本實用新型涉及壓入測試儀器，尤其是一種便攜式壓入儀的原位觀測和連續(xù)測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

儀器化壓入是一種微尺度(約幾十納米至幾十微米)的力學(xué)測試系統(tǒng)。該類儀器能自動、實時測量和記錄在壓入試驗周期內(nèi)作用于壓頭上的載荷和壓入試樣的深度，利用載荷-深度等信息，經(jīng)過反演分析，識別材料的壓入硬度和力學(xué)參量(如彈性模量、屈服強度等)。其中，儀器化納米壓入試驗方法通則已形成相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 14577)和國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 22458—2008)。近二十年來，儀器化壓入測試技術(shù)發(fā)展迅速，各大高校和科研機構(gòu)引進(jìn)大量國外先進(jìn)的納米壓入儀用于科學(xué)研究。這些納米壓入儀均為臺式儀器，僅適用于環(huán)境干擾小的實驗室，不能隨意搬運，無法適應(yīng)野外/現(xiàn)場工況(如壓力容器和油氣管道)的在線、無損檢測。為實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)或設(shè)備的力學(xué)性能和壽命能夠安全的在線、無損檢測和評估，為滿足工程檢測需要，研制適合野外/現(xiàn)場檢測的便攜式壓入儀就成為一種趨勢。

目前，便攜式壓入儀已經(jīng)出現(xiàn)，但功能相對單一，測試效率不高?，F(xiàn)有的便攜式壓入儀，在針對工程現(xiàn)場或者野外作業(yè)(如油氣管道檢測)時，第一步，通過肉眼或放大裝置觀察被測區(qū)域的表面是否滿足測試要求(如測試區(qū)域表面是否光滑、平整等)。第二步，確保壓頭對準(zhǔn)測試區(qū)域，安裝固定壓入儀器(由于現(xiàn)有儀器的壓頭位置不能水平調(diào)整，因此在安裝過程中，就須確保壓頭對準(zhǔn)測試區(qū)域，如果測試區(qū)域較小，安裝固定過程將會異常麻煩)。第三步，完成壓入測試(由于壓入儀的位置已固定，而壓頭的位置又不能水平調(diào)整，因此僅能進(jìn)行一次壓入測試)。第四步，卸掉壓入儀器，通過肉眼或放大裝置尋找、觀測壓痕，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)和壓痕形貌分析。如果進(jìn)行多次壓入測試，則需要多次重復(fù)上述步驟。因此，現(xiàn)有的便攜壓入儀主要存在操作步驟繁瑣，工作效率低下的不足。由于現(xiàn)有便攜壓入儀不自帶原位觀測系統(tǒng)，在測試前測試區(qū)域的選取和測試后壓痕形貌的觀察和測量方面，操作繁瑣，測量精度不高。由于測試壓頭位置不能水平方向調(diào)整，導(dǎo)致不能通過微調(diào)壓頭水平位置來選擇不同的測試區(qū)域，進(jìn)行連續(xù)壓入測試，使得儀器的測試效率不高。

綜上所述，研究實用新型一種具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)十分必要，以便實現(xiàn)在原位連續(xù)測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行原位的觀察和測量，從而簡化操作步驟，減小人為誤差，提高測試效率和精度，本實用新型就是在這樣的需求背景下開展的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有的便攜式壓入儀無法實現(xiàn)原位觀測、更無法進(jìn)行連續(xù)的測試、測試效率和測試精度較低的不足，本實用新型提供一種有效實現(xiàn)原位觀測、實現(xiàn)連續(xù)測試、提高測試效率和測試精度的具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)，所述壓入測試系統(tǒng)包括主機測試系統(tǒng)，所述主機測試系統(tǒng)包括工作平臺調(diào)整模塊、壓入測試模塊、原位觀測模塊和安裝固定模塊，所述工作平臺調(diào)整模塊包括工作平臺和工作平臺升降調(diào)整組件，所述工作平臺與所述工作平臺升降調(diào)整組件連接，所述原位觀測模塊和壓入測試模塊以相對成固定角度同軸安裝在工作平臺的轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤與用于帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動固定角度實現(xiàn)壓入模式和觀測模式切換的切換驅(qū)動組件連接，所述工作平臺固定在用于將整個測試系統(tǒng)定位在待測試對象表面的安裝固定模塊上。

進(jìn)一步，所述工作平臺升降調(diào)整組件包括調(diào)整電機、上限位銷、絲杠、下限位銷和導(dǎo)軌，所述工作平臺通過與絲杠的螺紋副配合連接到測試主機的機架上，所述調(diào)整電機與絲杠連接，所述工作平臺的兩端可滑動地套裝在導(dǎo)軌上，所述導(dǎo)軌上設(shè)置上限位銷和下限位銷。

