一种适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置

技术领域

本发明属于位移测量技术领域，具体涉及一种适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置。

背景技术

仪器化压入技术作为一种新兴的、重要的力学测试技术，其为材料学、物理学、医学、生物学等学科的材料和结构性能表征提供了技术支撑。该技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种新的材料力学性能测试技术。

仪器化压入仪是仪器化压入技术集成化，系统化的产物。而今仪器化压入仪正逐渐成为材料力学性能表征的主要测试仪器，它可以在显微尺度下进行测试并获得准确材料的力学参数。其定义为：驱动压头压入试样，测量施加的载荷和压入试样的深度，基于压入力学模型识别出材料的硬度和力学参数的过程。因此，压入载荷和压入深度的准确性，直接关系到所得力学参数的准确性。

为了准确测量压入深度，通常采用参比针辅助装置，通过测量压头与参比针之间的差动位移来测量压头压入材料的深度。然而，参比针在接触到被测材料表面时，参比针尖端与材料的接触半径较小，由于参比针装置自重作用，参比针尖端下方材料受到较大压强作用，导致在测量高聚物这类软材料时，材料表面产生明显蠕变，参比针跟随蠕变产生位移从而影响压入深度测量值的准确性。因此，亟需发明一种适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置。

发明内容

针对上述问题情况，本发明提供一种测试稳定性好、测量准确性高，测量精度高，对材料影响小，通用性好的压入深度测量装置，解决现有装置在参比针接触高聚物类软材料后，材料表面发生蠕变，参比针跟随蠕变产生位移而造成影响压入深度测量值准确性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置，包括连接箱体，连接箱体的上端设置有导向组件，导向组件中部设置有导杆，导杆的上端通过导杆固定片与固定板进行固定，导杆的下部伸入到连接箱体的内部，在连接箱体的侧部设置有精密导轨，通过精密导轨连接有压杆滑块，压杆滑块内贯穿有压杆，压杆的上方设置有载荷传感器，载荷传感器上方连接有电机轴，压杆的下端设置有压头组件，在连接箱体的正面设置有光栅尺以及与光栅尺配合的读数头，读数头通过读数头夹具与压杆滑块固定，在连接箱体的底部设置有参比针，在连接箱体的内部还设置有导杆抱紧装置。

进一步的，所述导杆抱紧装置包括压电陶瓷夹具以及设置在压电陶瓷夹具内部的压电陶瓷片，压电陶瓷夹具设置在连接箱体的内腔顶部，压电陶瓷片呈环状设置在导杆的周围。所述压电陶瓷片根部与压电陶瓷夹具过盈配合，压电陶瓷片前端部与导杆留有固定距离，所述固定距离根据驱动电压的大小以及压电陶瓷片膨胀系数计算后确定。

进一步的，压头组件包括锁紧螺母、压头套以及压头，锁紧螺母与压杆的底部螺纹连接，所述压头套设置在锁紧螺母的下方，压头固定在压头套下方。

进一步的，所述参比针的下端部低于压头的下端部，存在一定高度差。

进一步的，读数头夹具一端固定在压杆滑块上，另一端与读数头相连接。

进一步的，所述压杆的上部设有台阶面，具有限位作用，压杆的底部设置有与锁紧螺母配合的螺纹。

进一步的，在连接箱体的内侧固定有参比针固定板，用于固定参比针。

进一步的，在连接箱体的内壁还设置有导向块，导杆穿过导向块上的通孔设置，所述连接箱体可移动地设置在导杆上。

进一步的，所述连接箱体的一侧还设置有可拆卸的移动板。

进一步的，所述在连接箱体的上端部还设置有限位部，所述限位部位于精密导轨的上方，起限位作用。

本发明的压入深度测量装置，装置结构紧凑，能够适用于软材料类的压入深度的测量，克服了以往压入仪参比针接触高聚物类软材料试样表面使材料发生蠕变后产生位移的情况，使测量得到的力学参数更加准确，本发明的压入深度测量装置具有测试稳定性好、测量精度高，对材料影响小，可测试试样种类多，通用性好的优点。本发明设置有导杆抱紧装置，其内部的压电陶瓷片通电后向内膨胀，使导杆受均匀径向力，消除横向与轴向位移，对称抱紧导杆，从而消除由于参比针接触高聚物类软材料后，材料表面发生蠕变，参比针跟随蠕变产生位移而造成影响压入深度测量值准确性的问题。

附图说明

图1为适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置的轴测图；

图2为适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置的主视图；

图3为适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置的左视图；

图4为连接箱体的内部结构示意图；

图5为连接箱体的外部结构示意图；

图6为本发明压电陶瓷夹具与压电陶瓷片的局部结构图；

图中：1、参比针；2、精密导轨；3、连接箱体；31、限位部；4、读数头夹具；5、读数头；6、光栅尺；7、导向组件；8、导杆；9、固定板；10、导杆固定片；11、电机轴；12、载荷传感器；13、压杆；131、台阶面；14、压杆滑块；15、锁紧螺母；16、压头套；17、压头；18、参比针固定板；19、导向块；20、压电陶瓷夹具；21、移动板；22、压电陶瓷片。

