本发明属于硬度测试技术领域，具体地涉及一种硬度测量装置及硬度测量方法。
背景技术：
传统的建筑材料硬度测定方法仅以小球碰撞试样的次数或金属压痕的深度表示其硬度，这种方法手工操作复杂，仪器效率低，精确度不够高，很容易造成操作人员的疲劳，误差较大，已经不适应当今社会发展的需求。
目前，建筑材料的硬度测定使用最为广泛的还是肖氏法，主要是将一个小球从一定高度自由下落，打击试样，试样越硬、小球打击试样消耗在破碎试样的能量越小，则小球回弹的能力越大，以回弹的高度与释放小球时初始高度的比值记作该试件的硬度。但这种方法中只能在竖直方向进行测量，试样表面的平整度会影响小球的反弹高度。
现有技术中，还经常使用硬度计进行硬度测量，采用静态加力然后测量压痕的原理，洛氏硬度计是测量压痕深度直接显示硬度值；布氏硬度计是测量压痕直径，查表或计算出硬度值；维氏硬度计是测量压痕对角线长度，查表或计算出硬度值。但是，这些装置一般都只能在实验室里使用，而且只能测定小件试件，对于建筑工地的建筑材料或建筑构件，需要取样后拿到实验室检测硬度。因此，这些硬度计工作效率也非常低，适用范围较小。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术存在的测试效率低、精度不高问题，提供了一种硬度测量装置，该装置将模糊的硬度值测量转化为清晰的时间测量，能够有效提高测量的精度和准度。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种硬度测量装置，包括：测试球、用于实现所述测试球滑落的第一通道以及用于实现所述测试球水平匀速直线运动的第二通道，所述第一通道包括具有竖直的入口和水平的出口的1/4圆弧通道，且所述1/4圆弧通道的入口高于所述1/4圆弧通道的出口，所述1/4圆弧通道的出口与所述第二通道的入口相交叉并形成相连通的连接部，所述连接部具有沿所述第二通道的延伸方向远离所述第二通道的出口延伸的自由端，所述自由端用于与待检测材料相抵靠，所述第二通道上设置有用于监测所述测试球经过所述第二通道上任一区间所用的时间的测量元件。
优选地，所述测量元件包括沿所述测试球的运动方向依次设置在所述第二通道上的第一光电门和第二光电门，所述硬度测量装置包括用于接收所述第一光电门和所述第二光电门的反馈信号并计算所述待检测材料硬度值的控制单元。
优选地，所述硬度测量装置包括数字显示器，所述数字显示器与所述控制单元相连。
优选地，所述第一通道包括从所述1/4圆弧通道的入口沿竖直方向向上延伸的缓冲通道，所述第二通道的出口敞开设置。
优选地，所述连接部与所述待检测材料相抵靠处设置有第三光电门，所述控制单元与所述第三光电门相连，用于接收所述第三光电门反馈的信号并通过计算设定所述缓冲通道的高度值。
优选地，所述缓冲通道的顶端设有可释放地固定所述测试球的锁扣，所述锁扣包括位于所述缓冲通道顶端的可抽拉的挡板、以及设置在挡板两侧的限位板，两个所述限位板构成顶部开口大于底部开口的敞口结构。
优选地，所述第二通道包括气垫导槽，所述气垫导槽用于与小型气源相连通，所述气垫导槽的表面设有用于供气以使所述测试球处于悬浮状态的出气孔。
优选地，所述第一通道和所述第二通道共同通过设置在所述第二通道底部的高度调节装置进行高度调节。
本发明第二方面提供一种硬度测量方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将所述测试球以初速度为0、初始竖直状态从所述高度为R的位置自由下落，并使所述测试球下落后以水平状态滑出并与待检测材料撞击后作反向的水平匀速直线运动；
S2、测量所述测试球在水平匀速直线运动过程中经过任一区间所用的时间t1和该区间的距离s；
S3、根据已知的s、t1、R，代入公式中得到所述待检测材料的硬度值。
优选地，所述硬度测量方法通过权利要求1所述的硬度测量装置完成，其中：步骤S1包括将所述测试球以初速度为0沿所述第一通道滑落。
优选地，所述方法包括在所述步骤S1之前进行调试步骤S0，所述步骤S0包括：
将所述待检测材料取走；
在所述连接部与所述待检测材料相抵靠处设置第三光电门；
将所述测试球以初速度为0沿所述第一通道滑落，测得所述测试球通过所述第三光电门的时间t0，利用t0和所述测试球的直径d计算出所述测试球通过所述第三光电门的瞬时速度
