RU2042942C1 - Electroacoustic hardness gauge - Google Patents

Electroacoustic hardness gauge Download PDF

Info

Publication number
RU2042942C1
RU2042942C1 RU92002157A RU92002157A RU2042942C1 RU 2042942 C1 RU2042942 C1 RU 2042942C1 RU 92002157 A RU92002157 A RU 92002157A RU 92002157 A RU92002157 A RU 92002157A RU 2042942 C1 RU2042942 C1 RU 2042942C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
hardness
indenter
rod
Prior art date
Application number
RU92002157A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU92002157A (en
Inventor
В.Н. Брызгало
Р.С. Карташевич
А.К. Тугенгольд
Original Assignee
Малое внедренческое научно-производственное предприятие "Политехник"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Малое внедренческое научно-производственное предприятие "Политехник" filed Critical Малое внедренческое научно-производственное предприятие "Политехник"
Priority to RU92002157A priority Critical patent/RU2042942C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2042942C1 publication Critical patent/RU2042942C1/en
Publication of RU92002157A publication Critical patent/RU92002157A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: inspection of materials. SUBSTANCE: electroacoustic hardness gauge has rod with indenter, piezoexciter and piezoreceiver mounted on rod and connected correspondingly to generator of oscillations and unit for processing and recording of signals. Unit is manufactured in the form of electron phase meter and computer which computes hardness of material with allowance for measured phase of signal. Indicators of testing results are connected across output of computer. EFFECT: improved authenticity of hardness measurements. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к испытательной технике неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов, преимущественно микротвердости изделий, путем вдавливания индентора в испытуемую поверхность. The invention relates to a testing technique for non-destructive testing of the physicomechanical properties of materials, primarily microhardness of products, by pressing an indenter into the test surface.

Известен переносной твердомер [1] который содержит электроакустический стержневой преобразователь контролируемого импеданса с индентором на рабочем конце и электронную схему оригинального исполнения. Принцип действия твердомера основан на зависимости частоты автоколебаний нагруженного электроакустического преобразователя от механического реактанса контролируемой поверхности изделий. Known portable hardness tester [1] which contains an electro-acoustic rod transducer of controlled impedance with an indenter at the working end and an electronic circuit of the original design. The principle of operation of the hardness tester is based on the dependence of the frequency of self-oscillations of the loaded electro-acoustic transducer on the mechanical reactance of the controlled surface of the products.

Основным недостатком известного твердомера является низкая точность измерения, обусловленная слабо выраженной зависимостью частоты автоколебаний от активной составляющей контролируемого импеданса, т.е. от микротвердости изделия в зоне контакта. The main disadvantage of the known hardness tester is the low measurement accuracy due to the weakly expressed dependence of the self-oscillation frequency on the active component of the controlled impedance, i.e. from the microhardness of the product in the contact zone.

Более высокой чувствительностью электроакустического преобразователя к параметру твердости контролируемых изделий обладают амплитудно зависимые твердомеры [2]
В них используют обратно пропорциональную зависимость между значением активной части контролируемого импеданса в зоне контакта с индентором и амплитудой его колебаний скорости на резонансной частоте. Причем, амплитуду тестовой силы возбуждения колебаний, приложенной к индентору, поддерживают постоянной. При этих условиях амплитуда колебательной скорости нагруженного индентора определяется добротностью системы, которая в свою очередь зависит от микротвердости зоны контакта датчика твердомера с контролируемой поверхностью.
Amplitude-dependent hardness testers have a higher sensitivity of the electro-acoustic transducer to the hardness parameter of the controlled products [2]
They use an inversely proportional relationship between the value of the active part of the controlled impedance in the zone of contact with the indenter and the amplitude of its velocity fluctuations at the resonant frequency. Moreover, the amplitude of the test oscillation excitation force applied to the indenter is kept constant. Under these conditions, the amplitude of the vibrational velocity of the loaded indenter is determined by the quality factor of the system, which in turn depends on the microhardness of the contact zone of the hardness gage sensor with the controlled surface.

Недостатком известного способа твердометрии и устройства для его осуществления является нелинейное влияние на результаты измерения твердости величины модуля упругости контролируемых материалов. С целью снижения этого влияния применяют сложную конструкцию датчика электроакустического преобразователя твердости, обладающего высокой добротностью на резонансной частоте автоколебаний. Это снижает технологичность изготовления и эффективность использования твердомеров для прецизионного адеструктивного контроля твердости материалов. A disadvantage of the known method of solidometry and a device for its implementation is the nonlinear effect on the results of measuring the hardness of the elastic modulus of the controlled materials. In order to reduce this effect, the complex design of the sensor of the electro-acoustic hardness transducer is used, which has a high quality factor at the resonant frequency of self-oscillations. This reduces the manufacturability and efficiency of the use of hardness testers for precision and destructive control of the hardness of materials.

