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便携式超声波硬度计介绍超声硬度测试方法基本原理

日期:2020-02-20 16:41
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摘要:
     便携式超声波硬度计已广泛应用于工农业生产、科学试验和国防建设中,它是研究材料的机械性能、选定加工工艺、保证产品质量的重要手段,准确进行硬度测试,对提高产品质量、降低原材料消耗都起着重要作用。随着新型材料的不断出现,便携式超声波硬度计越来越成为衡量产品性能质量的不可缺少的重要仪器,这就需要研制高精度、高效率、结构先进、实用方便的新型硬度计。
  近十年来,硬度的测试多基于压痕法,随着计算机的广泛应用,超声、磁等无损伤硬度测试方法已有了重大突破。目前,硬度测试可采用的方法很多,如直流矫顽力法、光栅法、磁栅法、发射法、超声传感器法等,其中光栅、磁栅法虽精度很高,但属于压痕法,对被测物表面损伤较大,成本也较高;直流矫顽力法需预先对被测物的材料、形状、尺寸和工作条件进行破坏性检验,以作出标准测量曲线,故只适用于大批同一零件的检验;发射法虽在无损检测方面潜力很大,但测试设备很复杂,在通用的测试中不易采用;超声传感器法是使传感器测头与被测件接触,在均匀的接触压力下,使传感器的谐振频率随压痕深度(即硬度)而改变,通过计量该频率的变化达到测量硬度的目的,该方法对被测件的损伤极小,为无损伤测量,同时采用机电转换的信号拾取方式,与上述其它方法相比具有很大的优越性。基于超声计量原理,研制出精度高、功能强的智能型数显超声硬度计。
1.1 传感器工作原理
  传感器由压电晶体、励磁线圈、传感器杆、金刚石锥体等组成,传感器杆一端与一个大质量刚体固定在一起,另一端镶有金刚石锥体压头。当压头与被测件不接触时(如图1a所示),处于自由振动状态,此时,传感器杆的固定端将是振动的波节点,压头端由于振幅*大而成为振动的波腹点,杆的长度等于振动波长的1/4,此时的频率就是传感器杆的自由振荡频率。当传感器杆的压头端完全被试件夹紧时(如图1c),理想情况下传感器杆的两端都将成为振动的波节点,杆的长度等于振动波长的1/2,此时的频率是压头端处于自由状态时的两倍。当压头压到被测件上时,则处于上述两种情况之间(如图1b).在固定负荷作用下,对于弹性模量相同的试件,硬度愈低,压痕愈深,振动的波长越小,杆的振动频率就越高。通过测量传感器杆振动频率的变化即可确定被测件的硬度。  需要指出的是,试件的弹性模量不同,也会影响传感器杆的振动状态,因此被测试块的弹性模量应与校准用的标准试块一致,以保证测试精度。
1.2 测头的激励振荡源及输出信号处理
    这是一个标准的正反馈振荡器,BG2输出的振荡电流流过测头中的线圈,产生的交变磁场推动传感器杆振动,杆的振动又作用在压电陶瓷上,由压电陶瓷输出一个经过“放大”的电信号(正弦信号),再正反馈到BG1,形成自激振荡。电路起振后,振荡频率主要由传感器中的杆负荷及弹簧弹性系数决定。
  测头的输出信号是峰值约为0.4V的近似正弦波信号,经放大整形后送入89C51的T0端计数,以计算该频率,数据处理后即可得到被测硬度值。 

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