将所述1/4圆弧通道入口沿竖直方向向上延伸设置一个高度为h′的缓冲通道，所述缓冲通道高度值为：
优选地，所述步骤S1中将所述测试球从所述缓冲通道的顶部自由下落。
通过上述技术方案，本发明在测定金属硬度的肖氏法的基础上，将模糊的硬度值测量转化为清晰的时间测量，能够有效提高测量的精度和准度，使得最终得到的硬度值更加精确。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明中数字显示器的工作流程图。
附图标记说明
1—测试球、2—锁扣、3—缓冲通道、4—圆弧通道、5—出气孔、6—第三光电门、7—第一光电门、8—第二光电门、9—第二通道、10—收纳槽、11—箱体、12—导线、13—数字显示器、14—高度调节装置、15—小型气源、16—阀门、17—支撑杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1，根据本发明的一方面提供一种硬度测量装置，包括：测试球1、用于实现所述测试球滑落的第一通道以及用于实现所述测试球水平匀速直线运动的第二通道9，所述第一通道包括具有竖直的入口和水平的出口的1/4圆弧通道4，且所述1/4圆弧通道4的入口高于所述1/4圆弧通道4的出口，所述1/4圆弧通道4的出口与所述第二通道9的入口相交叉并形成相连通的连接部，所述连接部具有沿所述第二通道的延伸方向远离所述第二通道9的出口延伸的自由端，所述自由端用于与待检测材料相抵靠，所述第二通道9上设置有用于监测所述测试球经过所述第二通道9上任一区间所用的时间的测量元件。
本发明中采用1/4圆弧通道的作用是将所述测试球1的势能全部转化为动能。测试时，首先将所述待检测材料与所述连接部的自由端相抵靠，让所述测试球1从所述1/4圆弧通道4的竖直入口处自由下落，随后从所述第一通道的水平出口滑出撞击到待检测材料后在所述第二通道9内作反向的水平匀速直线运动，最后通过所述测量元件监测所述测试球1经过所述第二通道9上任一区间所用的时间。
根据肖氏硬度原理得到如下：
其中，K为肖氏硬度系数，为常量。按照传统的硬度测试方法来说，h1为测试球垂直撞击待检测材料反弹后的垂直高度；而h0为测试球下落前的垂直高度；但是由于本发明中的测试装置结构不同于传统装置，结合到本发明中，可以将整个装置逆时针旋转90°使得所述待测试材料置于水平地面来类比，类比后所述h1即为所述测试球1撞击待测试材料后沿所述第二通道9运动的长度，所述h0即为所述1/4圆弧通道4顶端入口相对于所述待测试材料的垂直距离。
在上述测试过程中，设定s为该区间的长度，v2为所述测试球1以初速度为0在所述1/4圆弧通道入口处下落撞击待检测材料后的反弹速度，R为所述1/4圆弧通道的半径，通过所述测量元件测得所述测试球1经过该区间所用的时间为t1。
根据能量守恒定律得到如下：
进一步的，由公式1、公式2和公式3得出：
硬度
综上，使用本测量装置测试过程中通过测量所述测试球1经过该区间所用的时间t1，结合该区间的长度s和1/4圆弧通道的半径R，即可通过上述公式计算出待测试材料的硬度值。
本发明在测定金属硬度的肖氏法的基础上，将模糊的硬度值测量转化为清晰的时间测量，能够有效提高测量的精度和准度，使得最终得到的硬度值更加精确。并且使用该测量装置测量过程中不限于传统的竖直方向的测量，通过设置通道，使得测量结果不会受到待检测材料表面平整度的影响，具有测量方便、应用广泛等优点，对于建筑工地的建筑材料或建筑构件同样适用。此外，由于待检测材料置于所述测量装置的侧边，测量后待检测材料上几乎不会产生压痕，可用于成品测量。
根据上述测试过程中的记载，所述测试球1经过任一区间所用的时间t1是通过测量元件来监测，这里的测量元件可以使用计时器进行分段计时，或者为实现更为方便的自动计时，本实施例中，所述测量元件包括沿所述测试球1的运动方向依次设置在所述第二通道9上的第一光电门7和第二光电门8，所述硬度测量装置包括用于接收所述第一光电门7和所述第二光电门8的反馈信号并计算所述待检测材料硬度值的控制单元。
工作过程中，所述第一光电门7被所述测试球1遮光时开始计时，所述第二光电门8被所述测试球1遮光时停止计时，两个光电门共同将计时信号反馈给所述控制单元，所述控制单元即可记录所述测试球1经过所述第一光电门7和所述第二光电门8之间的区间所用的时间t1，由于上述区间的长度即所述第一光电门7和所述第二光电门8之间的距离s和1/4圆弧通道的半径R为两个已知数据，进一步的，可以通过设定使得所述控制单元能够根据上述推导出的公式计算出所述待测试材料的硬度值。
