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北京時代新天測控技術(shù)有限公司
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超聲硬度曲線的分段直線擬合

時間:2013-12-4閱讀:1640
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    1超聲硬度測試方法基本原理
    1.1傳感器工作原理
    傳感器由壓電晶體、勵磁線圈、傳感器桿、金剛石錐體等組成,傳感器桿一端與一個大質(zhì)量剛體固定在一起,另一端鑲有金剛石錐體壓頭。當(dāng)壓頭與被測件不接觸時(如圖1a所示),處于自由振動狀態(tài),此時,傳感器桿的固定端將是振動的波節(jié)點(diǎn),壓頭端由于振幅大而成為振動的波腹點(diǎn),桿的長度等于振動波長的1/4,此時的頻率就是傳感器桿的自由振蕩頻率。當(dāng)傳感器桿的壓頭端*被試件夾緊時(如圖1c理想情況下傳感器桿的兩端都將成為振動的波節(jié)點(diǎn),桿的長度等于振動波長的1/2,此時的頻率是壓頭端處于自由狀態(tài)時的兩倍。當(dāng)壓頭壓到被測件上時,則處于上述兩種情況之間(如圖1b)。在固定負(fù)荷作用下,對于彈性模量相同的試件,硬度愈低,壓痕愈深,振動的波長越小,桿的振動頻率就越高。通過測量傳感器桿振動頻率的變化即可確定被測件的硬度。 需要指出的是,試件的彈性模量不同,也會影響傳感器桿的振動狀態(tài),因此被測試塊的彈性模量應(yīng)與校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)試塊一致,以保證測試精度。),
    1.2測頭的激勵振蕩源及輸出信號處理
    這是一個標(biāo)準(zhǔn)的正反饋振蕩器,BG2輸出的振蕩電流流過測頭中的線圈,產(chǎn)生的交變磁場推動傳感器桿振動,桿的振動又作用在壓電陶瓷上,由壓電陶瓷輸出一個經(jīng)過“放大”的電信號(正弦信號),再正反饋到BG1,形成自激振蕩。電路起振后,振蕩頻率主要由傳感器中的桿負(fù)荷及彈簧彈性系數(shù)決定。
    測頭的輸出信號是峰值約為0.4V的近似正弦波信號,經(jīng)放大整形后送入89C的T0端計數(shù),以計算該頻率,數(shù)據(jù)處理后即可得到被測硬度值。51
    2系統(tǒng)硬件設(shè)計
    微處理器采用內(nèi)含4k字節(jié)快擦寫PEROM的8位單片機(jī)89C自管理系統(tǒng)由可編程接口芯片8279控制,鍵盤除設(shè)有“測量”、“存儲”、“平均”、“打印”、“布氏”、“洛氏”、“韋氏”等功能外,還增加了“+0.1”、“-0.1”、“+1”、“-1”等補(bǔ)償校正鍵,以便在測試前用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn),消除測頭參數(shù)差異及環(huán)境溫度變化造成的誤差,提高測試精度。測量結(jié)果還可根據(jù)需要打印輸出。51,
    3系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計的主導(dǎo)思想是:采用模塊化結(jié)構(gòu),大量調(diào)用子程序及中斷服務(wù)程序,盡量減少主程序內(nèi)容,使條理清晰,調(diào)試方便,并充分利用布爾處理功能,使程序運(yùn)轉(zhuǎn)靈活方便。
    上電后首先進(jìn)行自檢,一切正常時,顯示器顯示“0”,初始化為洛氏硬度。軟件設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)是檢測頻率信號的穩(wěn)定性,因?yàn)槿绻粶y試塊表面光潔度不夠或操作者操作不當(dāng)?shù)榷伎赡茉斐深l率抖動,這樣的頻率應(yīng)由計算機(jī)給予“剔除”,否則將造成很大誤差。另外,頻率從自由振蕩到有荷振蕩需要一段時間,這期間應(yīng)不予計數(shù),數(shù)據(jù)處理在定時器溢出中斷服務(wù)程序中完成,根據(jù)測得的頻率得到相應(yīng)的硬度值,再按要求查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的布氏、洛氏、韋氏硬度標(biāo)度后送顯示器顯示。
    4提高測量精度的智能化措施
    4.1超聲硬度曲線的分段直線擬合
    試件的硬度與超聲傳感器的輸出頻率成近似線性的反比例關(guān)系(如圖所示),為了逼(近函數(shù)曲線和便于計算機(jī)處理,采用“分段直線擬合”法,通過計算機(jī)利用語言對若干對原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)用小二乘法處理,找出佳分割點(diǎn)f1,f2,并歸納出各段的線性函數(shù):yi=aix+bi如圖5b所示)。其中測試時,微處理器將所測得的頻率與預(yù)先設(shè)置好的分割點(diǎn)f1和f2比較,測出該瞬時頻率所在的區(qū)域,然后將該頻率值代入該段函數(shù)關(guān)系式,即可得到硬度值。
    4.2面向標(biāo)準(zhǔn)試塊的校準(zhǔn)
    超聲傳感器測頭由于制造工藝等方面的因素,相互間存在一定的差異,而用軟件設(shè)計的逼近曲線則是固定的,這勢必會造成誤差。系統(tǒng)設(shè)計時對這一問題作了必要的考慮,即可以通過鍵盤上的“+0.1”、“-0.1”、“+1”、“-1”補(bǔ)償修正鍵輸入校準(zhǔn)值,微處理器對原始逼近曲線進(jìn)行修正,以實(shí)現(xiàn)新的佳逼近(如圖5c所示)。原理如下: 假定各段直線誤差為, 2, 3,曲線修正過程為:通過鍵盤將各段截距加上, 2,或,微處理器按下式找出新的分割點(diǎn)f311'1,f'2。其中,b'2、b'3為校準(zhǔn)后的截距值,f'2為修正后的分割點(diǎn),f'1的尋找基于同一原理。每按一次校準(zhǔn)鍵,微處理器執(zhí)行一次修正程序,每次都找出一組新的y'1,y'2,y'3和f'1,f'2.當(dāng)然,如果分割點(diǎn)取3個以上精度會更高,但軟件的復(fù)雜程度也隨之提高。實(shí)踐證明我們采用的這種處理方法,其精度足以滿足工程上的一般需要。