Кроме того, известное решение не обеспечивает контроля модуля упругости изделий и измерения твердости материалов с заранее неизвестными упругими свойствами. Наконец, амплитудозависимый способ измерения микротвердости обладает узким диапазоном измерения вследствие ограниченного динамического диапазона контролируемых амплитуд колебательной скорости. При уменьшении измеряемых амплитуд ниже допустимого значения (например, при контроле пограничных значений твердости на краях рабочего диапазона) наблюдается срыв автоколебаний за счет разбаланса фаз и амплитуд автоколебательной системы преобразователя. In addition, the known solution does not provide control of the modulus of elasticity of products and measure the hardness of materials with previously unknown elastic properties. Finally, the amplitude-dependent microhardness measurement method has a narrow measurement range due to the limited dynamic range of the controlled amplitudes of the vibrational velocity. When the measured amplitudes decrease below the permissible value (for example, when controlling the boundary values of hardness at the edges of the working range), self-oscillations are disrupted due to the imbalance of phases and amplitudes of the self-oscillating system of the converter.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и получаемому эффекту является твердомер [3] который основан на известном фазозависимом методе измерения твердости и содержит электроакустический стержневой преобразователь с конструктивно совмещенными пьезоэлектрическими возбудителем и приемником колебаний, а также электронную схему. Преобразователь выполнен в корпусе и содержит стержень с индентором на рабочем конце, пружину взаимодействия между стержнем и корпусом и укрепленный на стержне пьезоэлектрический приемовозбудитель колебаний с одним общим и двумя раздельными электродами. Электронная схема содержит подключенный своими входами к электродам пьезоэлемента фазометр, один из входов которого соединен с выходом генератора высокочастотных колебаний, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, первый вход которого соединен с выходом фазометра, причем между вторыми входом и выходом блока управления подключен приводной механизм индентора. The closest to the proposed technical essence and the obtained effect is a hardness tester [3] which is based on the well-known phase-dependent method for measuring hardness and contains an electro-acoustic rod transducer with structurally combined piezoelectric exciter and vibration receiver, as well as an electronic circuit. The transducer is made in the housing and contains a rod with an indenter at the working end, an interaction spring between the rod and the housing, and a piezoelectric vibration exciter mounted on the rod with one common and two separate electrodes. The electronic circuit contains a phase meter connected to its inputs to the piezoelectric electrodes, one of the inputs of which is connected to the output of a high-frequency oscillation generator, the control input of which is connected to the first output of the control unit, the first input of which is connected to the output of the phase meter, and a drive is connected between the second input and output of the control unit indenter mechanism.

Твердомер регистрирует фазовый сдвиг между гармоническими сигналами возбуждающей автоколебания индентора силы и его колебательной скоростью в нагруженном на контролируемое изделие режиме. Твердость изделий определяют на основании измеренного фазового сдвига по эмпирически полученным результатам предварительной калибровки на образцах с известными реологическими свойствами. The hardness tester registers the phase shift between the harmonic signals of the exciting self-oscillation of the force indenter and its vibrational velocity in the mode loaded on the controlled product. The hardness of the products is determined on the basis of the measured phase shift according to empirically obtained results of preliminary calibration on samples with known rheological properties.

Прототип обеспечивает высокое быстродействие за счет безынерционного характера установления фазовых соотношений между этими сигналами при измерениях. Процесс контроля твердости изделий легко автоматизируется за счет непосредственного сопряжения измерительной схемы с исполнительным механизмом привода датчика. В совокупности эти два обстоятельства способствуют обеспечению высокой производительности твердометрии на принципиальной основе прототипа, например, в составе роботизированных комплексов контроля качества производства изделий. The prototype provides high speed due to the inertialess nature of establishing phase relationships between these signals during measurements. The process of controlling the hardness of products is easily automated due to the direct coupling of the measuring circuit with the actuator drive of the sensor. Together, these two circumstances contribute to ensuring high performance solidometry on the principle basis of the prototype, for example, as part of robotic complexes for controlling the quality of production of products.

Недостатком прототипа является необходимость предварительной калибровки характеристики преобразования твердомера по образцам с известными твердостью и модулем упругости и отсутствие аналитической зависимости для экстраполяции передаточной характеристики твердомера по калибровочным точкам. The disadvantage of the prototype is the need for preliminary calibration of the conversion characteristics of the hardness tester for samples with known hardness and elastic modulus and the absence of an analytical relationship for extrapolating the transfer characteristics of the hardness tester to calibration points.

Недостатком является также узкий диапазон контроля твердости вследствие фазовых ограничений по устойчивому самовозбуждению автоколебаний преобразователя. Кроме этого, диапазон работоспособности твердомера ограничен также амплитудной зависимостью колебательной скорости индентора от реологических свойств контролируемых материалов. Все это затрудняет обеспечение баланса фаз и амплитуд автоколебательной системы преобразователя твердости и ограничивает диапазон контролируемого механического реактанса изделий. The disadvantage is the narrow range of hardness control due to phase restrictions on the stable self-excitation of the oscillations of the Converter. In addition, the range of hardness tester’s performance is also limited by the amplitude dependence of the indenter vibrational velocity on the rheological properties of the controlled materials. All this makes it difficult to balance the phases and amplitudes of the self-oscillating system of the hardness transducer and limits the range of controlled mechanical reactance of the products.

Наконец, недостатком прототипа является принципиальная невозможность одновременного контроля реактивной составляющей (модуля упругости) испытываемых материалов и/или контроля твердости изделий с заранее неизвестными упругими свойствами (неизвестным модулем упругости). Finally, the disadvantage of the prototype is the fundamental impossibility of simultaneously controlling the reactive component (elastic modulus) of the tested materials and / or controlling the hardness of products with previously unknown elastic properties (unknown elastic modulus).