实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，一种适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置，所述测量装置包括参比针1、精密导轨2、连接箱体3、读数头夹具4、读数头5、光栅尺6、导向组件7、导杆8、固定板9、导杆固定片10、电机轴11、载荷传感器12、压杆13、压杆滑块14、锁紧螺母15、压头套16、压头17、参比针固定板18、导向块19、压电陶瓷夹具20、移动板21、压电陶瓷片22。

具体连接关系如下：

连接箱体3的上端设置有导向组件7，导向组件7中部设置有导杆8，导杆8的上端通过导杆固定片10与固定板9进行固定，固定板9与固定设备相连接。导杆8的下部伸入到连接箱体3的内部，在连接箱体3的侧部设置有精密导轨2，通过精密导轨2连接有压杆滑块14，压杆滑块14内贯穿有压杆13，压杆13的上方设置有载荷传感器12，用于检测所施加载荷，载荷传感器12上方连接有电机轴11，电机轴11与电机相连。压杆13的下端设置有压头组件，在连接箱体3的正面设置有光栅尺6以及与光栅尺6配合的读数头5，读数头5通过读数头夹具4与压杆滑块14固定，在连接箱体3的底部设置有参比针1，在连接箱体3的内部还设置有导杆抱紧装置。

所述导杆抱紧装置包括压电陶瓷夹具20以及压电陶瓷片22，所述压电陶瓷片22位于压电陶瓷夹具20内部，其根部与压电陶瓷夹具20固定，压电陶瓷夹具20设置在连接箱体3的内腔顶部，压电陶瓷片22呈环状设置在导杆8的周围，通电后向内膨胀，对称抱紧，使导杆8受均匀径向力，消除横向与轴向位移。

压头组件包括锁紧螺母15、压头套16以及压头17，锁紧螺母15与压杆13的底部螺纹连接，所述压头套16设置在锁紧螺母15的下方，右侧开有通孔，与压头17相配合；压头17固定在压头套16下方。压头17中间设有轴肩，具有限位作用，其上部切削出平面，可用顶丝与其固定。

为了更好的起到参比作用，所述参比针1的下端部低于压头17的下端部，存在一定高度差。

所述读数头夹具4一端固定在压杆滑块14上，另一端与读数头5相连接。所述光栅尺6安装在连接箱体3前方。

在连接箱体3的内壁还设置有导向块19，导杆8穿过导向块19上的通孔设置，所述连接箱体3可移动地设置在导杆8上。

所述连接箱体3的一侧还设置有可移动或可拆卸的移动板21，便于安装与维修。

所述导向组件7通过螺纹连接在连接箱体3上方，用于导向作用；所述导杆8位于导向组件7中央。所述导杆固定片10位于导杆8顶端，与固定板9螺纹固定。

所述电机轴11处于载荷传感器12上方；所述压杆13位于载荷传感器12下方，上部设有台阶面131，具有限位作用；所述锁紧螺母15位于压杆13最底部，压杆13底部设有螺纹，与锁紧螺母15配合。

所述参比针固定板18位于箱体内侧，通过螺栓与连接箱体3相连，用于固定参比针1。参比针1可以对压头17的下降速度进行反馈控制，防止下降速度过快对压头17造成损坏以及对测量结果造成的误差。

所述压电陶瓷夹具20处于连接箱体3内部顶端，通过螺栓连接与连接箱体3，导向组件7相固定，压电陶瓷片22根部与压电陶瓷夹具20过盈配合，其前端部与导杆8留有固定距离，此距离根据驱动电压的大小以及压电陶瓷片22膨胀系数计算后确定。

本发明装置在工作时还连接有控制系统，对整个装置动作进行自动控制，包括电机的启停，压电陶瓷片22的通断电，与试样的接触反馈，光栅尺6相关压头17移动距离的读取，压头17及附件上升或下降速度的控制以及载荷传感器12载荷力的获取等。

本发明的适用于仪器化压入仪测量高聚物类软材料压入深度的装置，其测量过程可分为以下几步：

第一阶段，由电机驱动电机轴11，使测量装置整体进行位移，此过程向下运动速度相对较快；

第二阶段，参比针1会先于压头17接触到试样表面，这时光栅尺6和读数头5之间会有相对位移，产生位移数据后立刻暂停电机的向下运动，对压电陶瓷片22进行通电，通电后的压电陶瓷片22利用反压电效应产生膨胀，由于根部与刚性材料固定，则向导杆8中心轴方向膨胀，直至抱紧导杆8；

第三阶段，电机恢复运动状态并缓慢下降，直至压头17接触到试样表面时开始测试，这时候由于参比针1是与上方固定板9相连，消除了参比针1自重对试样表面造成压力所产生蠕变的影响；

第四阶段，测试完成后压电陶瓷片22失电收缩，压杆滑块14向上移动至精密导轨2上限位处即连接箱体3的限位部31位置，此时参比针1与压头17相对静止，压杆滑块14在电机作用下带动连接箱体3返回初始测试位置。

通过以上步骤可获取高聚物类软材料的压入深度，通过载荷传感器获取所施加的载荷，进而基于压入力学模型识别出材料的硬度和力学参数。

对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。