再進(jìn)一步，所述壓入測試模塊包括驅(qū)動系統(tǒng)、壓頭連接件和壓頭，所述壓頭連接件用于將壓頭連接到驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部的驅(qū)動主軸上，所述驅(qū)動主軸傳遞驅(qū)動系統(tǒng)提供的動力。

更進(jìn)一步，所述驅(qū)動系統(tǒng)為電磁驅(qū)動系統(tǒng)，所述電磁驅(qū)動系統(tǒng)包括外殼、磁缸和加載線圈，所述外殼連接到所述工作平臺上，所述磁缸固定在所述外殼上，所述加載線圈位于磁缸內(nèi)，所述加載線圈的下端與所述驅(qū)動主軸連接。

所述驅(qū)動主軸上帶有接觸式載荷傳感器和非接觸式位移傳感器。

所述安裝固定模塊包括機架底座的V型卡槽，卡槽是由四個磁性表座構(gòu)成。所述機架作為整個測試系統(tǒng)的支撐，所述磁性表座將主機測試系統(tǒng)的機架吸附在磁性結(jié)構(gòu)的表面，或者是從磁性結(jié)構(gòu)表面卸除。

所述便攜式壓入測試系統(tǒng)還包括用于發(fā)送和接收指令，同時分析測試數(shù)據(jù)并計算被測試結(jié)構(gòu)或材料的力學(xué)性能參數(shù)的計算機系統(tǒng)，所述主機測試系統(tǒng)還包括所述信號測控模塊，所述信號測控模塊與所述計算機系統(tǒng)連接。

所述切換驅(qū)動組件為伺服電機。

本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：有效實現(xiàn)原位觀測、實現(xiàn)連續(xù)測試、提高測試效率和測試精度。

附圖說明

圖1是帶有防護(hù)罩的具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)的主機測試系統(tǒng)的示意圖。

圖2是具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)的主機測試系統(tǒng)的示意圖。

圖3是圖2的側(cè)視圖。

圖4是圖2的軸視圖。

圖5是具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)，即主機測試系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)的示意圖。

圖6是電磁驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖6，一種具備原位觀測和連續(xù)測試功能的便攜式壓入測試系統(tǒng)包括主機測試系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)。所述主機測試系統(tǒng)包括工作平臺調(diào)整模塊、壓入測試模塊、原位觀測模塊和安裝固定模塊，所述工作平臺調(diào)整模塊包括工作平臺和工作平臺升降調(diào)整組件，所述工作平臺與所述工作平臺升降調(diào)整組件連接，所述原位觀測模塊和壓入測試模塊以相對成固定角度同軸安裝在工作平臺的轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤與用于帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動固定角度實現(xiàn)壓入模式和觀測模式切換的切換驅(qū)動組件連接，所述工作平臺固定在用于將整個測試系統(tǒng)定位在待測試對象表面的安裝固定模塊上。

參見圖5，工作平臺調(diào)整模塊包括工作平臺和用于調(diào)整工作平臺升降的工作平臺升降調(diào)整組件，工作平臺升降調(diào)整組件是由電機1、絲杠2、上限位銷3、下限位銷11以及導(dǎo)軌16構(gòu)成。工作平臺15是通過螺紋副與絲杠2配合，由電機1驅(qū)動絲杠2實現(xiàn)工作平臺的升降調(diào)整，同時導(dǎo)軌16保證工作平臺升降的線性度，上限位銷3和下限位銷11是保證工作平臺在調(diào)整過程中出現(xiàn)的極限位置，是為了防止機器出現(xiàn)狀況或者是人為不當(dāng)操作時出現(xiàn)事故，從而減少機器或者是對人身的傷害。所述壓入測試模塊和原位觀測模塊之間以固定角度同軸安裝在轉(zhuǎn)盤14上。壓入測試模塊是由電磁驅(qū)動系統(tǒng)6、壓頭連接件7和壓頭9構(gòu)成，其內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)參見圖6的注釋。電磁驅(qū)動系統(tǒng)6提供驅(qū)動力完成壓入測試，伺服馬達(dá)4可以通過連接組件5驅(qū)動轉(zhuǎn)盤14水平地旋轉(zhuǎn)不同的角度，從而調(diào)整壓頭的水平位置，多次選定壓入?yún)^(qū)域，實現(xiàn)連續(xù)的壓入測試。原位觀測模塊由顯微觀測裝置12和物鏡轉(zhuǎn)接口13構(gòu)成。所述顯微觀測裝置12通過物鏡轉(zhuǎn)接口13固定在轉(zhuǎn)盤14上。伺服馬達(dá)4通過連接組件5驅(qū)動轉(zhuǎn)盤14水平旋轉(zhuǎn)固定角度，從而實現(xiàn)壓入測試模塊與原位觀測模塊的切換。安裝固定模塊是由四個磁性表座10構(gòu)成，由于磁性表座兩兩互成V型，能夠方便地將機架在鋼材管道(磁性材料結(jié)構(gòu))上進(jìn)行安裝和固定，從而為壓入測試提供支撐。信號測控模塊8用于將從計算機中接收的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電壓信號后發(fā)送給壓入測試模塊，以及將從壓入測試模塊接收的載荷、位移模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號并發(fā)送給計算機系統(tǒng)。