Цель изобретения повышение точности и расширение диапазона измерения твердости материалов с любым, в том числе заранее неизвестным модулем упругости, обеспечение возможности одновременного измерения твердости и модуля упругости контролируемых материалов и повышение эксплуатационной надежности твердомера за счет исключения срывов автоколебательного процесса при нагружении индентора на изделия с запредельными для прототипа значениями контролируемых реологических параметров. The purpose of the invention is to increase accuracy and expand the range of measurement of hardness of materials with any, including a previously unknown elastic modulus, to enable simultaneous measurement of hardness and elastic modulus of controlled materials and to increase the operational reliability of the hardness tester by eliminating disruptions in the self-oscillating process when the indenter is loaded onto products with prototype values controlled rheological parameters.

Цель достигается тем, что известный твердомер, содержащий корпус электроакустического преобразователя, стержень с индентором, взаимодействующую между корпусом и стержнем пружину, установленные на стержне пьезоэлектрический приемник и возбудитель колебаний, имеющие один общий заземляющий электрод и два раздельных электрода возбудителя и приемника колебаний, подключенный своими входами к этим электродам фазометр, выход которого подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора, выход которого подключен к электроду пьезоэлемента возбудителя колебаний, исполнительный механизм привода индентора, включенный между вторыми входом и выходом блока управления, дополнительно снабжен вычислителем, первым и вторым индикаторами, одновибратором и амплитудным детектором, вход которого подключен к электроду пьезоприемника колебаний, а выход к третьему входу блока управления и первому выходу вычислителя, второй вход которого соединен с выходом генератора, третий с выходом фазометра, а первый и второй выходы вычислителя соединены соответственно с первым и вторым индикатором, причем первый выход вычислителя соединен также с входом управления одновибратора, информационный вход которого подключен к входу управления генератором, а выход к входу синхронизации вычислителя. The goal is achieved by the fact that the known hardness tester comprising an electro-acoustic transducer housing, a rod with an indenter, a spring interacting between the housing and the rod, a piezoelectric receiver and a vibration exciter installed on the rod, having one common ground electrode and two separate exciter and vibration electrodes connected by its inputs to these electrodes a phase meter whose output is connected to the first input of the control unit, the first output of which is connected to the control input of the generator , the output of which is connected to the piezoelectric electrode of the oscillation exciter, the actuator of the indenter drive, connected between the second input and output of the control unit, is additionally equipped with a calculator, first and second indicators, a single vibrator and an amplitude detector, the input of which is connected to the electrode of the piezoelectric receiver of oscillations, and the output to the third the input of the control unit and the first output of the calculator, the second input of which is connected to the output of the generator, the third with the output of the phase meter, and the first and second outputs of the calculator with unified respectively with said first and second indicator, the first output of the calculator is also connected to the monostable control input, an information input of which is connected to the control input of the generator, and the output to the input of the calculator synchronization.

Цель достигается и тем, что генератор высокочастотных колебаний выполнен в виде автогенератора гармонического сигнала постоянной частоты. The goal is achieved by the fact that the generator of high-frequency oscillations is made in the form of a self-oscillator of a harmonic signal of constant frequency.

Кроме того, цель достигается и тем, что одновибратор выполнен таким образом, что длительность формируемого им импеданса задержки информационного сигнала обратно пропорциональна напряжению на его управляющем входе. In addition, the goal is achieved by the fact that the one-shot is made in such a way that the duration of the impedance of the delay of the information signal generated by it is inversely proportional to the voltage at its control input.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена схема твердомера. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a hardness tester.

Электроакустический твердомер содержит датчик в составе стержня 1 с индентором 2 на рабочем конце и пружиной 3, взаимодействующей между стержнем 1 и корпусом 4 датчика. На стержне 1 укреплены пьезоэлектрический приемовозбудитель 5 акустических колебаний, выполненный с раздельными электродами приемника и возбудителя и общим заземляющим электродом. Электронная схема твердомера содержит подключенный своими входами к электродам приемо-возбудителя 5 фазометр 6, вход пьезовозбудителя которого подключен к выходу генератора 7, а вход пьезоприемника к входу амплитудного детектора 8. Первый и третий входы блока управления 9 соединены с выходами соответственно фазометра 6 и амплитудного детектора 8, а исполнительный механизм 10 привода индентора подключен между вторыми входом и выходом блока 9. Причем, первый выход блока 9 соединен с входом управления генератора 7 и информационным входом одновибратора 11, выход которого подключен к входу синхронизации вычислительного блока 12. Первый, второй и третий входы блока 12 подключены соответственно к выходам амплитудного детектора 8, генератора 7 и фазометра 6, а первый и второй выходы блока 12 соответственно к первому 13 и второму 14 индикаторам. Причем, первый выход блока 12 подключен также к входу управления одновибратора 11. Контролируемое изделие 15. Electro-acoustic hardness tester contains a sensor in the composition of the rod 1 with an indenter 2 at the working end and a spring 3 interacting between the rod 1 and the housing 4 of the sensor. On the rod 1 are mounted a piezoelectric pickup exciter 5 of acoustic vibrations made with separate electrodes of the receiver and exciter and a common grounding electrode. The electronic circuit of the hardness tester contains a phasometer 6 connected to its inputs to the exciter-exciter 5, the input of the piezoelectric exciter of which is connected to the output of the generator 7, and the input of the piezoelectric receiver to the input of the amplitude detector 8. The first and third inputs of the control unit 9 are connected to the outputs of the phase meter 6 and the amplitude detector 8, and the actuator 10 of the indenter drive is connected between the second input and output of block 9. Moreover, the first output of block 9 is connected to the control input of generator 7 and the information input of one brother 11, the output of which is connected to the synchronization input of computing unit 12. The first, second and third inputs of block 12 are connected respectively to the outputs of the amplitude detector 8, generator 7 and phase meter 6, and the first and second outputs of block 12, respectively, to the first 13 and second 14 indicators . Moreover, the first output of block 12 is also connected to the control input of the single-shot 11. The controlled product 15.

