具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统的制作方法

本实用新型涉及压入测试仪器，尤其是一种便携式压入仪的原位观测和连续测试系统。

背景技术：

仪器化压入是一种微尺度(约几十纳米至几十微米)的力学测试系统。该类仪器能自动、实时测量和记录在压入试验周期内作用于压头上的载荷和压入试样的深度，利用载荷-深度等信息，经过反演分析，识别材料的压入硬度和力学参量(如弹性模量、屈服强度等)。其中，仪器化纳米压入试验方法通则已形成相关国际标准(ISO 14577)和国家标准(GB/T 22458—2008)。近二十年来，仪器化压入测试技术发展迅速，各大高校和科研机构引进大量国外先进的纳米压入仪用于科学研究。这些纳米压入仪均为台式仪器，仅适用于环境干扰小的实验室，不能随意搬运，无法适应野外/现场工况(如压力容器和油气管道)的在线、无损检测。为实现大型结构或设备的力学性能和寿命能够安全的在线、无损检测和评估，为满足工程检测需要，研制适合野外/现场检测的便携式压入仪就成为一种趋势。

目前，便携式压入仪已经出现，但功能相对单一，测试效率不高。现有的便携式压入仪，在针对工程现场或者野外作业(如油气管道检测)时，第一步，通过肉眼或放大装置观察被测区域的表面是否满足测试要求(如测试区域表面是否光滑、平整等)。第二步，确保压头对准测试区域，安装固定压入仪器(由于现有仪器的压头位置不能水平调整，因此在安装过程中，就须确保压头对准测试区域，如果测试区域较小，安装固定过程将会异常麻烦)。第三步，完成压入测试(由于压入仪的位置已固定，而压头的位置又不能水平调整，因此仅能进行一次压入测试)。第四步，卸掉压入仪器，通过肉眼或放大装置寻找、观测压痕，进行相关的数据和压痕形貌分析。如果进行多次压入测试，则需要多次重复上述步骤。因此，现有的便携压入仪主要存在操作步骤繁琐，工作效率低下的不足。由于现有便携压入仪不自带原位观测系统，在测试前测试区域的选取和测试后压痕形貌的观察和测量方面，操作繁琐，测量精度不高。由于测试压头位置不能水平方向调整，导致不能通过微调压头水平位置来选择不同的测试区域，进行连续压入测试，使得仪器的测试效率不高。

综上所述，研究实用新型一种具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统十分必要，以便实现在原位连续测试的基础上进行原位的观察和测量，从而简化操作步骤，减小人为误差，提高测试效率和精度，本实用新型就是在这样的需求背景下开展的。

技术实现要素：

为了克服已有的便携式压入仪无法实现原位观测、更无法进行连续的测试、测试效率和测试精度较低的不足，本实用新型提供一种有效实现原位观测、实现连续测试、提高测试效率和测试精度的具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统，所述压入测试系统包括主机测试系统，所述主机测试系统包括工作平台调整模块、压入测试模块、原位观测模块和安装固定模块，所述工作平台调整模块包括工作平台和工作平台升降调整组件，所述工作平台与所述工作平台升降调整组件连接，所述原位观测模块和压入测试模块以相对成固定角度同轴安装在工作平台的转盘上，所述转盘与用于带动转盘转动固定角度实现压入模式和观测模式切换的切换驱动组件连接，所述工作平台固定在用于将整个测试系统定位在待测试对象表面的安装固定模块上。

进一步，所述工作平台升降调整组件包括调整电机、上限位销、丝杠、下限位销和导轨，所述工作平台通过与丝杠的螺纹副配合连接到测试主机的机架上，所述调整电机与丝杠连接，所述工作平台的两端可滑动地套装在导轨上，所述导轨上设置上限位销和下限位销。

再进一步，所述压入测试模块包括驱动系统、压头连接件和压头，所述压头连接件用于将压头连接到驱动系统内部的驱动主轴上，所述驱动主轴传递驱动系统提供的动力。

更进一步，所述驱动系统为电磁驱动系统，所述电磁驱动系统包括外壳、磁缸和加载线圈，所述外壳连接到所述工作平台上，所述磁缸固定在所述外壳上，所述加载线圈位于磁缸内，所述加载线圈的下端与所述驱动主轴连接。

所述驱动主轴上带有接触式载荷传感器和非接触式位移传感器。

所述安装固定模块包括机架底座的V型卡槽，卡槽是由四个磁性表座构成。所述机架作为整个测试系统的支撑，所述磁性表座将主机测试系统的机架吸附在磁性结构的表面，或者是从磁性结构表面卸除。

所述便携式压入测试系统还包括用于发送和接收指令，同时分析测试数据并计算被测试结构或材料的力学性能参数的计算机系统，所述主机测试系统还包括所述信号测控模块，所述信号测控模块与所述计算机系统连接。

所述切换驱动组件为伺服电机。

本实用新型的有益效果主要表现在：有效实现原位观测、实现连续测试、提高测试效率和测试精度。

附图说明

图1是带有防护罩的具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统的主机测试系统的示意图。

图2是具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统的主机测试系统的示意图。

图3是图2的侧视图。

图4是图2的轴视图。

图5是具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统，即主机测试系统和计算机系统的示意图。

图6是电磁驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图6，一种具备原位观测和连续测试功能的便携式压入测试系统包括主机测试系统和计算机系统。所述主机测试系统包括工作平台调整模块、压入测试模块、原位观测模块和安装固定模块，所述工作平台调整模块包括工作平台和工作平台升降调整组件，所述工作平台与所述工作平台升降调整组件连接，所述原位观测模块和压入测试模块以相对成固定角度同轴安装在工作平台的转盘上，所述转盘与用于带动转盘转动固定角度实现压入模式和观测模式切换的切换驱动组件连接，所述工作平台固定在用于将整个测试系统定位在待测试对象表面的安装固定模块上。