所述計算機系統(tǒng)，用于發(fā)送和接收指令，同時分析測試數(shù)據(jù)，計算被測試結(jié)構(gòu)或材料的力學(xué)性能參數(shù)。

所述主機測試系統(tǒng)，采用一體式設(shè)計，機架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壓入過程中由于機架變形引起的變形誤差小，測量精確。

所述原位觀測模塊的顯微觀測裝置是標(biāo)準(zhǔn)接口，可以根據(jù)不同的工況需求，方便地安裝和更換不同放大倍數(shù)(10×、20×、40×)的物鏡。

所述顯微觀測裝置具備自動對焦和圖像識別功能，自動識別捕捉壓痕區(qū)域，提高測試效率和精度。

所述壓入測試模塊是由電磁驅(qū)動提供動力，采用電阻率和電阻溫度系數(shù)均較低的材料制成線圈，在磁缸中，有電流通過時產(chǎn)生驅(qū)動力，能夠提供很高精度的載荷分辨。

所述壓入系統(tǒng)采用高精度的非接觸式位移傳感器和接觸式載荷傳感器，能夠準(zhǔn)確靈敏地測量位移和載荷。

所述壓入測試模塊的壓頭連接件提供標(biāo)準(zhǔn)接口，便于安裝和更換壓頭。

如圖6所示，為壓入測試主機中壓入測試模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，20為驅(qū)動主軸，是活動部件，需要嚴(yán)格限制沿一維方向運動，其下端通過壓頭連接件7與壓頭9相連接；21為高精度的接觸式載荷傳感器，能夠提供準(zhǔn)確靈敏的載荷測試需求；22為非接式平板電容傳感器，用于提供高分辨的位移測量；23為上下兩層的柔性支撐彈簧，用于支撐活動部件和確保其沿豎直方向運動而不發(fā)生水平移動；17為電磁驅(qū)動系統(tǒng)的外殼；18為磁缸；19為加載線圈，當(dāng)加載線圈通電時，線圈會受到電磁力驅(qū)動向下運動，從而提供壓入測試所需的動力。

本便攜式原位觀測壓入測試系統(tǒng)的工作流程為：

(1)開機、檢驗儀器狀態(tài)。通電設(shè)備工作時會發(fā)熱，引起溫度波動，應(yīng)提前半個小時以上開機預(yù)熱。待儀器穩(wěn)定，采用標(biāo)準(zhǔn)參考樣品，間接檢驗該儀器化壓入測試系統(tǒng)是否正常工作。若正常，則進(jìn)行正式測試。

(2)粗選測試區(qū)域。通過觀察管道表面，初步選定測試區(qū)域。

(3)確定測試區(qū)域。將測試儀器安裝在測試管道上，要求壓頭與待測表面水平，以便保證壓頭垂直壓入。調(diào)整工作平臺和管道之間的距離，切換到觀測模式，利用顯微鏡觀測粗選的測試區(qū)域是否滿足測試要求。如果滿足要求則進(jìn)行下一步，如果不滿足則通過伺服電機水平調(diào)整壓頭位置重新選取待測區(qū)域，若滿足則進(jìn)行下一步測試參數(shù)設(shè)定，若多次水平調(diào)整之后仍不滿足，重復(fù)上一步粗選測試區(qū)域的操作。

(4)設(shè)置測試參數(shù)。選定好合適的測試區(qū)域后，通過計算機系統(tǒng)上安裝的控制軟件設(shè)置合適的測試參數(shù)，如加載方式、加載時間、最大壓入載荷(或深度)等。

(5)完成壓入測試。根據(jù)設(shè)置好測試參數(shù)，開始測試，等待測試完成。

(6)觀察、測量壓痕。壓入測試完成后，切換成觀測模式，利用顯微部件觀察并且自動識別捕捉壓痕區(qū)域，將壓痕的形態(tài)特征通過CCD反饋到計算機。

(7)處理測試數(shù)據(jù)，生成測試結(jié)果報告。計算機系統(tǒng)會結(jié)合壓入載荷和深度曲線以及顯微部件識別的壓痕結(jié)果進(jìn)行處理，并且會根據(jù)用戶選用的分析方法，自動分析處理測試數(shù)據(jù)，計算相關(guān)的力學(xué)參數(shù)(如材料硬度、彈性模量、屈服強度等)并生成測試結(jié)果報告。