入位置的连续变化过程。不仅可以研究材料和结构的摩擦磨损、变形和破坏性能，还可以研究涂层的黏着失效和薄膜与基底的结合强度。在电子器件薄膜、汽车喷涂、光学镜头等质量检测方面应用广泛。

目前，便携式划入仪尚未出现，现有的划入测试只能在实验室中进行，需要严格控制外部环境干扰，无法实现针对工程现场或者大型结构件的在线检测。目前使用最为广泛的台式划入仪在测试薄膜材料的临界附着力和摩擦系数以及试样表面的粗糙度时，需要将被测材料或结构加工成小块试样再送往实验室测试，不能实现真正的原位测试，其测试结果也不能准确反映材料在原本外界环境下的力学性能。这样的测试手段，效率相对较低，精度不高。

综上所述，针对能够实现在工程现场或者是大型结构件的在线检测，便携式划入测试仪器的研制是十分必要的。

技术实现要素：

为了克服现有划入仪存在不能实现真正的原位测试的不足，本发明提供了一种可原位划入测试、测试精度较高的一种便携式划入测试系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式划入测试系统，包括划入测试装置和计算机，所述划入测试装置包括底座以及安装在底座上的工作平台调整模块、划入测试模块、原位观测模块、信号测控模块和电源模块；所述工作平台调整模块、划入测试模块、原位观测模块、信号测控模块分别与所述电源模块连接；

所述底座中部设有用于测试被测结构件的开口，所述开口的左右两侧分别对称布置有立柱，横梁可上下滑动的套装在所述立柱上；所述划入测试模块、原位观测模块均位于所述开口的上方；

所述工作平台调整模块包括竖直调整组件、水平调整组件和工作平台，所述竖直调整组件包括竖直调整电机和竖直丝杠，所述竖直丝杠的下端固定在所述底座上，所述竖直丝杠的上端与立柱固定连接，所述竖直丝杠上套装有可上下运动的竖直丝杠螺母，所述竖直调整电机安装在横梁的底部且其动力输出端与竖直丝杠螺母连接，所述横梁同时可上下滑动的套装于所述竖直丝杠上并位于所述竖直丝杠螺母的上方；所述竖直调整组件设置有两个，分别为第一竖直调整组件和第二竖直调整组件，所述第一竖直调整组件的竖直丝杠位于开口左侧立柱的左侧，所述横梁的左端位于所述第一竖直调整组件的竖直丝杠螺母的上方，所述第一竖直调整组件的竖直调整电机安装在所述横梁的左端的底部，所述第二竖直调整组件的竖直丝杠位于开口右侧立柱的右侧，所述横梁的右端位于所述第二竖直调整组件的竖直丝杠螺母的上方，所述第二竖直调整组件的竖直调整电机安装在所述横梁的右端的底部；

所述水平调整组件包括水平调整电机、水平丝杠和导轨，所述水平丝杠位于所述开口的上方并安装在所述横梁的中部的下方，所述水平调整电机安装在横梁上且其动力输出端与水平丝杠连接，所述导轨的上部固定安装在所述横梁的中部的下方，所述水平丝杠上的水平丝杠螺母安装在所述导轨的下部并与导轨形成左右滑动副；

所述划入测试模块包括用于水平驱动的压电陶瓷驱动器、用于竖直驱动的电磁驱动装置和压头，所述水平丝杠螺母通过压电陶瓷驱动器与所述工作平台的顶部连接，所述电磁驱动装置的上端与所述工作平台的底部固定连接，所述电磁驱动装置的下端通过压头连接件与所述压头连接；

所述原位观测模块与电磁驱动装置并排布置，所述原位观测模块包括显微部件和物镜转换器，所述显微部件通过物镜转换器安装在所述工作平台的底部；

所述竖直调整电机、水平调整电机、压电陶瓷驱动器、电磁驱动装置、显微部件分别通过所述信号测控模块与所述计算机连接。

进一步，所述电磁驱动装置包括外壳以及设置在外壳内的两个磁缸、加载线圈和驱动主轴，所述加载线圈位于两个磁缸之间，所述驱动主轴的上端与所述加载线圈的下端固定连接，所述驱动主轴的下端穿过外壳通过压头连接件与所述压头连接，所述驱动主轴的中部通过柔性支撑弹簧与所述壳体内壁连接；

