專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)損傷測(cè)定物質(zhì)彈性的方法及裝置的制作方法
本項(xiàng)發(fā)明涉及一種無(wú)損傷測(cè)定物質(zhì)彈性，尤其塑料制品的彈性的新方法以及相應(yīng)的測(cè)量裝置。其特征在于有一個(gè)由透明材料制成的壓頭，它的兩個(gè)主曲面的主曲率半徑為已知，用一定的法向力將壓頭壓在待測(cè)工件上，在壓頭和工件之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接觸面。在法向力作用及測(cè)量法向力的同時(shí)，測(cè)出該接觸面的大小。這樣，材料的彈性參數(shù)就可以根據(jù)赫茲公式由已知的法向力，接觸面積和主曲率半徑計(jì)算出來(lái)。
到目前為止，材料的彈性參數(shù)大多是通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。由于材料的參數(shù)可隨諸如溫度、加載速度等因素的影響而變化，因而工件的實(shí)際參數(shù)與從樣品上所測(cè)到的數(shù)值相比，會(huì)有或多或少的偏差。
在測(cè)定金屬工件的硬度時(shí)，比如在布氏或維氏方法中，盡管材料參數(shù)“硬度”可以可以直接在工件上測(cè)得，但此材料參數(shù)實(shí)際上由壓痕槽的塑性變形導(dǎo)出。按德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN53505用肖氏方法，以及用球壓法按DIN53519和DIN53456測(cè)定塑料的硬度時(shí)，雖然壓入深度在法向力作用的同時(shí)得到測(cè)定，但在這些方法中，樣品相對(duì)較薄，材料變形相對(duì)較大，塑性變形不可避免。這樣在計(jì)算硬度時(shí)，就不可能找到一個(gè)能準(zhǔn)確提供變形和作用力之間關(guān)系的彈性理論作為理論基礎(chǔ)，此外，由于臺(tái)架的變形等影響因素，盡管有預(yù)加負(fù)荷的定義，壓入深度的測(cè)量也不準(zhǔn)確。
綜上所述，利用上述硬度測(cè)量方法盡管也可以直接在工件上測(cè)定硬度，布氏硬度測(cè)試甚至也可以部分地保證無(wú)損傷的操作，但是它們所測(cè)算出來(lái)的硬度值只適用于各自定義的標(biāo)準(zhǔn)條件下的測(cè)試壓力和壓頭，不可以直接應(yīng)用于彈性理論之中。盡管這種硬度值可以換算成彈性模量，但這樣換算的結(jié)果很不精確。
本項(xiàng)發(fā)明的目的是開(kāi)發(fā)一種新的方法和相應(yīng)的裝置，使之能夠直接在工件上無(wú)損傷地測(cè)量該工件的彈性或材料的彈性參數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們引入一個(gè)材料彈性方面的中間參數(shù)“接觸模量”，它由下式定義Ek1=E11-ν12.--(1)]]>其中，E1為彈性模量，ν1為材料的橫縮系數(shù)。


圖1和圖2形象地展示了用本發(fā)明無(wú)損傷地測(cè)量材料彈性模量的原理。它有一個(gè)由特殊透明材料制成的、一般呈透鏡狀的物體，也就是壓頭2，它的主曲率半徑為已知，該壓頭在一定法向壓力FZ作用下壓向待測(cè)工件1。由于彈性變形，在壓頭2和工件1之間就會(huì)形成一個(gè)接觸面3。該接觸面由一光源4所發(fā)出的一束光所照射，接觸面的大小將由一個(gè)主要基于光學(xué)或光電原理制成的長(zhǎng)度測(cè)量裝置5來(lái)測(cè)定。
為了能夠準(zhǔn)確施加法向力，可將工件(見(jiàn)圖2)或者壓頭(見(jiàn)圖3-5)安裝在一導(dǎo)向裝置11上并且用加載裝置7來(lái)施壓或調(diào)節(jié)，所施的法向壓力將由一個(gè)壓力傳感器8測(cè)定。要使壓力能得到良好的傳遞，可將工件固定在載物臺(tái)上，將壓頭固定在壓頭筒10上。為了對(duì)壓力進(jìn)行微調(diào)或較長(zhǎng)時(shí)間保持壓力不變，可在加載裝置中串聯(lián)一個(gè)彈性元件，比如說(shuō)，這可以由一個(gè)機(jī)械彈簧12或一個(gè)液壓緩沖裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
