RU2042942C1 - Electroacoustic hardness gauge - Google Patents
Electroacoustic hardness gauge Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
Возбуждающий акустический стержень тестовый гармонический сигнал описывается выражением
F(t) Fo ˙ sin ω o˙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 ˙e-αot˙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( ) 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
(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 -α 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 ( ) 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
(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 +
(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 +
(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
(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)
(6) где λx= (7)
диссипативный коэффициент затухания колебательной энергии преобразователя на активном сопротивлении (твердости) контролируемого импеданса;
ωx (8)
собственная резонансная частота колебаний преобразователя твердости;
ωE (9)
частота реактивного резонанса преобразователя твердости.In operational form (4) is written as
Z x (P) = M
(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)
(6) where λ x = (7)
dissipative attenuation coefficient of the vibrational energy of the converter on the active resistance (hardness) of the controlled impedance;
ω x (8)
natural resonant frequency of oscillation of the hardness transducer;
ω E (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) Ao·esin(ωxt+αx)+Bo·sin(ωot+φx)
(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 ≥ (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) Bo·sin(ωot+φx)
(12)
Здесь параметры амплитуды Во и фазы φх имеют следующие значения, полученные на основании справочных данных
Bo=
(13)
φx -arctg + arctg2 -Δφo+arctg2
(14)
При этом амплитуда установившегося значения колебательной скорости при условии (11) и ее фазовый параметр будут равны соответственно
VB
(15)
tg(φx+Δφo)=tgηx=2 (16)
Подставляя значения для ωЕ 2 ω о 2 из (16) в (15) получим
VB sinηx
(17) откуда в окончательном виде алгоритм измерения твердости запишем в виде
Rx sinηx (18)
Модуль упругости Ех контролируемого материала при этом определим на основании (9) и 16
Ex=Mo·ω
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) A o · e sin (ω x t + α x ) + B o sin (ω o t + φ x )
(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
T meas ≥ (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) 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 =
(13)
φ x -arctg + arctg 2 -Δφ o + arctg 2
(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
(fifteen)
tg (φ x + Δφ o ) = tgη x = 2 (sixteen)
Substituting the values for ω Е 2 ω о 2 from (16) in (15) we obtain
V b sinη x
(17) whence in the final form we write the hardness measurement algorithm in the form
R x sinη x (18)
The elastic modulus Ex of the controlled material is determined on the basis of (9) and 16
E x = M o
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
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
Claims (3)
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) |
-
1992
- 1992-10-26 RU RU92002157A patent/RU2042942C1/en active
Non-Patent Citations (3)
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) | ||
Ferrari et al. | Overview of acoustic-wave microsensors | |
US4646571A (en) | Method and apparatus for hardness measurement | |
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 | |
US3019636A (en) | Ultrasonic inspection and measuring means | |
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 | |
RU2044298C1 (en) | Acoustic method and device for determining sample parameters | |
SU1728781A1 (en) | Method of checking piezoceramic transducers | |
SU1227957A1 (en) | Arrangement for measuring vibration parameters |