所述驱动主轴上自上而下依次设有用于测量竖直方向的划入载荷的高精度竖直载荷传感器、用于测量竖直方向上的划入深度的平板电容传感器、用于测量水平方向的划入载荷的高精度水平载荷传感器，所述驱动主轴的右侧与所述壳体内壁之间还设有电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器的目标板与所述高精度水平载荷传感器分别位于所述驱动主轴的右侧和左侧，所述电涡流位移传感器的探头安装在所述壳体内壁上并与电涡流位移传感器的目标板左右正对布置。

再进一步，所述竖直丝杠的上端设有上限位环，所述竖直丝杠的下端设有下限位环。

再进一步，所述底座的底部四角分别设有四个磁性表座，相邻两个磁性表座之间形成V型卡槽。

更进一步，所述划入测试装置外还设有防护罩。

本发明的有益效果是：有效实现原位划入测试和原位观测、实现连续测试、提高测试效率和测试精度。

附图说明

图1是带有防护罩的划入测试装置的结构示意图。

图2是划入测试装置的主视图。

图3是图2的侧视图。

图4是图2的轴视图。

图5是一种便携式划入测试系统的结构示意图。

图6是电磁驱动装置的结构示意图。

图7是水平调整组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明。

参照图1～图7，一种便携式划入测试系统，包括划入测试装置和计算机，所述划入测试装置包括底座以及安装在底座上的工作平台调整模块、划入测试模块、原位观测模块、信号测控模块10和电源模块20；所述工作平台调整模块、划入测试模块、原位观测模块、信号测控模块分别与所述电源模块连接；

所述底座中部设有用于测试被测结构件的开口，所述开口的左右两侧分别对称布置有立柱1，横梁4可上下滑动的套装在所述立柱1上；所述划入测试模块、原位观测模块均位于所述开口的上方；

所述工作平台调整模块包括竖直调整组件、水平调整组件和工作平台15，所述竖直调整组件包括竖直调整电机6和竖直丝杠3，所述竖直丝杠3的下端固定在所述底座上，所述竖直丝杠3的上端与立柱1固定连接，所述竖直丝杠3上套装有可上下运动的竖直丝杠螺母，所述竖直调整电机6安装在横梁4的底部且其动力输出端与竖直丝杠螺母连接，所述横梁4同时可上下滑动的套装于所述竖直丝杠3上并位于所述竖直丝杠螺母的上方；所述竖直调整组件设置有两个，分别为第一竖直调整组件和第二竖直调整组件，所述第一竖直调整组件的竖直丝杠位于开口左侧立柱的左侧，所述横梁的左端位于所述第一竖直调整组件的竖直丝杠螺母的上方，所述第一竖直调整组件的竖直调整电机安装在所述横梁的左端的底部，所述第二竖直调整组件的竖直丝杠位于开口右侧立柱的右侧，所述横梁的右端位于所述第二竖直调整组件的竖直丝杠螺母的上方，所述第二竖直调整组件的竖直调整电机安装在所述横梁的右端的底部；

所述水平调整组件包括水平调整电机19、水平丝杠18和导轨17，所述水平丝杠18位于所述开口的上方并安装在所述横梁4的中部的下方，所述水平调整电机19安装在横梁4上且其动力输出端与水平丝杠18连接，所述导轨17的上部固定安装在所述横梁4的中部的下方，所述水平丝杠18上的水平丝杠螺母安装在所述导轨17的下部并与导轨17形成左右滑动副；

所述划入测试模块包括用于水平驱动的压电陶瓷驱动器16、用于竖直驱动的电磁驱动装置7和压头11，所述水平丝杠螺母通过压电陶瓷驱动器16与所述工作平台15的顶部连接，所述电磁驱动装置7的上端与所述工作平台15的底部固定连接，所述电磁驱动装置7的下端通过压头连接件8与所述压头11连接；