值得注意的是，當(dāng)壓頭表面呈凸形時(shí)，而工件的待測(cè)面為鼓形時(shí)，它們之間的接觸面就呈橢圓形(圖1a)；當(dāng)工件的待測(cè)面為平面(圖1b)或球形時(shí)，接觸面就是圓形。接觸配對(duì)的接觸模量Ek就可以按照赫茲公式由接觸面的長(zhǎng)短軸a和b、接觸配對(duì)的等效半徑Re以及所施加的法向力FZ計(jì)算出來(lái)
這里s*和l*為赫茲系數(shù)，它們由兩相互接觸的物體的主曲率半徑RX1、RY1、RX2、RY2所確定，可在Eschmann，P.；Hasbargen，L.；Weigand，K.1978年所著的“Die Wlzlagerpraxis”-《滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)》一書(shū)中由函數(shù)式cosτ=|1Rx1-1Ry1+1Rx2-1Ry2|/(1Rx1+1Ry1+1Rx2+1Ry2)--(3)]]>在表格中查出。這里的下標(biāo)1指工件，2指壓頭；下標(biāo)x和y指的是個(gè)主曲方向；等效半徑Re由相互接觸物體的主曲半徑按下式算出1Re=1Rx1+1Ry1+1Rx2+1Ry2--(4)]]>
如果壓頭表面為圓柱形，而待測(cè)面為一平面或圓柱形時(shí)，接觸區(qū)3為矩形(圖1c)。接觸模量可以從接觸區(qū)的邊長(zhǎng)B和a按下式求出Ek=8FzReπBa2-----(5)]]>如果工件壓頭的材料不同，則有下列通式
如果接觸配對(duì)的接觸模量EK已按此法求出，而壓頭的彈性模量EZ和橫向收縮系數(shù)νZ為已知，那么就可以按下列求出工件1的接觸模量EK1Ek=[2Ek-1-ν22E2]-1---(7)]]>當(dāng)工件的橫向收縮系數(shù)ν1為已知時(shí)，就可由工件的接觸模量EK1按下式導(dǎo)出工件的彈性模量E1E1＝(1-ν12)Ek1(8)應(yīng)用本發(fā)明的方法時(shí)必須注意以下前提條件1)首先，赫茲公式的半空間條件必須得到滿(mǎn)足。即工件的待測(cè)面附近必須是實(shí)心的；從長(zhǎng)、寬和厚度三個(gè)方面看其實(shí)心范圍不應(yīng)小于接觸面短半徑的3～5倍；2)其次，在工件一側(cè)的接觸面附近的主曲面上必須具有恒定的主曲率半徑，例如圓柱形、球形、鼓形或?yàn)橐黄矫娴?。其主曲率半徑必須為已知，或者是可以測(cè)定的。
3)第三，壓力負(fù)荷不可超出待測(cè)材料的線(xiàn)性彈性區(qū)域。
采用此方法時(shí)，壓頭2應(yīng)優(yōu)先采用透明材料如玻璃或蘭寶石制成，用于測(cè)定較軟的材料如橡膠、塑料、樹(shù)脂等。
在某些特定情況下，壓頭也可采用不透明材料。比如要測(cè)試較硬的材料時(shí)就應(yīng)選用相應(yīng)的硬質(zhì)不透明材料制成的壓頭。在這種情況下，接觸面不能透過(guò)壓頭從其背面來(lái)觀(guān)察，測(cè)算時(shí)就要選用所施加的最大法向壓力值和相對(duì)應(yīng)的最大接觸面尺寸。這個(gè)最大接觸面一般以觸痕的方式顯示在壓頭2和工件1上，尤其是當(dāng)在待測(cè)面上涂一層干燥的薄膜時(shí)，接觸區(qū)在卸載后就可以從接觸面的正面清楚地觀(guān)察到。值得注意的是，該觸痕完全是彈性變形的記錄，它有別于硬度測(cè)量所產(chǎn)生的壓痕槽，無(wú)塑性變形成分。在卸載后以及在接觸配對(duì)相互分離之后，壓頭可以被推或轉(zhuǎn)到一邊，這樣就可以用測(cè)長(zhǎng)裝置5來(lái)測(cè)量接觸面在工件上留下的觸痕。
還有一些特殊情況，比如脈沖載荷作用時(shí)，雖然壓頭是透明的，但可能不能在施加壓力負(fù)荷的同時(shí)測(cè)量接觸面的大小，這時(shí)最大接觸面的測(cè)量也可以在撤掉負(fù)荷之后，透過(guò)由透明材料制成的壓頭來(lái)測(cè)定。
在工件1內(nèi)部所產(chǎn)生的壓應(yīng)力受壓頭和工件的曲率半徑等因素影響。要把這種應(yīng)力控制在一個(gè)適當(dāng)范圍內(nèi)，就應(yīng)選用適當(dāng)?shù)膲侯^形狀及相應(yīng)的曲率半徑。為了使接觸面不發(fā)生畸變和易于加載，一般壓頭背面是平面狀，另一面是平面或曲面，如凹形，凸形或圓柱形。
