里氏硬度测量实验箱的设计

杨帆+胡又农

摘 要 阐述一种理工科院校金属材料硬度测量实训教育装备——里氏硬度测量实验箱，该实验箱不同于以往实训中所用到的台式硬度计和便携式硬度计。台式硬度计体积过大且不便移动；便携式硬度计电量少、屏幕小、探头不可更换、配件不易携带。该实验箱针对这些不足进行优化设计，具有大容量电池、高分辨率大屏显示、可更换配件、箱式便携一体化等优势。

关键词 里氏硬度测量实验箱；教育装备；实训

中图分类号：G482 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）06-0032-03

Abstract This article mainly explains an educational equipment that can be used in colleges of science and technology in mental material hardness testing practical training： Leeb Hardness Testing Experi-mental Toolbox. Being differed from the traditional practical training device， it optimizes the design of which the desk type devices large size and its uneasiness to move， and improves the design of which the portable devices low electric quantity， small screen， unchan-geable probe， and the uneasiness to carry the parts. Having solved these inadequacies， Leeb Hardness Testing Experimental Toolbox has high-capacity batteries， bigger high-definition screen， chan-geable parts， the integration of its desk type and portability， and etc.

Key words leeb hardness testing experimental toolbox； educational equipment； practical training

1 前言

测量硬度有多种方法，里氏硬度计测量因其具有易携带、测量范围宽、操作方便等优点，成为现场金属部件硬度测量的首选方法[1]。里氏硬度测量实验箱是一种以里氏硬度试验为理论依据，针对理工科院校设计的用于金属硬度测量实训教学的教育装备。该实验箱将教与学中所需的部件集成在一个实验箱中，方便在硬度测量实训中的搬运和携带。实验箱配有大屏显示、多种探头类型、快捷键、打印机、可更换电池、校准试块等功能硬件，并搭载友好的人机交互系统，方便实验人员操作。其设计面向教与学，对市场上出现的硬度计进行优化设计，使得设备为教学所用。

2 目前状态与不足

传统教学工作中，多采用台式静力试验布氏硬度基准机等台式硬度计。这些台式硬度计不仅体积庞大不便移动，而且价格较高，实验室配备很难达到学生人手一台的水平，使得学生上机操作时间少、体验不足。便携式硬度计体积小且携带方便，可解决数量不足的问题。但是，目前市场上销售的便携式硬度计存在以下一些不足：

1）电池容量小，很容易造成连续教学使用时电量不足，在进行实验准备时需要花费时间去充电；

2）LCD屏过小，显示数据量过少，不便于测量和教学工作的开展；

3）零散附件太多，不便于携带和现场操作；

4）微型化的一体型硬度计，体积虽然小，但探头不可更换，无法满足实训时需要不同探头的要求；

5）维护困难，硬度计集成度高，若出现设备问题，需要返厂维修，花费的成本高、时间长。

并且在外采购的硬度计商业元素较重，采买、维护成本高，功能烦琐且不适用。大多数院校为满足课堂需要，需要支出大量资金、人力对硬件进行选购配备，费时费力。

3 实验箱的设计

在调查相关用户的基础上，针对目前市场上销售的里氏硬度测量仪的不足之处，专门为教学实训工作设计一款里氏硬度测量实验箱。实验箱解决了现有台式硬度测量仪器体积过大，一体式硬度计电池容量不足、显示数据少、探头不可更换，便携式硬度计零散附件多、不便携带等诸多问题。设计时特别关注模块化、标准化等内容，力求实现便于维修、便于使用的目标。

实验所用的所有部件都装配在防爆实验箱中，如图1所示。该实验箱尺寸为400 mm（长）×300 mm（宽）×160 mm（高），箱子采买时选取有锁扣、手持、肩背和现场放置的固定装置。

在箱体上盖开出一透明观察窗口，在不打开箱盖的情况下也可以观察到仪器工作情况。箱体内部分上下兩个区域：上层区域固定安装仪表各部分，如编码器、显示器、键盘、电源、打印机等；下层区域用于存放仪表的附件和备件，如标准试块、备用电池、冲击装置、备用打印纸、砂纸等。两层使用铝板隔开，配有拆装手柄，方便拿取安放。

4 硬件设计

硬件组成

1）大屏幕显示：屏幕选取7.3英寸、800*480高分辨率可触摸彩色液晶屏。

2）多探头和支撑环类型。材料不同、被测物曲面不同，应选取不同的探头和支撑环。该实验箱配备多种冲击装置（D、DL、G、C、E、D15等）和各类支撑环，满足不同的测量需求，并且大大减少了教育装备的选购成本。用户选择不同的冲击装置进行打值测量，免去因探头种类不同而配置多种硬度计的成本问题。

