本發(fā)明涉及電瓷材料硬度測定領(lǐng)域，尤其涉及一種電瓷材料硬度的測定方法、超聲硬度計及其控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、瓷絕緣子是發(fā)電廠及變電站設(shè)備中的重要組成部件，是輸電線路機械連接、電氣絕緣的重要組成部分；瓷套主要用于輸變電設(shè)備引線的絕緣支撐或作絕緣容器用。瓷絕緣子、瓷套等電瓷材料均要求具有良好的機械性能和電氣性能。

2、現(xiàn)行針對陶瓷等無機非金屬材料的檢測硬度的方式主要有維氏硬度、努氏硬度和莫氏硬度三種方法。維氏硬度、努氏硬度均是采用金剛石制成的壓頭，在試樣表面加載形成壓痕，再根據(jù)試驗力和壓痕面積來計算材料硬度，兩者在材料表面不僅會造成塑性變形，還容易產(chǎn)生微裂紋，而且檢測方法適用于實驗室檢測，對試樣的制備要求和表面要求較高。莫氏硬度采用刻痕法將棱錐形金剛鉆劃入材料表面測量劃痕的深度，以劃痕的深度反應(yīng)材料硬度等級，該檢測方法是一種定性判斷硬度等級的方法，不能用于定量確定材料的硬度。

3、基于上述，亟待研究電瓷硬度的測定方法，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是提供一種電瓷材料硬度的測定方法、超聲硬度計及其控制系統(tǒng)，以解決上述常用技術(shù)中硬度檢測設(shè)備難以現(xiàn)場應(yīng)用于變電站設(shè)備中的電瓷材料的硬度定量測量的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲硬度計，應(yīng)用于電瓷材料硬度檢測，包括振動桿、壓頭以及共振裝置，所述共振裝置包括信號接收器、信號發(fā)射器、共振控制器；

3、所述振動桿豎直設(shè)置，所述振動桿的底部固定連接有一壓頭，用于與待測試樣抵持設(shè)置；

4、所述壓頭為金剛石材質(zhì)的正四棱錐體，所述正四棱錐體的錐頂遠(yuǎn)離所述振動桿的端部，且兩相對面夾角為136°±0.5°；

5、所述信號接收器以及所述信號發(fā)射器分別與所述振動桿可拆卸式連接，所述共振控制器與所述信號接收器、所述信號發(fā)射器通訊連接，用于向所述信號發(fā)射器傳輸控制信號，使所述信號發(fā)射器對所述振動桿施加縱向超聲振動，用試驗力將所述壓頭動態(tài)壓入所述待測試樣表面，并接收所述信號接收器傳遞的頻率變化信息從而計算得到硬度值；其中，所述試驗力的范圍為1n~98n，允許偏差為±8%，重復(fù)性不大于3%。

6、本發(fā)明提供了一種電瓷材料硬度的測定方法，應(yīng)用如上所述的超聲硬度計，包括步驟：

7、s1.采用維氏硬度計測定不同硬度范圍的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的各硬度平均值，將所述超聲硬度計在不同試驗力下測量的硬度值均校正到所述硬度平均值，完成所述超聲硬度計的參數(shù)標(biāo)定；所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊與待測試樣屬同種材質(zhì)電瓷材料；

8、s2.設(shè)置校準(zhǔn)后的超聲硬度計的試驗力和振動頻率，根據(jù)所述步驟s1中收集得到的實驗數(shù)據(jù)建立所述超聲硬度與諧振頻率變化量的關(guān)系模型：；

9、式中，為函數(shù)符號；

10、s3.根據(jù)所述步驟s2中超聲硬度與諧振頻率變化量的關(guān)系模型測得所述待測試樣的超聲硬度值。

11、進一步的，所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊為電瓷材料，所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的材質(zhì)包括硅質(zhì)瓷以及鋁質(zhì)瓷。

12、進一步的，所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊包括四種硬度范圍，所述硬度范圍如下：≤250hv；250hv～500hv；500hv～800hv；800hv～1200hv。

13、進一步的，所述步驟s1中所述采用維氏硬度計測定不同硬度范圍的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的各硬度平均值，將所述超聲硬度計顯示的硬度值在不同試驗力下測量的硬度值均校正到所述硬度平均值包括步驟：

14、s11.使用維氏硬度計測定第一標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的硬度值，所述第一標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上的測量點不少于5個，計算所有所述測量點測得硬度值的算術(shù)平均值作為所述硬度平均值；

15、s12.采用超聲硬度計測定第二標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的硬度值，所述第二標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上的測量點不少于5個，將所述超聲硬度計測量的平均超聲硬度值調(diào)整至所述步驟s11中所述硬度平均值；所述第一標(biāo)準(zhǔn)硬度塊與所述第二標(biāo)準(zhǔn)硬度塊材質(zhì)、硬度均相同；