Электроакустический твердомер работает следующим образом. Electro-acoustic hardness tester works as follows.

С выхода генератора 7 тестовая частота ωо амплитудой Fo через электрод пьезовозбудителя 5, акустический стержень 1 и индентор 2 воздействует на контролируемое изделие 15. В отличие от прототипа тестовую частоту ωо выбирают постоянной и независимой от контролируемого механического импеданса.From the output of the generator 7, the test frequency ω about the amplitude F o through the piezoelectric exciter electrode 5, the acoustic rod 1 and indenter 2 acts on the controlled product 15. In contrast to the prototype, the test frequency ω о is chosen constant and independent of the controlled mechanical impedance.

Реакцию нагруженного на контролируемое изделие индентора 2 в виде пропорционального его колебательной скорости сигнала получают на электроде пьезоприемника 5. Сдвиг фазы между гармоническими сигналами возбуждения индентора 2 и его реакцией измеряют фазометром 6, подключенным между электродами пьезоэлемента 5. The reaction of the indenter 2 loaded onto the controlled product in the form of a signal proportional to its vibrational velocity is obtained at the electrode of the piezoelectric receiver 5. The phase shift between the harmonic excitation signals of the indenter 2 and its reaction is measured by a phase meter 6 connected between the electrodes of the piezoelectric element 5.

Управление приводом 10 индентора 2 осуществляют аналогично как в прототипе. До возникновения контакта поверхности контролируемого изделия 15 с индентором 2 его сближение осуществляют при малой амплитуде тестовой силы с выхода генератора 7 частотой ωо. В момент контакта вследствие изменения добротности колебательной системы с нагруженным на изделие индентором 2, блок управления 9 по сигналу с выхода фазометра 6 формирует сигнал на привод 10 о нагружающем перемещении датчика на величину Δ Х, обеспечивающей нормальное давление индентора 2 за счет сжатия пружины 3. Кроме того, формируется управляющий сигнал на генератор 7, переключающий его в режим измерения с номинальной амплитудой тестовой силы Fo частотой ωо.The control of the drive 10 of the indenter 2 is carried out similarly as in the prototype. Before the contact of the surface of the controlled product 15 with the indenter 2 occurs, its rapprochement is carried out at a small amplitude of the test force from the output of the generator 7 with a frequency of ω about . At the moment of contact, due to a change in the quality factor of the oscillating system with the indenter 2 loaded on the product, the control unit 9 generates a signal to the actuator 10 about the loading movement of the sensor by the value Δ X by the signal from the output of the phasemeter 6, which ensures the normal pressure of the indenter 2 due to compression of the spring 3. In addition In addition, a control signal is generated to the generator 7, switching it into a measurement mode with a nominal amplitude of the test force F o frequency ω o .

Дополнительно в изобретении измеряют амплитуду колебательной скорости индентора 2. Для этого к пьезоприемнику 5 подключен амплитудный детектор 8. В момент контакта индентора 2 с поверхностью контролируемого изделия 15 за счет изменения добротности колебательной системы электроакустического датчика твердости кроме указанного скачка сдвига фазы измерительных сигналов, наблюдается изменение амплитуды колебательной скорости. Это изменение служит дополнительным критерием для определения момента контакта. Additionally, in the invention, the amplitude of the vibrational speed of the indenter 2 is measured. For this, an amplitude detector 8 is connected to the piezo receiver 5. At the moment of indenter 2 contacting the surface of the controlled product 15 due to a change in the quality factor of the oscillating system of the electro-acoustic hardness sensor, in addition to the indicated jump in the phase shift of the measuring signals, the amplitude changes vibrational speed. This change serves as an additional criterion for determining the moment of contact.

Сигнал с выхода детектора 8 подают на дополнительный вход блока управления 9 с целью повышения достоверности идентификации контакта и включения программы привода 10 индентора 2 по описанной схеме. The signal from the output of the detector 8 is fed to an additional input of the control unit 9 in order to increase the reliability of the identification of the contact and enable the drive program 10 of the indenter 2 according to the described scheme.

Кроме того, измеренная детектором 8 амплитуда колебательной скорости Vв индентора 2 в нагруженном режиме является одним из аргументов для определения искомых твердости и модуля упругости контролируемых изделий. Искомые параметры зависят также от измеренного в фазометре 6 фазового сдвига φх между сигналами возбуждения и реакции индентора на тестовое воздействие от амплитуды Fо и частоты ωотестового сигнала с выхода генератора 7.In addition, the amplitude of the vibrational velocity V measured in the detector 8 in the indenter 2 in the loaded mode is one of the arguments for determining the desired hardness and elastic modulus of the controlled products. The required parameters also depend on the phase shift φ x measured in the phasemeter 6 between the excitation signals and the indenter response to the test effect on the amplitude F о and frequency ω о of the test signal from the output of the generator 7.

