超聲硬度曲線的分段直線擬合
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發(fā)布日期：[2013-12-04] 共閱[1647]次 |
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(jì)數(shù)，以計(jì)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(jì)
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(jì)
軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)處理，采用“分段直線擬合”法，通過計(jì)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(jì)的逼近曲線則是固定的，這勢必會造成誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)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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