3）多按键快捷键盘。快捷键盘是方便实验人员进行快捷配置所设计的。多按键快捷键盘为4×6分布，覆盖机器的所有操作方式。按键分布如图2所示。快捷键盘是为满足快速调整数值，显示、更改配置所设置的快捷键。最左侧的一列为一级菜单，可遍历所有操作；第二列到第六列为常用快捷键，可快捷设置一些常用菜单的配置。

4）打印机。为解决打印机携带不方便、连接复杂问题，实验箱将微型打印机嵌入其中。微型打印机选取的是市场上较常见的热敏镶嵌式微型打印机。

5）可更换大容量充电电池。普通的硬度计在连续教学时耗电量较大，很容易造成后续教学时电量不足，而实验员在每次实验准备时要花费大量的时间去给设备充电。本实验箱使用两节26650充电电池供电（总电量10 000 mAh），

并配备两节备用电池，在教学活动中若出现电量不足等情况，可自行更换，不耽误教学工作的进行。

硬件设计总图 硬件设计总图如图3所示。

5 软件设计

系统功能

1）显示界面。该实验箱设计四种显示风格，分别是大数字、统计参数、柱状图、平均值，测量值超出限定范围可显示不同颜色的提示符号。同时，为满足不同测试环境、光线的需求，可调节屏幕亮暗、背光时间等。

2）友好的人机操作方式。实验中常用功能可以使用快捷键操作，全部功能都可以通过菜单进行操作。实验箱具备多按键键盘和编码转轮，教学中可采用这两种方式进行操作。

3）测量功能。在实际测量中因测试用的材料不同，会选择不同的探头类型、材料、硬度单位等配置信息。该实验箱配置模拟、无线、数字的探头信号，配置D/DL/D15/G/C/E等探头类型，可选单位有HL/HRC/HRB/HB/HV/HS/HRA等。为满足多装置、多材料、不同单位的示数教学要求，该实验箱内嵌入128个换算表，是目前相关产品中配备转换表数量最多的，减少了实训活动中查数据手持的麻烦。该表支持中华人民共和国国家标准GB/T 17394—1998《金属材料 里氏硬度试验》[2]及部分其他国家和地区的标准。

4）特色功能。实验箱不仅可以精确测量硬度值、存储数据，还具有强大的数据分析能力。该实验箱自带硬度转换计算器，方便查询转换各种材料硬度值，以及查看不同类型冲击装置之间的换算关系，拥有强大的数据处理及分析功能，包括显示平均值、标准差、最大值、最小值、粗大误差的判断、超限情况的判断及报警提示等信息。单组具有统计分析能力，包括平均值、平均值置信范围、最大值、最小值、极差、标准差、标准差置信范围峰度系数、偏度系数、合格率、测量值分布直方图、测量值正态分布检验、测量值均匀分布检验。还可以双组进行对比分析，进行均值显著性差异检验、标准差显著性差异检验、合格率显著性差异检验、分布显著性差异检验。

5）校准。实验箱设有测量计数功能，对测量次数进行累计。当打值超过1000～5000次（打值硬度不同，次数不同）后，需要对示数进行校准，这也是实验教学的一部分。该实验箱提供一点校准和两点校准两种校准方式，满足大多数教学要求。而这两种校准方式又可分为对单位和材料的独立校准和联合校准。同时，实验箱配置低、中、高三种校准标准块，方便实训中的打值校准学习。

6）打印。该实验箱配置微型打印机，可选择自动打印平均值或每测数值，还可手动选取要打印的某一次的数值。打印的数据可作为本次实训的实验报告使用。

设计框架 在实地调查一些院校的硬度测量实训后，将工厂、企业所用的硬度计的一些功能和模块进行优化改良，在操作和软件功能上力求设计一款适合教与学的硬度测量实验箱。软件功能总图如图4所示。

6 结束语

实验箱拥有大屏幕显示、编码转轮操作、多按键数量的快捷键盘、打印机、充電器、大容量电池，从而满足操作便捷、功能完备、持续工作时间长等功能要求。整个仪表采用箱式设计，方便实验员配置教学用具和对这些设备进行维护和管理，符合国家相关技术及安全标准。

参考文献

[1]王勇，欧阳杰，朱彤，等.现场里氏硬度计测量误差的影响因素分析[J].河北电力技术，2009（5）：31-33.

[2]李久林.GB/T 17394—1998 金属里氏硬度试验方法国家标准编制说明[J].冶金标准化与质量，1999（1）：8-15.