Таким образом на информационных первом, втором и третьем входах вычислительного блока 12 формируют измерительные сигналы, пропорциональные соответственно амплитуде колебательной скорости Vв нагруженного на контролируемое изделие индентора 2 с выхода амплитудного детектора 8, амплитуде Fo и частоте ωо тестового сигнала возбуждения индентора 2 с выхода генератора 7, фазового сдвига φх между гармоническими сигналами возбуждения индентора 2 и его колебательной скорости с выхода фазометра 6. Эти промежуточные параметры преобразования являются аргументами для определения искомых микротвердости Rх и модуля упругости Ех контролируемого материала. Связывающую их аналитическую зависимость (алгоритм преобразования) получают следующим образом.Thus, at the informational first, second, and third inputs of the computing unit 12, measuring signals are generated that are proportional to the amplitude of the vibrational velocity Vv of the indenter 2 loaded onto the controlled product from the output of the amplitude detector 8, the amplitude F o and the frequency ω о of the test signal of the indenter 2 from the generator output 7, the phase shift φ x between the harmonic signals of the indenter 2 excitation and its vibrational velocity from the output of the phasemeter 6. These intermediate transformation parameters are arguments for determining the desired microhardness R x and elastic modulus E x of the controlled material. The analytical dependence connecting them (transformation algorithm) is obtained as follows.

Возбуждающий акустический стержень тестовый гармонический сигнал описывается выражением
F(t) Fo ˙ sin ω t, (1) где Fo, ωo амплитуда и частота тестового сигнала.
The exciting acoustic rod test harmonic signal is described by the expression
F (t) F o ˙ sin ω o˙ t, ( 1) where F o, ω o amplitude and frequency of the test signal.

В точке контакта индентора с контролируемым материалом за счет конечного времени распространения акустических колебаний в стержне наблюдается фазовая задержка Δφо тестового сигнала. Кроме того, в стержне происходит затухание акустической волны с постоянной времени αо. Это описывается выражением
Fx(t) Fo ˙eot˙sin(ωo˙t Δφ o). (2)
В ненагруженном акустическом стержне без потерь, т.е. при αо 0, что удовлетворяется реальными акустическими преобразователями твердости, фазовая задержка Δφо имеет постоянное значение, определяемое акустической длиной стержня и скоростью распространения в нем колебаний. Для стержня определенной длины, выполненного из материала с известными плотностью и акустическим сопротивлением, фазовая постоянная Δφо на фиксированной частоте ωо тестового сигнала в более удобном для анализа виде может быть выражена через постоянную времени τхо(

Figure 00000001
) задержки распространения акустической волны в пересчете к известной длине стержня. При этом в операторной форме выражение (2) на основании известного преобразования Лапласса можно записать в виде
Fx(p)=F
Figure 00000002

(3) где Р оператор Лапласса.At the point of contact of the indenter with the controlled material due to the finite propagation time of acoustic vibrations in the rod, a phase delay Δφ of the test signal is observed. In addition, the attenuation of the acoustic wave with a time constant α о occurs in the rod. This is described by the expression
F x (t) F o ˙e o t ˙sin (ω o ˙t Δφ o ). (2)
In an unloaded acoustic rod without losses, i.e. when α о 0, which is satisfied by real acoustic hardness transducers, the phase delay Δφ о has a constant value determined by the acoustic length of the rod and the speed of propagation of vibrations in it. For a rod of a certain length made of a material with known density and acoustic resistance, the phase constant Δφ о at a fixed frequency ω о of the test signal in a more convenient form for analysis can be expressed in terms of the time constant τ хо (
Figure 00000001
) the propagation delay of the acoustic wave in terms of the known length of the rod. Moreover, in operator form, expression (2) based on the well-known Laplace transform can be written as
F x (p) = F
Figure 00000002

(3) where P is the Laplace operator.

Постоянный для каждого акустического стержня параметр τхо (или соответствующая ему постоянная фазовая задержка Δφо) может быть получен аналитически. Однако, как это будет показано ниже, по этому параметру просто и достаточно провести калибровку датчика при настройке твердомера.The constant for each acoustic rod parameter τ хо (or the corresponding constant phase delay Δφ о ) can be obtained analytically. However, as will be shown below, using this parameter it is simple and sufficient to calibrate the sensor when setting up the hardness tester.

Контролируемый механический импеданс имеет комплексный характер и описывается выражением
Zx(j·ωo)=Rx+j·ωo·Mo +

Figure 00000003

(4) где Zх полное сопротивление контролируемого импеданса;
Rх его активная составляющая (контролируемая твердость);
Eх модуль упругости контролируемого материала;
Мо колебательная масса подвижной системы преобразователя твердости;
ωо угловая тестовая частота.The controlled mechanical impedance is complex and is described by the expression
Z x (j · ω o ) = R x + j · ω o · M o +
Figure 00000003

(4) where Z x is the impedance of the controlled impedance;
R x its active component (controlled hardness);
E x modulus of elasticity of the controlled material;
M about the vibrational mass of the movable system of the hardness Converter;
ω о angular test frequency.