接觸面的測(cè)量精度受接觸面3與其周邊之間的反差影響較大。為了提高這種反差，可以在工件1上涂一層極薄的薄膜，待薄膜干后再測(cè)量，可以提高這種反差。將壓頭表面制成光面或毛面或在其表面涂一層極薄的薄膜干燥后，也可以達(dá)到同樣的目的。此外，還可將一薄膜(厚度＜10μm)置于壓頭2和工件之間，這樣可以使接觸面清晰地印在薄膜上；薄膜越薄，其測(cè)量精度就越高。
采用不同波長(zhǎng)的適當(dāng)光源也可提高這種反差。尤其是采用平行光束照射接觸面以及采用光學(xué)的或光電子途徑進(jìn)行測(cè)量，在這里光源4及測(cè)長(zhǎng)裝置5的光學(xué)主軸必須垂直于接觸面3以及接觸面的鏡像面3′。部件4和部件5雖然設(shè)置在不同的部位，用一分束器6就可以滿(mǎn)足上述要求。應(yīng)該注意不讓任何散射光射入接觸面3而進(jìn)入光路最后到達(dá)測(cè)長(zhǎng)裝置5。
本發(fā)明要求在一般情況下使用不變的或準(zhǔn)靜態(tài)的法向負(fù)荷壓力。要測(cè)量材料在動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下的性能，就要使所施加的法向力隨時(shí)間而變化，比如周期性或脈沖式。這時(shí)加載裝置7和測(cè)長(zhǎng)裝置5也要相應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)式的，如伺服油缸和一個(gè)攝像機(jī)。
在質(zhì)檢過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，即只需要一個(gè)在一定的法向壓力下的接觸面積，或者一個(gè)對(duì)應(yīng)一定接觸面積的法向力就可以來(lái)確定或控制材料的特性，而不需要測(cè)出接觸摸數(shù)或彈性模量。
采用本發(fā)明可以在工件的許多不同位置上測(cè)定接觸模量。通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量的取平均值可以提高所測(cè)材料參數(shù)的精確度；而從多點(diǎn)測(cè)量所得到的接觸模量的差值中可以測(cè)出工件的非均質(zhì)性。與通常使用的拉伸試驗(yàn)相比，這是該方法除無(wú)損傷性之外的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
在生產(chǎn)帶狀材料時(shí)，有必要時(shí)材料進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。為此，可選用透明材料將壓頭制成環(huán)狀2d，使其能夠在移動(dòng)中的帶狀材料1上滾動(dòng)(圖5)。在滾動(dòng)的同時(shí)由一個(gè)半透明的鏡面6b將一束平行光束反射到接觸面3上，同時(shí)測(cè)長(zhǎng)裝置如攝像機(jī)5d可以進(jìn)行監(jiān)視。這種設(shè)計(jì)也適用于測(cè)定處于滾動(dòng)狀態(tài)的工件。
圖2和下面的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以用來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。圖3顯示了一個(gè)類(lèi)似于拉伸試驗(yàn)機(jī)的彈性測(cè)量裝置，它包括測(cè)量和控制設(shè)備。圖4為一便攜式(手握式)彈性測(cè)量計(jì)。圖5為一帶有滾動(dòng)壓頭的彈性測(cè)量裝置，它可用于測(cè)量移動(dòng)或滾動(dòng)中的帶狀材料。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置在工件1之上、已知主曲率半徑的壓頭是可以更換的。工件和壓頭這兩者之一可以沿導(dǎo)軌移動(dòng)。這樣，這個(gè)可移動(dòng)的部分就可在加載裝置7，如一個(gè)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置7B的驅(qū)動(dòng)下對(duì)另一個(gè)施加載荷，一個(gè)接觸面3就會(huì)由于彈性變形在二者之間形成。多個(gè)具有不同形狀如平面-凹，平面-圓柱形等和不同主曲率半徑的壓頭可以置于一個(gè)回轉(zhuǎn)式或平移式壓頭庫(kù)中，其中只有一個(gè)選定的壓頭2在加載時(shí)處于測(cè)量位置。如果壓頭是由透明材料制成的，它最好置于一個(gè)鋼質(zhì)的保護(hù)圈中。
