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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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〇. IN~ 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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 = KcXl计算，K。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。
[0012] 本发明的另一个目的在于提出一种基于机电阻抗法的便携式硬度计。
[0013] 本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度计包括：便携式硬度检测结构、阻抗分析 芯片、计算芯片和结果显示器；其中，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；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为d;压电双晶梁连接至阻抗分析芯片，阻抗分析芯片测量 得到阻抗频谱特性，传输至计算芯片；计算芯片根据双晶梁机电等效电路理论计算得到硬 度计压头与样品之间的接触面积，并进一步计算样品的硬度值；传输至结果显示器给出。
[0014] 硬度计压头可以采用维氏硬度压头、布氏硬度压头或努式硬度压头，并根据相应 的维氏、布氏或努式的计算公式，获得材料的维氏硬度值、布氏硬度值或努式硬度值。
[0015] 本发明的又一个目的在于提出一种基于机电阻抗法的便携式硬度计的检测方法。
[0016] 本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度计的检测方法，包括以下步骤：
[0017] 1)由万能试验机标定得到压电双晶梁硬度探测结构的刚度K。，并测量得到自由状 态下硬度计压头与限位管的下边缘的距离d，从而由公式F = KcXl计算得到接触力F ;
[0018] 2)对样品进行检测，样品的表面与限位管的下边缘接合良好，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 ;
[0019] 3)压电双晶梁连接至阻抗分析芯片，阻抗分析芯片测量得到阻抗频谱特性；
[0020] 4)计算芯片依据获得的阻抗频谱特性，根据双晶梁机电等效电路理论计算得到硬 度计压头与样品之间的接触面积，进一步通过接触力F和接触面积计算样品的硬度值；
[0021] 5)计算芯片将硬度值传输至结果显示器给出。
[0022] 本发明的优点
[0023] 与现有的基于压电梁的材料检测方法相比，本发明通过这种特殊的结构设计，使 得核心元件的变形为已知值，进而能获得一个稳定已知的接触力，这种设计无需使用应变 片和响应的应变测量系统，只需要一个简单的阻抗分析芯片，因此加快了测量效率且提高 了测量稳定性；并且本发明解决了现有方法在接触测量时无法保证因为干扰而致使接触力 不稳定的弱点。
[0024] 本发明与现有的振动硬度计有明显的区别：1)现有的振动硬度计是基于机械阻 抗法，而本发明的设计是基于机电阻抗法，两者原理不同；2)现有的振动硬度计的探头是 直杆，振动在杆内以一维波动的形式进行，而本发明的探头是压电双晶片悬臂梁，振动在梁 内以弯曲变形的方式进行；3)现有的振动硬度计是通过质量块或弹簧来施加压入力，而本 发明的设计是直接利用梁的弯曲来施加压入力。
[0025] 本发明提出一个特殊设计的便携式超声材料硬度检测结构，该方法能快速可靠的 获得材料的硬度值。相较于现有的材