В оперативной форме (4) запишется в виде
Zx(P)=M

Figure 00000004

(5)
На основании известного соотношения, колебательную скорость нагруженного на контролируемое изделие индентора определим как отношение возбуждающей индентор тестовой силы и полному реактору контролируемого изделия по формуле
vx(P)
Figure 00000005
Figure 00000006

(6) где λx=
Figure 00000007
(7)
диссипативный коэффициент затухания колебательной энергии преобразователя на активном сопротивлении (твердости) контролируемого импеданса;
ωx
Figure 00000008
Figure 00000009
(8)
собственная резонансная частота колебаний преобразователя твердости;
ωE
Figure 00000010
(9)
частота реактивного резонанса преобразователя твердости.In operational form (4) is written as
Z x (P) = M
Figure 00000004

(5)
Based on the known relation, the vibrational speed of the indenter loaded on the controlled product is defined as the ratio of the test force exciting the indenter to the complete reactor of the controlled product according to the formula
v x (P)
Figure 00000005
Figure 00000006

(6) where λ x =
Figure 00000007
(7)
dissipative attenuation coefficient of the vibrational energy of the converter on the active resistance (hardness) of the controlled impedance;
ω x
Figure 00000008
Figure 00000009
(8)
natural resonant frequency of oscillation of the hardness transducer;
ω E
Figure 00000010
(nine)
hardness transducer resonance frequency.

Обратное преобразование Лапласса для выражения (6) позволяет определить колебательную скорость нагруженного на контролируемый импеданс индентора электроакустического преобразователя твердости во временной форме в виде
vx(t)

Figure 00000011
Ao·e
Figure 00000012
sin(ωxt+αx)+Bo·sin(ωot+φx)
Figure 00000013

(10)
Как видно из (10), возбужденные во внедренном инденторе акустические колебания носят сложный гармонический характер и состоят из двух составляющих. Во-первых, это затухающие с постоянной времени λxколебания на собственной резонансной частоте ωх преобразователя, во-вторых, это незатухающие вынужденные колебания на тестовой частоте ωо генератора 7 возбуждения твердомера. Учитывая, что затухающая составляющая колебательной скорости индентора с амплитудой Ао стремится к нулю и через интервал времени
Tизм
Figure 00000014
(11) после возбуждения индентора тестовой частотой ωо становится пренебрежимо малой, информационный сигнал колебательной скорости в установившемся режиме переходного процесса в инденторе можно записать в виде
vx.уст(t)
Figure 00000015
Bo·sin(ωot+φx)
(12)
Здесь параметры амплитуды Во и фазы φх имеют следующие значения, полученные на основании справочных данных
Bo=
Figure 00000016
Figure 00000017

(13)
φx -arctg
Figure 00000018
+ arctg
Figure 00000019
2
Figure 00000020
-Δφo+arctg
Figure 00000021
2
Figure 00000022

(14)
При этом амплитуда установившегося значения колебательной скорости при условии (11) и ее фазовый параметр будут равны соответственно
VB
Figure 00000023

(15)
tg(φx+Δφo)=tgηx=2
Figure 00000024
(16)
Подставляя значения для ωЕ 2 ω о 2 из (16) в (15) получим
VB
Figure 00000025
Figure 00000026
sinηx
(17) откуда в окончательном виде алгоритм измерения твердости запишем в виде
Rx
Figure 00000027
sinηx (18)
Модуль упругости Ех контролируемого материала при этом определим на основании (9) и 16
Ex=Mo·ω 2 o +
Figure 00000028
cosηx (19)
Таким образом, выявлено, что контролируемая микротвердость изделия Rx в зоне нагруженного контакта с индентором электроакустического преобразователя оказывается пропорциональной произведению амплитуды тестовой силы Fо, возбуждающей в инденторе колебания на частоте ωо на синус угла фазового сдвига ηх между гармоническими сигналами этой тестовой силы и реакцией индентора на тестовое возбуждение в виде его колебательной скорости, и обратно пропорциональна амплитуде Vв этой скорости в установившемся режиме, т.е. через интервал времени Тизмустановления режимов колебания согласно (11). При этом амплитуда Vвоказывается независимой от акустической длины стержня преобразователя и времени τхо задержки в нем распространения волны тестовых колебаний. Упомянутый параметр τхо косвенно участвует в алгоритме преобразователя (18) в виде зависимого от него начального фазового сдвига Δφо незащемленного индентора согласно (14). Последний измеряют в режиме холостого хода ненагруженного индентора и учитывают при определении аргумента ηx на основании (16).The inverse Laplace transform for expression (6) makes it possible to determine the vibrational velocity of the electro-acoustic hardness transducer loaded in a controlled impedance in a temporal form in the form
v x (t)
Figure 00000011
A o · e
Figure 00000012
sin (ω x t + α x ) + B o sin (ω o t + φ x )
Figure 00000013

(10)
As can be seen from (10), the acoustic vibrations excited in the indenter introduced are of a complex harmonic nature and consist of two components. Firstly, these are oscillations damped with a time constant λ x at the natural resonant frequency ω x of the transducer, and secondly, these are undamped forced oscillations at a test frequency ω о of a hardness tester excitation generator 7. Considering that the damped component of the indenter vibrational velocity with amplitude A0 tends to zero even after a time interval
T meas
Figure 00000014
(11) after the indenter is excited, the test frequency ω о becomes negligible, the information signal of the vibrational velocity in the steady state transient in the indenter can be written as
v x.ust (t)
Figure 00000015
B o sin (ω o t + φ x )
(12)
Here the parameters of the amplitude In about and phase φ x have the following values, obtained on the basis of reference data
B o =
Figure 00000016
Figure 00000017

(13)
φ x -arctg
Figure 00000018
+ arctg
Figure 00000019
2
Figure 00000020
-Δφ o + arctg
Figure 00000021
2
Figure 00000022

(fourteen)
In this case, the amplitude of the steady-state value of the vibrational velocity under condition (11) and its phase parameter will be equal, respectively
V b
Figure 00000023