為了便于照射和測(cè)量接觸面，必須將光源4和測(cè)長(zhǎng)裝置5，5b，5c，5d安裝在接觸面的壓頭一側(cè)。最好是有一個(gè)分束器6或一個(gè)半透明的反射鏡片6b放置在光源和壓頭之間，而測(cè)長(zhǎng)裝置5，5b，5c就正好置于由分束器反射形成的接觸面的鏡像3′的法向。另一種可供選擇的方案是將光源4和測(cè)長(zhǎng)裝置5，5c的位置對(duì)調(diào)。也可以將部件4和部件6集成到測(cè)長(zhǎng)裝置5之中。
作為一種優(yōu)選方案，可以把壓頭2、光源3、分束器6，6b、測(cè)長(zhǎng)裝置5，5b，5c以及壓力測(cè)量裝置8作為一個(gè)組件E安裝在一個(gè)箱體10之上或其中。這個(gè)組件E包含了本項(xiàng)發(fā)明的全部核心部件，它可作為嵌入式模件裝入其它裝置中使用，如一個(gè)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)或一個(gè)機(jī)器人。當(dāng)然也可以將組件E中的一個(gè)或幾個(gè)部件從該組件分離出來(lái)安裝，如將壓力測(cè)量裝置8分離出來(lái)。
載物臺(tái)9(圖2)或者是組件E(圖3、4)兩者之一必須能夠移動(dòng)，移動(dòng)的部分由一個(gè)導(dǎo)向裝置11導(dǎo)向并通過(guò)導(dǎo)軌與機(jī)架15或者外殼15C直接相聯(lián)，與加載裝置7，7b可直接也可間接相聯(lián)。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)例-便攜式(手握式)彈性測(cè)量計(jì)(圖4)中，測(cè)量計(jì)省去了加載裝置，加載可由手來(lái)施加或者由一個(gè)外加的加載裝置如機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)。組件E位于外殼15c的內(nèi)部由滑道導(dǎo)向，并通過(guò)一個(gè)彈簧12與加壓套筒16相連。彈簧12用來(lái)對(duì)壓力進(jìn)行緩沖微調(diào)。壓力FZ可來(lái)自于施加在外殼15c上的整個(gè)手掌的力，或者由拇指施加的力，經(jīng)加壓套筒16和彈簧12傳遞到組件E上。用姆指按壓加壓套筒16可以實(shí)現(xiàn)壓力的細(xì)微調(diào)節(jié)。當(dāng)然在靈敏度要求不高的情況下，可以省掉加壓套筒16。
在便攜式彈性測(cè)量計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先采用無(wú)外接電線(xiàn)的機(jī)械、光學(xué)和電子的測(cè)量裝置(測(cè)力，測(cè)長(zhǎng))。圖4就顯示了這樣一個(gè)例子。彈簧12除可以起到緩沖微調(diào)的作用外還可用作壓力值指示器，因?yàn)閺椈缮炜s的長(zhǎng)度可以顯示在一刻度標(biāo)尺17上，刻度尺上還可以帶有一最大力值記錄指示。接觸面3可由一光學(xué)投影裝置5c投影到一個(gè)帶長(zhǎng)度標(biāo)尺的視窗上。這兩個(gè)顯示裝置(壓力、接觸面)設(shè)計(jì)成在加載時(shí)可以同時(shí)觀(guān)察到。
在帶有滾動(dòng)壓頭(圖5)的優(yōu)選例子中，由透明材料制成的輪式壓頭2d固定在鋼質(zhì)園盤(pán)上。而鋼質(zhì)圓盤(pán)的輪軸則安置在一個(gè)座架10d上的軸承內(nèi)，其作用與固定組件E的箱體10相似，該座架由導(dǎo)向裝置11導(dǎo)向，經(jīng)壓力傳感器8與加載裝置7相聯(lián)。在行程較小的情況下滾動(dòng)導(dǎo)軌11可以被一個(gè)彈性導(dǎo)向裝置，如一個(gè)片簧所替代。在測(cè)量時(shí)加載裝置7通過(guò)座架10d將壓頭2d壓向工件1，壓頭2d被平移或滾動(dòng)的工件所驅(qū)動(dòng)而隨之滾動(dòng)。用一個(gè)攝像機(jī)5d經(jīng)分束器6b折射，并透過(guò)正在滾動(dòng)的壓頭2d就可觀(guān)察到接觸面3的圖像。這種裝置可用于對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的帶狀材料的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，或用來(lái)研究工件的滾動(dòng)速度對(duì)其彈性的影響。
