料检测方法，本发明所使用的检测结构简单且能保证 稳定已知的加载力，不需额外的应变测量系统或力传感系统。本发明高效可靠，且操作简 单，通过将其小型化仪器化，使之成为便携式的硬度测量系统，将有可能应用于室外或工业 现场的硬度测试，因此本发明具有一定的市场应用前景。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构的剖面图；
[0027] 图2为本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构的轴测图；
[0028] 图3为本发明的压电双晶梁的示意图；
[0029] 图4为本发明的压电双晶梁变形的示意图，其中，（a)为自由状态的示意图，（b)为 接触样品引起变形的不意图；
[0030] 图5为本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度计的结构框图；
[0031] 图6为本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度计采用的维氏硬度压头的示意图；
[0032] 图7为本发明的压电双晶梁硬度探测结构的接触振动模型；
[0033] 图8为图7所不的接触振动t旲型的等效电路图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0035] 如图1所示，本实施例的基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构包括：空心筒11、 压电双晶梁12、支撑块13、限位管14、针尖15和硬度计压头16 ;其中，空心筒11的一端为实 心的支撑块13,另一端的侧壁上设有限位管14,限位管14的轴线与空心筒11的轴线垂直； 压电双晶梁12的一端通过支撑块13固定在空心筒11内，另一端为自由端，设有针尖15,针 尖15的轴线垂直于压电双晶梁12的表面，并且通过限位管14伸出空心筒11 ;针尖的顶端 设有硬度计压头16。图2为本发明的基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构的轴测图。
[0036] 如图3所示，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21分别设置在弹性钢层22的上和下表面上。压电双晶梁12、针尖15和硬度计压 头16构成压电双晶梁硬度探测结构。
[0037] 如图4 (a)所示，自由状态下，硬度计压头与限位管的下边缘的距离为d ;如图4(b) 所示，对样品〇进行检测时，样品〇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。
[0038] 如图5所示，本实施例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1、阻抗分析芯片2、计算芯片3和结果显示器4 ;其中，便携式硬度检测结构1的压电 晶片21连接至阻抗分析芯片2,阻抗分析芯片2测量得到阻抗频谱特性，传输至计算芯片 3 ;计算芯片3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4给出。
[0039] 在本实施例中，硬度计压头16采用维氏硬度压头，维氏硬度压头与样品相接触， 接触面积与压痕对角线长度1有关，如图6所示。压痕的深度远小于变形d，可忽略不计。
[0040] 本发明所提出的硬度检测方法依据机电阻抗法，使用双晶梁机电等效电路理论来 计算压电双晶梁硬度探测结构的机电共振频率与样品硬度HV之间的关系，接下来详细 阐述本发明的基本原理和计算过程。
[0041] 针对本发明提出的压电双晶梁硬度探测结构，如图3所示，其与待测样品的接触 振动时，其发生的是弯曲振动，其振动模型可以使用如图7所示的压电双晶梁硬度探测器 的接触振动模型来描述，其中，L为压电双晶梁的长度，m t为针尖与硬度计压头的质量之和， hs为弹性钢层的一半厚度，hp为压电晶片的厚度。图7中，压电双晶梁硬度探测结构的硬度 计压头与样品之间的接触使用一个刚度为k t的弹簧来模拟，kt亦为硬度计压头与样品的接 触刚度，通过接触刚度可以获得样品的硬度信息。
[0042] 压电双晶梁硬度探测结构的共振频率4与样品的弹性性质k t之间的关系可由如 图8所示的等效电路得到，该等效电路的阻抗矩阵为：
【主权项】
1. 一种基于机电阻抗法的便携式硬度检测结构，其特征在于，所述硬度检测结构包括： 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。
2. 如权利要求1所述的硬度检测结构，其特征在于，所述压电双晶梁为"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。
3. -种基于机电阻抗法的便携式硬度计，其特征在于，所述便携式硬度计包括：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。
4. 如权利要求4所述的便携式硬度计，其特征在于，所述硬度计压头采用维氏硬度压 头、布氏硬度压头或努式硬度压头。
5. -种基于机电阻抗法的便携式硬度计的检测方法，其特征在于，所述检测方法，包括 以下步骤： 1) 标定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; 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; 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； 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； 5) 计算芯片将硬度值传输至结果显示器给出。
6. 如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，硬度计压头采用维氏硬度压头、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。
【专利摘要】本发明公开了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。本发明的硬度检测结构包括：空心筒、支撑块、限位管、压电双晶梁、针尖和硬度计压头；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。本发明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；本发明高效可靠，且操作简单，通过将其小型化仪器化，使之成为便携式的硬度测量系统，将有可能应用于室外或工业现场的硬度测试，因此本发明具有一定的市场应用前景。
【IPC分类】G01N3-42, G01N3-02
【公开号】CN104729938
【申请号】CN201510137062
【发明人】李法新, 付际
【申请人】北京大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月26日