(fifteen)
tg (φ x + Δφ o ) = tgη x = 2
Figure 00000024
(sixteen)
Substituting the values for ω Е 2 ω о 2 from (16) in (15) we obtain
V b
Figure 00000025
Figure 00000026
sinη x
(17) whence in the final form we write the hardness measurement algorithm in the form
R x
Figure 00000027
sinη x (18)
The elastic modulus Ex of the controlled material is determined on the basis of (9) and 16
E x = M o 2 o +
Figure 00000028
cosη x (19)
Thus, it was found that the controlled microhardness of the product R x in the zone of loaded contact with the indenter of the electro-acoustic transducer is proportional to the product of the amplitude of the test force F о , exciting in the indenter oscillations at a frequency ω о by the sine of the phase shift angle η x between the harmonic signals of this test force and the indenter response to test excitation in the form of its vibrational velocity, and is inversely proportional to the amplitude V at this speed in the steady state, i.e. through the time interval T ism establishing the modes of oscillation according to (11). In this case, the amplitude V in is independent of the acoustic length of the transducer rod and the time τ xo of the delay in it of the propagation of the wave of test oscillations. The mentioned parameter τ х0 is indirectly involved in the algorithm of the transducer (18) in the form of an initial phase shift Δφ о of an unshielded indenter dependent on it according to (14). The latter is measured in the idle mode of an unloaded indenter and taken into account when determining the argument η x based on (16).

Кроме того, установлено, что модуль упругости Ех контролируемого материала определяется соотношением (19) независимо и одновременно с измерением твердости Rх в функции от тех же информационных аргументов (параметров): фазы ηх, амплитуды Vв и тестовой амплитуды Fо при t≥Тизмв соответствии с (11). При этом модуль упругости Ех по (19) дополнительно определяется выбранным значением постоянной тестовой частоты ωо возбуждения индентора. Это обусловлено реактивным характером упругой составляющей сопротивления контролируемого комплексного импеданса.In addition, it was found that the elastic modulus E x of the controlled material is determined by relation (19) independently and simultaneously with the measurement of hardness R x as a function of the same information arguments (parameters): phase η x , amplitude V in and test amplitude F о at t ≥T edited in accordance with (11). In this case, the elastic modulus E x according to (19) is additionally determined by the selected value of the constant test frequency ω about indenter excitation. This is due to the reactive nature of the elastic component of the resistance of the controlled complex impedance.

Устройство предлагаемого твердомера реализует алгоритм (18) и (19) в вычислительном блоке 12 (фиг. 1). Амплитуда колебательной скорости Vвпоступает на первый вход вычислителя 12 с выхода амплитудного детектора 8, тестовые амплитуды Fо и частота ωо на второй вход 12 с выхода генератора 7, а измеренный угол сдвига фазы ηх между информационными сигналами на третий вход 12 с выхода фазометра 6. Причем для определения информационной фазы ηх с учетом φ х и Δφ опоследнюю предварительно измеряют на холостом ходу преобразователя твердости и запоминают в вычислителе 12 для последующего учета в каждом из измерений на основании (16).The device of the proposed hardness tester implements the algorithm (18) and (19) in the computing unit 12 (Fig. 1). The amplitude of the vibrational velocity V in goes to the first input of the calculator 12 from the output of the amplitude detector 8, the test amplitudes F about and the frequency ω about to the second input 12 from the output of the generator 7, and the measured phase angle η x between the information signals to the third input 12 from the output phase meter 6. Moreover, to determine the information phase η x taking into account φ x and Δφ about the latter is previously measured at idle of the hardness transducer and stored in the calculator 12 for subsequent accounting in each of the measurements based on (16).

Кроме того, на вход управления вычислителя 12 поступает импульс синхронизации момента времени измерения с выхода одновибратора 11. Задержка этого импульса относительно начала измерения (момента внедрения индентора в изделие, определяемого по второму выходу блока управления 9) выбирают на основании условия (11) обратно пропорционально диссонативному коэффициенту λх таким образом, чтобы переходной процесс установления амплитуды колебательной скорости завершился к моменту измерения информационных параметров при любой твердости, т.е. обратно пропорционально самой измеренной твердости Rх (см. 7 и 11). Для этого время задержки одновибратора 11 обеспечивают обратно пропорциональным напряжению на его входе управления, которое в свою очередь пропорционально текущему значению измеряемой твердости Rх на первом выходе вычислительного блока 12. С этого же выхода напряжение, пропорциональное контролируемой микротвердости Rх изделия, вычисленное на основании алгоритма (18) в блоке 12, поступает на первый индикатор 13. На второй индикатор 14 со второго выхода вычислителя 12 поступают результаты определения модуля упругости Ех по формуле (19).In addition, the control input of the calculator 12 receives a synchronization pulse of the measurement time from the output of the one-shot 11. The delay of this pulse relative to the start of measurement (the moment of indenter penetration into the product, determined by the second output of the control unit 9) is selected on the basis of condition (11) inversely to the dissonant coefficient λ x so that the transition process of establishing the amplitude of the vibrational velocity is completed by the time the information parameters are measured at any hardness, i.e. inversely proportional to the measured hardness R x (see 7 and 11). For this, the delay time of the one-shot 11 is provided inversely proportional to the voltage at its control input, which in turn is proportional to the current value of the measured hardness R x at the first output of the computing unit 12. From the same output, the voltage proportional to the controlled microhardness R x of the product, calculated on the basis of the algorithm (18) in block 12, it goes to the first indicator 13. The second indicator 14 from the second output of the calculator 12 receives the results of determining the elastic modulus E x by the formula (19).