加載裝置的調(diào)控以及測(cè)量數(shù)據(jù)的收集和處理可以采用人工的方式，也可以由計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。圖3顯示了一個(gè)計(jì)算機(jī)執(zhí)行的操作實(shí)例。加載裝置7b、壓力傳感器8以及測(cè)長(zhǎng)裝置5b經(jīng)由相應(yīng)的控制卡、處理卡、繼電器和放大器與微處理器14相聯(lián)。
在微處理器的幫助下，可以全自動(dòng)地或人機(jī)交互地對(duì)負(fù)載及卸載過(guò)程進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)的收集和處理，并將計(jì)算結(jié)果(接觸摸量及彈性模量)顯示出來(lái)。全自動(dòng)測(cè)量，包括計(jì)算和顯示，對(duì)便攜式彈性測(cè)量計(jì)而言尤為重要，其中它的關(guān)鍵的任務(wù)是對(duì)接觸面大小的自動(dòng)識(shí)別。
除所描述的各種操作實(shí)例以外，本發(fā)明還可以設(shè)計(jì)成其它造型，如顯微式彈性測(cè)量?jī)x。在上述實(shí)例中對(duì)個(gè)別部件只例舉了1至3個(gè)優(yōu)選方案，類(lèi)似的或功能相似的改型或者這些改型的組合都屬于本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍，如用CCD攝像機(jī)或用光電掃描器來(lái)取代測(cè)長(zhǎng)裝置5中的讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡。
與拉伸試驗(yàn)相比較，本發(fā)明可以稱(chēng)為接觸試驗(yàn)。為了檢測(cè)這種接觸試驗(yàn)的精度，在很短的時(shí)間內(nèi)分別對(duì)三組塑料材料進(jìn)行了接觸和拉伸對(duì)比試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)是按德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN53457進(jìn)行的。兩種試驗(yàn)結(jié)果的比較顯示，就一個(gè)線(xiàn)性較好的材料而言，兩種方法測(cè)量并換算出的接觸模量相差甚小(＜1％)。對(duì)于線(xiàn)性較差的材料，用接觸試驗(yàn)測(cè)出的接觸模量較從拉伸試驗(yàn)得出的值高3％到7％。與拉伸試驗(yàn)相比，接觸試驗(yàn)不需要專(zhuān)門(mén)制備的樣品，而可以直接在工件上進(jìn)行無(wú)損測(cè)試，并可以任意重復(fù)，而且可以在工件使用過(guò)程中間或使用后再進(jìn)行測(cè)試。
布氏、維氏和肖氏硬度局限于特定的材料、負(fù)載范圍和標(biāo)準(zhǔn)定義，而接觸模量是一個(gè)適用所有材料的，在彈性變形區(qū)內(nèi)統(tǒng)一定義的材料彈性參數(shù)，可以直接應(yīng)用于彈性理論。此外，接觸面的大小不受框架變形的影響，因而不必要定義一個(gè)預(yù)加載荷。工件的待測(cè)面所受到的壓力負(fù)荷在其彈性區(qū)間內(nèi)，因此不對(duì)工件造成損壞。
根據(jù)權(quán)利要求1至19，本發(fā)明在工業(yè)測(cè)量中主要應(yīng)用于較軟的材料，如塑料和較軟的金屬、用于對(duì)半成品和工件在其實(shí)際使用的條件下對(duì)其彈性(彈性系數(shù)，接觸模數(shù))進(jìn)行無(wú)損傷測(cè)量和監(jiān)控。在科研方面，本發(fā)明可以用于研究諸如溫度、加載速度等因素對(duì)工件彈性的影響。在建筑業(yè)和農(nóng)業(yè)中，本項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)無(wú)損傷地測(cè)定混凝土、樹(shù)脂、瀝青、體育場(chǎng)地、土壤及水果等的彈性。