为了更直观、方便的将上述计算结果显示出来，所述硬度测量装置包括数字显示器13，所述数字显示器13与所述控制单元相连，因此所述数字显示器13便能够将所述控制单元计算出的硬度值进行显示，使得读数更为方便、降低误差。
为不妨碍所述测试球1在所述第二通道9中的运动，所述第二通道9的出口敞开设置，为方便所述测试球1的回收，在所述第二通道9的出口处还固定设置有收纳箱10。
作为本发明的一种优选的实施方式，考虑到测量过程中，所述测试球1下落时还会受到所述1/4圆弧通道4的摩擦力影响，因此会造成最终的测量结果存在一定误差。为进一步的保证测量精准、最大程度的减少误差，需对本发明所述测量装置进行调试，具体的，所述第一通道包括从所述1/4圆弧通道的入口沿竖直方向向上延伸的缓冲通道3。
这是由于，可以利用所述测试球1通过该缓冲通道3的重力势能抵消克服摩擦阻力f所作的功Wf，其中，g为重力加速度，取g＝9.8m/s2；将位于所述连接部自由端的待测试材料取走，设定v0为所述测试球1从竖直高度为R的1/4圆弧通道4顶端自由滑落后通过所述连接部自由端的瞬时速度，由能量守恒定律得：
mgh′＝Wf..........................(5)
由(4)(5)式得：
因此通过在所述1/4圆弧通道的入口沿竖直方向向上延伸一段高度为的缓冲通道3，使得所述测试球1在高度为h′所储蓄的重力势能正好可以抵消所述测试球1在所述1/4圆弧通道4内运动受摩擦力f的影响而损失的部分能量，由此便完成系统调试，最终硬度测量结果偏差趋近于0。
进一步的，为方便得到v0的数值，在所述连接部与所述待检测材料相抵靠处设置有第三光电门6，所述控制单元与所述第三光电门6相连，用于接收所述第三光电门6反馈的信号并通过计算设定所述缓冲通道3的高度值。
将所述待检测材料取走后，所述第三光电门6被所述测试球1遮光时开始计时，所述第三光电门6露光时停止计时，这一过程中，所述测试球1通过距离即为所述测试球1的直径d，所述第三光电门6将计时信号反馈给所述控制单元，所述控制单元记录所述测试球1通过所述第三光电门6的时间为t0，由此根据便可直接计算出v0的数值，带入中得到进一步的，同样可以通过设定使得所述控制单元能够根据计算出所述缓冲通道3的高度值。
由于所述控制单元能够接收三个光电门的反馈信号，进一步的，为防止信号相互之间造成干扰，设定A挡和B挡。结合图2，当切换到A挡时，将所述待测试材料取走，所述控制单元与所述第三光电门6连通，用于接收所述第三光电门6的反馈信号，并根据公式设定所述缓冲通道3的高度值，对所述测试装置进行调试。其中，计算所述缓冲通道3的高度值可以通过数字显示单元13进行显示。
调试后，将所述1/4圆弧通道4向上延伸一段高度为h′的缓冲通道3，随后切换到B挡时，使得所述控制单元与所述第一光电门7和所述第二光电门8连通，让所述测试球1从所述缓冲通道3的顶部自由下落，经所述1/4圆弧通道4水平滑出撞击所述待测试材料后沿所述第二通道9作水平匀速直线运动，所述控制单元用于接收位于所述第二通道9上的所述第一光电门7和所述第二光电门8的反馈信号，并能够根据公式计算出所述待测试材料的硬度值，最终通过数字显示器13进行显示。
上述过程中，为方便将所述测试球1放置于所述缓冲通道3的顶端、并同时能够实现后续的释放下落，在所述缓冲通道3的顶端设有可释放地固定所述测试球的锁扣2，所述锁扣2包括位于所述缓冲通道3顶端的可抽拉的挡板、以及设置在挡板两侧的限位板，两个所述限位板构成顶部开口大于底部开口的敞口结构。
该敞口结构能够有效防止所述测试球1滚动滑落，下落前，关闭所述挡板，使得所述缓冲通道3的顶端入口完全封闭，防止所述测试球1的滑落，下落时，抽拉所述挡板，使得所述缓冲通道3的顶端入口敞开，由此，所述测试球1便可沿所述缓冲通道3进入所述1/4圆弧通道4进而完成后续运动。
为实现所述测试球1在所述第二通道9内完成匀速直线运动，所述第二通道9包括气垫导槽，所述气垫导槽用于与小型气源15相连通，所述气垫导槽的表面设有用于供气以使所述测试球1处于悬浮状态的出气孔5。