16、s13.在所述超聲硬度計各試驗力下對不同硬度范圍的所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進行標(biāo)定，收集數(shù)據(jù)并完成所述超聲硬度計的參數(shù)標(biāo)定。

17、進一步的，所述共振控制器中包括處理超聲硬度以及諧振頻率變化量的計算機構(gòu)，所述步驟s3包括步驟：s31.將所述待測試樣固定；s32.將所述壓頭與所述待測試樣表面接觸，并垂直于試驗面施加試驗力；s33.所述待測試樣需重復(fù)測定至少三次，取所有測量值的算術(shù)平均值作為所述待測試樣的超聲硬度值。

18、進一步的，所述超聲硬度計的所述壓頭或所述維氏硬度計的探頭制造的任一壓痕中心到所述待測試樣或所述標(biāo)準(zhǔn)硬度塊邊緣的距離應(yīng)至少為壓痕對角線長度的2.5倍，兩相鄰壓痕中心之間的距離應(yīng)至少為壓痕對角線長度的3倍。

19、進一步的，所述待測試樣表面清潔光滑，所述待測試樣厚度不小于5mm，質(zhì)量不小于300g。

20、進一步的，所述步驟s3中所述超聲硬度值的計算公式為：

21、；

22、式中，為測量結(jié)果；

23、為測量時超聲硬度值的算術(shù)平均值；

24、為擴展不確定度；

25、所述擴展不確定度的計算公式為：

26、；

27、式中，為包含因子，是考慮測量中可能存在的系統(tǒng)性誤差的系數(shù)；

28、、、、為不確定度的來源；

29、所述不確定度來源包括：超聲硬度計的極限偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊測量時超聲硬度計的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；試樣測量時的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；根據(jù)超聲硬度計用于指示硬度值的顯示器分辨率引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

30、本發(fā)明提供了一種超聲硬度計的控制系統(tǒng)，應(yīng)用于如上任意一項所述的電瓷材料硬度的測定方法，所述控制系統(tǒng)包括：

31、參數(shù)標(biāo)定模塊，用以采用維氏硬度計測定不同硬度范圍的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的各硬度平均值，將所述超聲硬度計在不同試驗力下測量的硬度值均校正到所述硬度平均值，完成所述超聲硬度計的參數(shù)標(biāo)定；

32、數(shù)據(jù)處理模塊，與所述參數(shù)標(biāo)定模塊通訊連接，包括超聲硬度與諧振頻率變化量的關(guān)系模型：，以根據(jù)所述待測試樣的所述諧振頻率變化量測得所述超聲硬度；

33、式中，為試樣的超聲硬度計測定的維氏硬度值；

34、為試樣的頻率變化量；

35、為函數(shù)符號；

36、硬度測定模塊，與所述數(shù)據(jù)處理模塊通訊連接，用以根據(jù)所述數(shù)據(jù)處理模塊建立的超聲硬度與諧振頻率變化量的關(guān)系模型測得待測試樣的超聲硬度值。

37、本發(fā)明的有益效果如下：

38、本發(fā)明研究了一種超聲硬度計，主要原理是采用超聲接觸阻抗法，該方法是一種非直接測量壓痕的動態(tài)壓入法，當(dāng)端部鑲嵌有特定壓頭（如金剛石正四棱錐體壓頭）的振動桿受到激勵做縱向超聲振動，這種振動通常通過壓電效應(yīng)等機制產(chǎn)生，并由一個信號發(fā)射器控制其頻率和振幅，用一定的試驗力將壓頭壓入被試品表面，振動桿的縱向振動將受到阻抗，諧振頻率會發(fā)生變化。諧振頻率的變化量與壓痕表面積和測試系統(tǒng)的有效彈性模量成一定的函數(shù)關(guān)系，進而可通過測量該頻率變化量來確定材料的硬度值，得到的超聲硬度值精準(zhǔn)、可參考性強。

39、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是應(yīng)用超聲接觸阻抗法的原理測定電瓷材料硬度，電瓷材料的硬度和強度正相關(guān)，通過檢測硬度評價電瓷材料的強度及剛性，精準(zhǔn)評估在其在服役狀態(tài)下的安全性，以加強入網(wǎng)和運檢過程電瓷材料的質(zhì)量監(jiān)控，切實有效保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的超聲硬度計可直接應(yīng)用于電瓷材料現(xiàn)場檢測，靈活易控、實踐性強且測得數(shù)值精密準(zhǔn)確，具備一定的經(jīng)濟效益以及應(yīng)用前景。