在醫(yī)學(xué)方面這種接觸試驗(yàn)也可用來(lái)無(wú)損傷地測(cè)定人造材料及組織的彈性。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)損測(cè)量材料彈性，尤其是塑料材料彈性的方法，其特征在于將一由透明材料制成的壓頭用一恒定或變化的法向力壓在待測(cè)工件上，該壓頭表面具有兩個(gè)主曲率半徑，且該主曲率半徑已知或可測(cè)；在施加法向力的同時(shí)，用透射過(guò)壓頭的光照射在壓頭和工件之間由于彈性變形而產(chǎn)生的接觸面上，并由一測(cè)長(zhǎng)裝置測(cè)定接觸面尺寸；利用接觸面的尺寸、法向力及主曲率半徑，根據(jù)赫茲公式計(jì)算工件材料的彈性，即接觸模量，并由此導(dǎo)出彈性模量。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在壓頭上或工件上接觸面一側(cè)涂一層極薄的、迅速干燥的薄膜或?qū)⒁徊灸ぶ糜趬侯^和工件之間。
3.如權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，壓頭用透明材料制成平-凹形，當(dāng)然采用不透明材料或采用其它表面形狀也是可以的。
4.如權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于，接觸面的大小在卸載之后以及接觸配對(duì)分開(kāi)后，借助于留在壓頭或工件上或簿膜上的接觸面壓痕，以光學(xué)手段或其它測(cè)長(zhǎng)裝置進(jìn)行測(cè)定。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的方法，其特征在于，優(yōu)先采用一束平行單色光照射接觸面，當(dāng)然散射光及由多個(gè)波長(zhǎng)組成的光也是可以的。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將一分束器或一個(gè)半透明的鏡片設(shè)置在這樣一個(gè)位置，使照明光束和測(cè)長(zhǎng)裝置的光學(xué)主軸分別垂直于接觸面和由分束器形成的接觸面的鏡像。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于，無(wú)須計(jì)算接觸模量，只需測(cè)定一個(gè)在特定法向力下的接觸面值，一個(gè)對(duì)應(yīng)于一定義接觸面大小的法向力，即可達(dá)到測(cè)定并控制材料的參數(shù)的目的。
8.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在同一工件上的幾個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，從各測(cè)量值中求出平均值；此外還可把這些數(shù)值的離散性作為工件材料的非均質(zhì)性的參數(shù)。
9.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在一法向力的作用下，將一環(huán)狀壓頭壓在一個(gè)滾動(dòng)或移動(dòng)著的工件上，壓頭將隨之滾動(dòng)，測(cè)長(zhǎng)裝置在滾動(dòng)的同時(shí)通過(guò)接收透過(guò)壓頭和半透明鏡片(6B)的有關(guān)接觸面的光學(xué)信息，從而對(duì)接觸面進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法而設(shè)計(jì)的裝置，其特征在于，包括已知主曲率半徑的、可置換的壓頭(2D)，該壓頭置于一工件(1)之上，壓頭(2D)和工件(1)二者之一可以沿導(dǎo)軌移動(dòng)并在一加載裝置(7)的作用下壓向另一個(gè)，在兩者之間由于彈性變形而產(chǎn)生一接觸面。
11.如權(quán)利要求10的裝置，其特征在于，一個(gè)工作表面的主曲率半徑和形狀各不相同的壓頭組，裝在一旋轉(zhuǎn)式或推拉式壓頭盒內(nèi)，并設(shè)置在工件上部的待測(cè)位置附近，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或平移使其中一個(gè)壓頭剛好處在工作位置。