其中，所述小型气源15采用现有技术中常见的供气结构，一般来说可以储存5L压缩空气，当需要补充气源时可以采用24V直流电压或220V交流电压供给，主要是利用所述小型气源15的电机带动离心式风机继续产生气体。通过小型气源15的控制使得所述测试球1处于悬浮状态，即所述气垫导槽出气孔5排出气体对所述测试球1所产生的向上的力能够完全克服所述测试球1自身的重力，因此使得所述测试球1能够在所述第二通道9内以撞击待检测材料后的速度完成匀速直线运动。
进一步的，所述气垫导槽的形状可以为全封闭或者凹型半封闭结构，优选为凹型、顶部完全敞开的结构，保证所述测试球1可以在所述气垫导槽上处于悬浮状态同时免于受到其他摩擦阻力的影响。
此外，为方便适应所述待检测材料的高度，便于不可移动的待检测材料的硬度测量，所述第二通道9底部设置有高度调节装置14，所述第一通道和所述第二通道9共同通过该高度调节装置14进行高度调节至合适位置，使得所述连接部的自由端恰好与所述待检测材料相抵靠。这里的高度调节装置可以采用现有技术中任一能够实现该调节的结构来完成，比如常见的菱形手动高度调节装置等，此处不作限制。
本发明还提供了一种硬度测量方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将所述测试球1以初速度为0、初始竖直状态从所述高度为R的位置自由下落，并使所述测试球1下落后以水平状态滑出并与待检测材料撞击后作反向的水平匀速直线运动；
S2、测量所述测试球1在水平匀速直线运动过程中经过任一区间所用的时间t1和该区间的距离s；
S3、根据已知的s、t1、R，代入公式中得到所述待检测材料的硬度值。
本发明测量方法在测定金属硬度的肖氏法的基础上，将模糊的硬度值测量转化为清晰的时间测量，能够有效提高测量的精度和准度，并且不同于传统测量方法中将所述待检测材料水平置于地面，而是将待检测材料放置在侧面，并通过限定所述测试球1的运动过程，使得最终的测量结果不会受到待检测材料表面平整度的影响。
完成上述步骤S1、S2后，根据肖氏硬度原理得到如下：
其中，K为肖氏硬度系数,为常量。按照传统的硬度测试方法来说，h1为测试球垂直撞击待检测材料反弹后的垂直高度；而h0为测试球下落前的垂直高度；但是由于本发明中的测试方法不同于传统测量，需要将所述待测试材料置于水平地面来类比，类比后所述h1即为所述测试球1撞击待测试材料后水平匀速直线运动的长度，所述h0即为所述测试球1下落高度相对于所述待测试材料之间的垂直距离即R。
在上述测试方法中，设定v2为所述测试球1以初速度为0高度为R下落撞击待检测材料后的反弹速度，根据能量守恒定律得到如下：
进一步的，由公式1、公式2和公式3得出：
硬度
综上，通过本发明的测量方法可直接计算出待测试材料的硬度值，测量过程中只需要检测一个数据t1即可，将模糊的硬度值测量转化为清晰的时间测量，从而有效提高测量的精度和准度。
进一步的，所述硬度测量方法通过前述的硬度测量装置完成，其中：步骤S1包括将所述测试球1以初速度为0沿所述第一通道滑落，其中所述第一通道包括1/4圆弧通道4，所述1/4圆弧通道4具有竖直的入口和水平的出口，由此限定了所述测试球1的运动轨迹。
考虑到测量方法中，所述测试球1下落时还会受到所述1/4圆弧通道的摩擦力影响，因此会造成最终的测量结果存在一定误差，为进一步的保证测量精准、最大程度的减少误差，所述方法包括在所述步骤S1之前进行调试步骤S0，所述步骤S0包括：
将所述待检测材料取走；
在所述连接部与所述待检测材料相抵靠处设置第三光电门6；
将所述测试球1以初速度为0沿所述第一通道滑落，测得所述测试球1通过所述第三光电门6的时间t0，利用t0和所述测试球的直径d计算出所述测试球1通过所述第三光电门6的瞬时速度
将所述1/4圆弧通道4入口沿竖直方向向上延伸设置一个高度为h′的缓冲通道3，所述缓冲通道3高度值为：
上述的公式推导过程同前述的所述测量装置中的公式推导过程，此处不作重复说明。完成调试后，将所述测试球1从所述缓冲通道3的顶部自由下落，经所述1/4圆弧通道4水平滑出撞击所述待测试材料后沿所述第二通道9作水平匀速直线运动，通过所述控制单元接收位于所述第二通道9上的所述第一光电门7和所述第二光电门8的反馈信号，得出所述测试球1经过长度为s的区间的时间为t1，并能够根据公式计算出所述待测试材料的硬度值，可以保证最终得到的硬度测量结果精准可靠，有效的避免误差。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。