Claims (3)

1. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ТВЕРДОМЕР, содержащий корпус электроакустического преобразователя, стержень с индентором, взаимодействующую между корпусом и стержнем пружину, установленные на стержне пьезоэлектрические возбудитель и приемник, имеющие один общий и два раздельных электрода возбудителя и приемника колебаний, подключенный своими входами к этим электродам фазометр, выход которого подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с входом управления генератора, выход которого подключен к электроду пьезовозбудителя колебаний, исполнительный механизм привода индентора, включенный между вторыми входом и выходом блока управления, отличающийся тем, что твердомер дополнительно снабжен вычислителем, первым и вторым индикаторами, одновибратором и амплитудным детектором, вход которого подключен к электроду пьезоприемника колебаний, а выход к третьему входу блока управления и первому входу вычислителя, второй вход которого соединен с выходом генератора, третий с выходом фазометра, а первый и второй выходы вычислителя соединены соответственно с первым и вторым индикаторами, причем первый выход вычислителя соединен также с выходом управления одновибратора, информационный вход которого подключен к входу управления генератором, а выход к входу синхронизации вычислителя. 1. ELECTRO-ACOUSTIC SOLIDOMETER, comprising an electro-acoustic transducer housing, a rod with an indenter, a spring interacting between the housing and the rod, a piezoelectric exciter and a receiver installed on the rod, having one common and two separate exciter and oscillation electrodes, a phase meter connected to the electrodes by their inputs, an output which is connected to the first input of the control unit, the first output of which is connected to the control input of the generator, the output of which is connected to the piez electrode excitation oscillator, indenter actuator actuator, connected between the second input and output of the control unit, characterized in that the hardness tester is additionally equipped with a calculator, first and second indicators, a single vibrator and an amplitude detector, the input of which is connected to the electrode of the oscillation piezoelectric receiver, and the output to the third input of the unit control and the first input of the computer, the second input of which is connected to the output of the generator, the third with the output of the phase meter, and the first and second outputs of the computer are connected respectively with the first and second indicators, and the first output of the computer is also connected to the control output of a single-shot, the information input of which is connected to the control input of the generator, and the output to the input of the synchronization of the computer. 2. Твердомер по п. 1, отличающийся тем, что генератор выполнен в виде автогенератора гармонического сигнала постоянной частоты. 2. The hardness gage according to claim 1, characterized in that the generator is made in the form of a self-oscillator of a harmonic signal of constant frequency. 3. Твердомер по п. 1, отличающийся тем, что одновибратор выполнен таким образом, что длительность задержки входного импульса в нем обратно пропорциональна напряжению на его входе управления. 3. The hardness gage according to claim 1, characterized in that the one-shot is made in such a way that the delay time of the input pulse in it is inversely proportional to the voltage at its control input.
RU92002157A 1992-10-26 1992-10-26 Electroacoustic hardness gauge RU2042942C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92002157A RU2042942C1 (en) 1992-10-26 1992-10-26 Electroacoustic hardness gauge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92002157A RU2042942C1 (en) 1992-10-26 1992-10-26 Electroacoustic hardness gauge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2042942C1 true RU2042942C1 (en) 1995-08-27
RU92002157A RU92002157A (en) 1996-02-20

Family

ID=20131005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU92002157A RU2042942C1 (en) 1992-10-26 1992-10-26 Electroacoustic hardness gauge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2042942C1 (en)

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 637637, кл. G 01N 3/44, 1980. *
2. Авторское свидетельство СССР N 1231430, кл. G 01N 3/40, 1988. *
3. Авторское свидетельство СССР N 1310686, кл. G 01N 3/40, 1989. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3108881B2 (en) Strain measurement method and device
Royer et al. Optical detection of sub-angstrom transient mechanical displacements
Eggers Ultrasonic velocity and attenuation measurements in liquids with resonators, extending the MHz frequency range
JPH0525045B2 (en)
US4646571A (en) Method and apparatus for hardness measurement
Ferrari et al. Overview of acoustic-wave microsensors
JP4795925B2 (en) Ultrasonic thickness measurement method and apparatus
RU2042942C1 (en) Electroacoustic hardness gauge
US5566573A (en) Capacitive acoustic wave detector and method of using same
Veidt et al. Flexural waves transmitted by rectangular piezoceramic transducers
RU2045024C1 (en) Hardness tester
SU716135A1 (en) Method of non-destructive quality control of piezoelements
RU2045025C1 (en) Method of and device for electroacoustic inspection of material hardness
SU1244559A1 (en) Electroacoustical hardness gauge
LONSDALE et al. STRAIN MEASUREMENT WITH
SU721678A1 (en) Method and device for determining two components of mechanical oscillations of a structure
SU798185A1 (en) Method and device for control of structure vibrotreatment
SU1663494A1 (en) Method of determining plastic deformation of a material
SU1229675A1 (en) Echo-pulse method of measuring coefficient of ultrasound attenuation
SU1337723A1 (en) Measuring head for hardness check
SU868563A1 (en) Method of non-destructive testing of ferromagnetic articles
SU1728781A1 (en) Method of checking piezoceramic transducers
Lonsdale et al. Strain Measurement with Surface Acoustic Wave (Saw) Resonators
SU1227957A1 (en) Arrangement for measuring vibration parameters
SU1265601A1 (en) Method for checking quality of piezoelectric converter acoustic contact in flaw detection of articles and device for effecting same