12.如權(quán)利要求10或11的裝置，其特征在于，一個(gè)由透明材料制成的環(huán)狀壓頭(2d)固定在鋼質(zhì)法蘭上并通過(guò)其輪軸安置在座架(10d)上，該座架由導(dǎo)向裝置(11)導(dǎo)向并通過(guò)一壓力傳感器(8)與加載裝置(7)連接。
13.如權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，一個(gè)測(cè)長(zhǎng)裝置(5，5b，5c，5d)，一個(gè)光源(4)和一個(gè)分束器(6，6b)安置在接觸面的上方，其中部件(4)和部件(5)的光學(xué)主軸分別垂直于接觸面(3)以及接觸面的鏡像圖(3′)。
14.如權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，壓頭(2)，光源(4)，分束器(6)，測(cè)長(zhǎng)裝置(5)和壓力測(cè)量裝置(8)作為一個(gè)組件(E)安置在同一個(gè)箱體(10)上或其中。
15.如權(quán)利要求10-14中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，工件(1)的載物臺(tái)(8)或組件(E)兩者之一由導(dǎo)向裝置(6)導(dǎo)向，它可以直接與加載裝置(7)聯(lián)接，也可以通過(guò)一個(gè)壓力傳感器(8)或一個(gè)彈簧(12)與之聯(lián)接。
16.如權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，其為便攜式結(jié)構(gòu)(圖4)，載有壓頭的盒(10)即組件(E)通過(guò)一導(dǎo)向裝置(11)安裝在外殼(15c)的內(nèi)部，將一彈簧(12)和一個(gè)壓力套筒(16)放置在外殼和組件(E)之間。
17.如權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，法向壓力和接觸面的顯示裝置設(shè)計(jì)成在受力的同時(shí)皆可觀(guān)察到，在壓力刻度標(biāo)尺(17)上所顯示的彈簧(12)的伸縮量可以用來(lái)測(cè)力。
18.如權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，可以采用人工的、人機(jī)交互或和全自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)控、測(cè)量數(shù)據(jù)的收集和處理，以及測(cè)試結(jié)果的顯示。
19.如權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于，該裝置為顯微鏡式彈性測(cè)量?jī)x或其它形式的檢測(cè)設(shè)備。
全文摘要
到目前為止,檢測(cè)材料的彈性參數(shù)的各種方法大都是在樣品上,而不是在實(shí)際工件上進(jìn)行的。本發(fā)明能夠直接在工件上無(wú)損傷地測(cè)定工件材料的彈性。為了無(wú)損傷地測(cè)定工件(1)的彈性(見(jiàn)圖6),用加載裝置(7)把透明材料制成的壓頭(2)壓向工件(1)。壓頭的兩主曲面的主曲率半徑已知。由于彈性變形在工件(1)和壓頭(2)之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)接觸面(3)。光學(xué)系統(tǒng)(4)和(6)經(jīng)透明的壓頭照射在接觸面上。在加載的同時(shí)通過(guò)一測(cè)長(zhǎng)裝置(5)對(duì)接觸面的大小進(jìn)行測(cè)定,通過(guò)力傳感器(8)測(cè)定法向力,然后,根據(jù)赫茲公式,利用法向力、接觸面尺寸和主曲率半徑求出材料的彈性值。本發(fā)明尤其適用于無(wú)損傷地測(cè)定材料的彈性,特別是在科研和質(zhì)量監(jiān)控中對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行測(cè)定。
文檔編號(hào)G01N3/42GK1255195SQ98804842
公開(kāi)日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1998年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月6日
發(fā)明者尹學(xué)軍 申請(qǐng)人:尹學(xué)軍