所述原位观测模块与电磁驱动装置7并排布置，所述原位观测模块包括显微部件13和物镜转换器14，所述显微部件通过物镜转换器安装在所述工作平台15的底部；

所述竖直调整电机6、水平调整电机19、压电陶瓷驱动器16、电磁驱动装置7、显微部件13分别通过所述信号测控模块10与所述计算机连接。

进一步，所述电磁驱动装置7包括外壳21以及设置在外壳21内的两个磁缸22、加载线圈23和驱动主轴24，所述加载线圈23位于两个磁缸之间，所述驱动主轴24的上端与所述加载线圈23的下端固定连接，所述驱动主轴24的下端穿过外壳通过压头连接件8与所述压头11连接，所述驱动主轴24的中部通过柔性支撑弹簧26与所述壳体内壁连接；

所述驱动主轴24上自上而下依次设有用于测量竖直方向的划入载荷的高精度竖直载荷传感器25、用于测量竖直方向上的划入深度的平板电容传感器27、用于测量水平方向的划入载荷的高精度水平载荷传感器28，所述驱动主轴24的右侧与所述壳体内壁之间还设有电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器的目标板29与所述高精度水平载荷传感器28分别位于所述驱动主轴24的右侧和左侧，所述电涡流位移传感器的探头30安装在所述壳体内壁上并与电涡流位移传感器的目标板29左右正对布置。电涡流位移传感器测量驱动主轴24相对于竖直方向的偏移量。

再进一步，所述竖直丝杠3的上端设有上限位环2，所述竖直丝杠3的下端设有下限位环9。

再进一步，所述底座的底部四角分别设有四个磁性表座12，相邻两个磁性表座之间形成V型卡槽。

更进一步，所述划入测试装置外还设有防护罩。

本实施例中，机架有底座、立柱1和横梁4组成；竖直方向的划入载荷即为竖直载荷，水平方向的划入载荷即为水平载荷；高精度竖直载荷传感器25为高精度的接触式竖直载荷传感器；水平丝杠螺母为带有螺纹孔33的滑块32。

如图5所示，竖直调整电机6可为丝杠升降机，竖直丝杠为滚珠丝杠，竖直调整是由竖直调整电机6与竖直丝杠3的竖直丝杠螺母配合，由于竖直丝杠3是固定的，横梁4是位于竖直丝杠螺母的上方，由于竖直丝杠螺母的上下运动，从而推动其上的横梁4沿着双立柱1在竖直方向上进行调整，实现连接在横梁4上的工作平台15在竖直方向升降的调整，初步调整压头11和显微部件13的物镜到被测结构件表面的距离，双立柱1保证了竖直方向的线性度，锁紧阀5对横梁4进行锁紧固定，保证了工作过程中竖直方向的稳定性和精度，同时上限位环2和下限位环9保证在竖直调整过程中出现的极限位置，为防止机器出现状况或者人为不当操作时出现事故，从而防止对机器或人身造成伤害。水平调整是由水平调整电机19驱动与水平丝杠18配合的工作平台15沿着导轨17在水平方向调整，导轨17保证了水平调整的精度，由于可以连续的水平调整压头11的位置，所以可以实现连续的测试。

所述划入测试模块和原位观测模块安装在工作平台15的两端，划入测试过程是由提供水平驱动的压电陶瓷驱动器16和提供竖直驱动的电磁驱动装置7相互配合完成，电磁驱动装置7在竖直方向上利用加载线圈22进行二级载荷的施加，驱动连接在压头连接件8上的压头11在竖直方向上进行压入，同时由安装在工作台15和导轨17之间的压电陶瓷驱动器16提供水平方向上的二级驱动，驱动压头11在竖直方向压入的同时，在水平方向与试样产生相对运动，两者相互配合完成划入测试。所述划入测试模块是由电磁驱动装置提供压入的动力，采用电阻率较低的材料制成线圈，在磁缸中，有电流通过时产生驱动力，能够提供高精度的线性载荷。所述划入测试模块采用高精度的非接触式位移传感器和接触式载荷传感器，能够准确灵敏地测量位移和载荷；所述划入测试模块的压头连接件，提供标准接口，便于安装和更换压头。