参见图5，工作平台调整模块包括工作平台和用于调整工作平台升降的工作平台升降调整组件，工作平台升降调整组件是由电机1、丝杠2、上限位销3、下限位销11以及导轨16构成。工作平台15是通过螺纹副与丝杠2配合，由电机1驱动丝杠2实现工作平台的升降调整，同时导轨16保证工作平台升降的线性度，上限位销3和下限位销11是保证工作平台在调整过程中出现的极限位置，是为了防止机器出现状况或者是人为不当操作时出现事故，从而减少机器或者是对人身的伤害。所述压入测试模块和原位观测模块之间以固定角度同轴安装在转盘14上。压入测试模块是由电磁驱动系统6、压头连接件7和压头9构成，其内部详细结构参见图6的注释。电磁驱动系统6提供驱动力完成压入测试，伺服马达4可以通过连接组件5驱动转盘14水平地旋转不同的角度，从而调整压头的水平位置，多次选定压入区域，实现连续的压入测试。原位观测模块由显微观测装置12和物镜转接口13构成。所述显微观测装置12通过物镜转接口13固定在转盘14上。伺服马达4通过连接组件5驱动转盘14水平旋转固定角度，从而实现压入测试模块与原位观测模块的切换。安装固定模块是由四个磁性表座10构成，由于磁性表座两两互成V型，能够方便地将机架在钢材管道(磁性材料结构)上进行安装和固定，从而为压入测试提供支撑。信号测控模块8用于将从计算机中接收的数字指令信号转换为驱动电压信号后发送给压入测试模块，以及将从压入测试模块接收的载荷、位移模拟信号转换为数据信号并发送给计算机系统。

所述计算机系统，用于发送和接收指令，同时分析测试数据，计算被测试结构或材料的力学性能参数。

所述主机测试系统，采用一体式设计，机架结构稳定，压入过程中由于机架变形引起的变形误差小，测量精确。

所述原位观测模块的显微观测装置是标准接口，可以根据不同的工况需求，方便地安装和更换不同放大倍数(10×、20×、40×)的物镜。

所述显微观测装置具备自动对焦和图像识别功能，自动识别捕捉压痕区域，提高测试效率和精度。

所述压入测试模块是由电磁驱动提供动力，采用电阻率和电阻温度系数均较低的材料制成线圈，在磁缸中，有电流通过时产生驱动力，能够提供很高精度的载荷分辨。

所述压入系统采用高精度的非接触式位移传感器和接触式载荷传感器，能够准确灵敏地测量位移和载荷。

所述压入测试模块的压头连接件提供标准接口，便于安装和更换压头。

如图6所示，为压入测试主机中压入测试模块的结构示意图。

其中，20为驱动主轴，是活动部件，需要严格限制沿一维方向运动，其下端通过压头连接件7与压头9相连接；21为高精度的接触式载荷传感器，能够提供准确灵敏的载荷测试需求；22为非接式平板电容传感器，用于提供高分辨的位移测量；23为上下两层的柔性支撑弹簧，用于支撑活动部件和确保其沿竖直方向运动而不发生水平移动；17为电磁驱动系统的外壳；18为磁缸；19为加载线圈，当加载线圈通电时，线圈会受到电磁力驱动向下运动，从而提供压入测试所需的动力。

本便携式原位观测压入测试系统的工作流程为：

(1)开机、检验仪器状态。通电设备工作时会发热，引起温度波动，应提前半个小时以上开机预热。待仪器稳定，采用标准参考样品，间接检验该仪器化压入测试系统是否正常工作。若正常，则进行正式测试。

(2)粗选测试区域。通过观察管道表面，初步选定测试区域。

(3)确定测试区域。将测试仪器安装在测试管道上，要求压头与待测表面水平，以便保证压头垂直压入。调整工作平台和管道之间的距离，切换到观测模式，利用显微镜观测粗选的测试区域是否满足测试要求。如果满足要求则进行下一步，如果不满足则通过伺服电机水平调整压头位置重新选取待测区域，若满足则进行下一步测试参数设定，若多次水平调整之后仍不满足，重复上一步粗选测试区域的操作。

(4)设置测试参数。选定好合适的测试区域后，通过计算机系统上安装的控制软件设置合适的测试参数，如加载方式、加载时间、最大压入载荷(或深度)等。

(5)完成压入测试。根据设置好测试参数，开始测试，等待测试完成。

(6)观察、测量压痕。压入测试完成后，切换成观测模式，利用显微部件观察并且自动识别捕捉压痕区域，将压痕的形态特征通过CCD反馈到计算机。

(7)处理测试数据，生成测试结果报告。计算机系统会结合压入载荷和深度曲线以及显微部件识别的压痕结果进行处理，并且会根据用户选用的分析方法，自动分析处理测试数据，计算相关的力学参数(如材料硬度、弹性模量、屈服强度等)并生成测试结果报告。