    這種校準(zhǔn)方法還有效地解決了測頭在很寬溫度范圍內(nèi)工作時本身的頻率“偏移”問題,因此,每次正式測量之前,只要用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn),就可以獲得很高的精度。
    5結(jié)論
    采用超聲傳感器研制的智能硬度計具有以下特點(diǎn):
    (1)以單片微處理器89C為核心,實(shí)現(xiàn)了軟硬件統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計,充分發(fā)揮軟件資源對測試信號進(jìn)行分析、加工,自動檢測系統(tǒng)各模塊功能,自動剔除錯誤信息和壞值,保證了每次測量結(jié)果的正確性。51
    (2)實(shí)現(xiàn)了硬件軟化,增加了許多新功能,如多點(diǎn)測量平均,結(jié)果打印,布、洛、韋轉(zhuǎn)換等。尤其是非線性直線擬合及面向標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)等智能技術(shù)的應(yīng)用,使系統(tǒng)精度明顯提高,分辨率為0.1HRC,實(shí)測精度達(dá)0.5HRC.
    (3)集成度高,結(jié)構(gòu)緊湊,硬軟件都采取必要的抗干擾措施,能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作。該硬度計交直流兩用,以適合野外作業(yè)。
    原理:在規(guī)定條件下,將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球)分2個步驟壓入試樣表面。卸除主試驗(yàn)力后,在初試驗(yàn)力下測量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖所示。
    1—在初始試驗(yàn)力F0下的壓入深度;2—在總試驗(yàn)力F0+F1下的壓入深度;3—去除主試驗(yàn)力F1后的彈性回復(fù)深度;4—殘余壓入深度h;5—試樣表面;6—測量基準(zhǔn)面;7—壓頭位置
    洛氏硬度值按下式計算:
    N-常數(shù),對于A、C、D、N、T標(biāo)尺,N=100;其他標(biāo)尺,N=130;
    h-殘余壓痕深度,mm;
    S-常數(shù),對于洛氏硬度,S=0.002mm,對于表面洛氏硬度,S=0.001mm。每一洛氏硬度單位對應(yīng)的壓痕深度,洛氏硬度為0.002mm,表面洛氏硬度為0.001mm。壓痕越淺,硬度越高。洛氏硬度試驗(yàn)分為2種,一種是普通洛氏硬度試驗(yàn),一種是表面洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和1.588mm、3.175mm鋼球三種壓頭,采用60kg、100kg、150kg三種試驗(yàn)力,它們共有九種組合,對應(yīng)于洛氏硬度的九個標(biāo)尺,即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和1.588mm鋼球2種壓頭,采用15kg、30kg、45kg三種試驗(yàn)力,它們共有六種組合,對應(yīng)于表面洛氏的六個標(biāo)尺,即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。
    操作規(guī)程:
    一 使用范圍
    試驗(yàn)時立按下表選用壓頭和總試驗(yàn)力:
    刻 度符 號 壓 頭 總試驗(yàn)力N(kgf) 標(biāo)注硬度 符號允許測量范圍
    B ∮1.588/mm鋼球 980.7(100) HRB20-100
    C 120°金鋼石 1471(150) HRC 20-70
    A 120°金剛石 588.4(60) HRA 20-88
    A標(biāo)尺:用于測定硬度超過70HRC的金屬(如碳化鎢,硬質(zhì)合金等), 也可測定硬的薄板材料以及表面淬硬的材料。
    C標(biāo)尺: 用于測定経過熱處理的鋼制品硬度。
    B標(biāo)尺: 用于測定較軟的或中等硬度的金屬以及未經(jīng)淬硬的鋼制品。
    (1)調(diào)整主試驗(yàn)力的加荷速度;(2)試驗(yàn)力的選擇(150KG:1471N 100KG/980.7N 60KG/588N));(3)小心安裝壓頭。
    2. 試驗(yàn)程序
    (1) 將絲杠頂面及工作臺上下端面擦凈,將工作臺置于絲杠臺上;
    (2)將試件支撐面擦凈置于工作臺上,旋轉(zhuǎn)手輪使工作臺緩慢上升并頂起壓頭,至小指針指向紅點(diǎn),大指針旋轉(zhuǎn)3圈垂直向上為止;
    (3) 旋轉(zhuǎn)指示器外殼,使C,B之間長刻線與大指針對正;
    (4)拉動加荷手柄,施加主試驗(yàn)力,指示器的大指針按逆時針方向轉(zhuǎn)動;
    (5) 當(dāng)指示針轉(zhuǎn)動停止下來后,即可將卸荷手柄推回,卸除主試驗(yàn)力;
    (6) 從指示器上相應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù);
    (7)轉(zhuǎn)動手輪使試件下降,再移動試件。按以上(2)-(6)步驟進(jìn)行新的試驗(yàn);
    (8) 試驗(yàn)結(jié)束后用防塵罩將機(jī)器蓋好。

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