原位观测模块是由工作平台调整模块中的水平调整组件控制，在划入测试完成后通过水平调整工作平台的位置，将安装在工作平台15上的显微部件13移动到划入测试区域进行原位的观测。显微观测部件13通过物镜转换器14连接到工作平台15上，可以自动识别和捕捉划痕区域，实现对划痕的观测分析。显微部件13是标准接口，可以根据不同的工况需求，方便地安装和更换不同放大倍数(10×、20×、40×)的物镜；显微部件13具备自动对焦和图像识别功能，自动识别捕捉划痕区域，提高测试效率和精度。

底座的底部由四个磁性表座12构成，由于磁性表座两两互成V型，能够稳定地在被测结构件的表面进行安装和固定，从而为划入测试提供支撑。

信号测控模块10用于将从计算机中接收的数字指令信号转换为驱动电压信号后发送给划入测试模块，以及将从划入测试模块接收的竖直载荷、水平载荷、位移模拟信号转换为数据信号并发送给计算机。

所述计算机，用于发送和接收指令，同时分析测试数据，计算被测试结构或材料的力学性能参数。

如图6所示，其中，24为驱动主轴，是活动部件，需要严格限制沿一维方向运动；25为高精度竖直载荷传感器，能够提供准确灵敏的记录竖直方向的划入载荷；26为上下两层的柔性支撑弹簧，用于悬浮活动部件和确保其沿一维方向运动；27为平板电容传感器，用于测量竖直方向上的划入深度；28为高精度水平载荷传感器，准确记录划入测试在水平方向的划入载荷；29和30分别为电涡流位移传感器的目标板和探头，电涡流传感器用于测量压头在划入过程中相对于原始位置的水平的偏移；当加载线圈23通电时，加载线圈23会受到电磁力驱动向下运动，从而提供划入测试在竖直方向的动力。

如图7所示，导轨17通过四个螺纹孔31固定在横梁4的下方，滑块32中有左右贯通的螺纹孔33与水平丝杠18配合，由水平调整电机19驱动水平丝杠18，使滑块32沿着导轨17水平滑动，滑块32下方有压电陶瓷驱动器16连接工作平台15。

本发明的工作流程为：

(1)开机、检验仪器状态。通电设备工作时会发热，引起温度波动，应提前半个小时以上开机预热。待仪器稳定，采用标准参考样品，间接检验该划入测试系统是否正常工作。若正常，则进行正式测试。

(2)粗选测试区域。通过观察被测结构件的表面，初步选定测试区域。

(3)确定测试区域。将测试仪器安装在被测结构件上，要求压头11与待测表面垂直，以便保证压头11垂直压入。调整工作平台15和管道之间的距离，通过水平调整组件切换到观测模式，利用显微部件13观测粗选的测试区域是否满足测试要求。如果满足要求则进行下一步，如果不满足则水平调整压头11位置重新选取待测区域，若满足则进行下一步测试参数设定，若多次水平调整之后仍不满足，重复上一步粗选测试区域的操作。

(4)设置测试参数。选定好合适的测试区域后，通过计算机设置合适的测试参数，如加载方式、划入深度、划入长度、划入速率和竖向载荷等。

(5)完成测试。根据设置好测试参数，开始测试，等待测试完成。

(6)观察、测量划痕。划入测试完成后，切换成观测模式，利用显微部件13观察并且自动识别捕捉划痕区域，将划痕的形态特征反馈到计算机。

(7)处理测试数据，生成测试结果报告。计算机会结合竖向载荷、水平载荷和划入深度曲线以及显微部件13识别的划痕结果进行处理，并且会根据用户选用的分析方法，自动分析处理测试数据，计算相关的力学参数，如膜基结合强度、摩擦系数和材料表面粗糙度等，并生成测试结果报告。

本发明采用一体式设计，机架结构稳定，划入过程中机架变形引起的变形误差小，测量精确；同时，水平调整电机19在水平方向可以自由调整，因此可以连续的选择测试区域，实现一次安装，多次连续测试。