基于力与位移同步跟踪的A型邵氏硬度计校准装置

吴向垒 陈明华 何广霖

技术应用

基于力与位移同步跟踪的A型邵氏硬度计校准装置

吴向垒1,2陈明华1,2何广霖1,2

（1.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东 广州 510405 2.广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

依照国家规程和国际标准，橡胶硬度计需要定期进行检定校准。为提高检定效率和准确性，采用力与位移同步测量技术，设计基于力与位移同步跟踪的橡胶硬度计校准装置，实现连续实时记录力与位移，并与理论值进行比较分析，从而实现多点校准。校准结果可以插补使用，并作为评价该仪器的依据。该装置主要应用于计量机构，可提高A型邵氏硬度计检定校准工作效率和可靠性。

硬度计；力校准；同步测量；硬度校准装置

0　引言

橡胶是一种有机高聚物，因具有优越的材料性能，广泛应用于工业领域。橡胶硬度是衡量橡胶制品质量的重要指标，主要反映材料的弹性形变，对橡胶配方、产品检验起到关键作用。不同硬度范围、形状样品与应用场合下，需使用不同的试验方法与评价指标[1]。目前，我国橡胶硬度测量大多数采用A型邵氏硬度计，其携带方便、测量迅速、操作简单，适用于现场橡胶硬度测量。

A型邵氏橡胶硬度测量方法执行GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第一部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》[2](idt ISO7619)。橡胶硬度计检定校准依据为JJG 304—2003《A型邵氏硬度计检定规程》[3]。

本文参照A型邵氏硬度计检定规程，结合校准过程，模拟橡胶弹性变形过程中力和位移同步进行的状态，参照作者近年检定校准的工作经验，针对仪器的误差来源、修正方式等要求，设计基于力与位移同步跟踪的A型邵氏硬度计校准装置。

1　装置原理

1.1 A型邵氏硬度计结构和关键参数

A型邵氏硬度计主要由压针、压足、试验力施加机构（弹簧）、压针伸出长度测量指示装置（位移测量装置）等组成，结构示意图如图1所示。

图1 A型邵氏硬度计结构示意图

依据JJG 304—2003检定规程，A型邵氏硬度计将定期使用合适的仪器对试验力和有关几何尺寸进行调整和校准。A型邵氏硬度计检定校准过程一般采用分部校准方法[1]。其示值误差主要来源于试验力、压针伸出量和压针尺寸，分部校准即校准上述3个关键参数。压针尺寸使用投影仪检定测量，本文不做讨论。本文主要研究试验力和压针伸出量同步校准方法。

1.2 跟踪校准装置理论基础

当压针压入橡胶试样时，试样硬度越高，反作用于压针的力越大，即弹簧所受压力越大，压针压入试样表面的深度越浅；相反，试样硬度越低，反作用于压针的力越小，即弹簧所受压力越小，压针压入试样表面的深度越深[3]。弹簧受到压力收缩产生的力即为试验力；压针压入橡胶试样表面的深度即压针伸出量。根据试验方法GB/T 531.1—2008，压针突出压足2.5 mm，硬度值= 0 HA；压针前端和压足在一个工作面，硬度值=100 HA；一个硬度值对应压针0.025 mm位移量。

A型邵氏硬度计测试公式为

=0.55+0.075(1)

式中，为试验力，单位N；为A型邵氏硬度值，单位HA。

由式(1)可导出式(2)

由式(2)可知：A型邵氏硬度计硬度值与试验力理论上呈线性关系。但实际上弹簧弹性系数无法保证是常数，因此需对A型邵氏硬度计定期校准[4]。

校准过程：A型邵氏硬度计固定在测试台，上升测力仪；在测力仪上施加硬度计试验力，并在硬度计示值（20～100）HA范围内均匀分布5个点，读取硬度计进程时不同示值的试验力；每个点以进程方向测量3次，记录每点试验力结果作为试验力校准数据；同步跟踪、连续记录试验力和位移，获得连续的试验力结果。

2 同步跟踪校准装置结构

基于力与位移同步跟踪的橡胶硬度计校准装置结构示意图如图2所示，由测力传感器、移动传动机构、微调旋钮、Renishaw光栅尺、交叉滚子导轨等构成。其中，微调旋钮、移动传动机构和交叉滚子导轨构成直线位移结构。

校准过程：被校准A型邵氏硬度计固定在校准工作台，测力传感器和位移传感器的移动侧刚性连接；调节微调旋钮使硬度计示值到开始校准硬度值10 HA，作为校准起点；匀速移动直线位移结构，带动测力传感器和位移传感器；软件记录测力传感器和压针位移数据，存储到系统中，并导出表1。

图2 基于力与位移同步跟踪的橡胶硬度计校准装置结构示意图

表1 装置的数据结果及合格判断

表1中，第1列硬度值是Renishaw光栅尺采集的数据转换为硬度值HA；第2列标称力值是理论硬度值HA导出的理论力值；第3列试验力是测力传感器记录实际数据；第4列力偏差是测力传感器记录的力值和理论力值差值；第5列示值是硬度计示值；第6列是示值偏差。根据JJG 304—2003检定规程，第4列力偏差和第6列示值偏差为判断硬度计是否合格的指标。

为满足计量检定要求和实际操作，装置做了相应改进。GB/T 531.1—2008试验方法规定硬度计有1个预压载力，即A型邵氏硬度为0.0 HA时，试验力为0.55 N，而位移0.0很难被观察到。为此，装置从10 HA开始进行记录力和位移。为避免位移测量误差导致试验力不准确，采用反射式Renishaw光栅尺测量位移，光栅尺移动片与压针刚性连接，从而避免测力传感器变形量对位移测量的影响。

3 结论

基于力与位移同步跟踪的橡胶硬度计校准装置可满足A型邵氏硬度计检定规程，实现同步连续记录压针位移量和弹簧力值，推导出硬度计示值对应的连续参数，计算力和位移偏差值，生成数据表可以用于硬度计使用过程硬度值修正。

该装置提高了A型邵氏橡胶硬度计检定校准可靠性和工作效率，可在计量校准机构进行推广应用。

[1] 陈明华,吴向垒.橡胶硬度本质的探讨[J].中国计量，2012(7),74-75.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 531.1—2008硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计（邵尔硬度）[S].北京:中国标准化出版社,2008.

[3] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 304—2003 A型邵氏硬度计检定规程[S].北京:中国计量出版社,2003.

[4] 陈明华,吴向垒.橡胶硬度测试方法发展动态与分析[J].上海计量测试,2012,39(4),2-4,9.

[5] 潘嘉声,陈明华,吴向垒.空气静压轴承在橡胶国际硬度测量装置的应用研究[J].中国测试,2014,40(4):20-22.

[6] 《计量测试技术手册》委员会.计量测试技术手册.第4卷,力学（一）[M].北京:中国计量出版社,1996.

Calibration Device of A Type Shore Hardness Tester Based on Synchronous Tracking of Force and Displacement

Wu Xianglei1,2Chen Minghua1,2He Guanglin1,2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology, Guangzhou 510405, China 2.Guangdong Institute of Metrology, Guangzhou 510403, China)

According to national regulations and international standards, rubber hardness tester needs to be calibrated regularly. In order to improve the efficiency and accuracy of the verification, the synchronous measurement technology of force and displacement is used to realize continuous real-time recording of force and displacement, and to compare and analyze with the theoretical value, so as to achieve multi-point calibration. The calibration results can be imputed and used as the basis for evaluating the instrument. The device can meet verification regulation, and is mainly used in the metrological organization. It can improve the verification and calibration efficiency and reliability of Shore A hardness tester.

durometer; force calibration; synchronous measurement; hardness calibration device

吴向垒，男，1984年生，研究生，工程师，主要研究方向：橡胶硬度、精密仪器检测。E-mail: wuxianglei@foxmail.com

陈明华，男，1964年3月，研究生，教授级高工，主要研究方向：橡胶硬度和计量基础理论。E-mail: cmh@scm.com.cn

何广霖，男，1962年生，本科，高级工程师，主要研究方向：橡胶硬度、精密仪器检测。E-mail: levi200107@163.com

TG83

A

1674-2605(2020)03-0010-03

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.010