TWI647451B - 硬度測量設備以及硬度測量方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種硬度測量設備包括儲存裝置、處理裝置以及電磁感測裝置。儲存裝置儲存硬度分類模型。處理裝置產生控制信號。處理裝置輸出控制信號至電磁感測裝置，以操作電磁感測裝置依據特定頻率以非接觸式的感測方式來感測金屬物件。電磁感測裝置輸出金屬物件的電磁感測結果至處理裝置。處理裝置分析電磁感測結果，以決定感測線圈的阻抗參數。處理裝置依據感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型來決定金屬物件的硬度。另外，一種硬度測量方法亦被提出。

Description

硬度測量設備以及硬度測量方法

本發明是有關於一種分類技術，且特別是有關於一種硬度測量設備以及硬度測量方法。

在金屬元件的製造過程中，若具有相同的形狀外觀的多個金屬元件分別經由不同熱處理流程進行加工，則這些有相同的形狀外觀的這些金屬元件可能分別具有不同的硬度。對此，製造者需要逐一測量這些金屬元件的硬度來進行分類。然而，傳統的金屬元件的硬度測量方式是藉由破壞式的方式來進行硬度的測量，而且只能藉由單一資料庫進行單變數資料換算，導致測量的準確率低且測量的速度緩慢。因此，傳統的金屬元件的硬度測量方式無法有效應用在金屬元件的分類上。有鑑於此，本發明將在以下提出幾個實施例的解決方案。

本發明提供一種硬度測量設備以及硬度測量方法，可快速地且有效地感測金屬物件，以取得對應於金屬物件發生磁場變化的感測線圈的阻抗參數，並且依據感測線圈的阻抗參數來決定金屬物件的硬度。

本發明的硬度測量設備包括儲存裝置、處理裝置以及電磁感測裝置。儲存裝置用以儲存硬度分類模型。處理裝置耦接儲存裝置。處理裝置用以產生控制信號。電磁感測裝置耦接處理裝置。處理裝置輸出控制信號至電磁感測裝置，以操作電磁感測裝置依據特定頻率以非接觸式的感測方式來感測金屬物件。電磁感測裝置輸出金屬物件的電磁感測結果至處理裝置。處理裝置分析電磁感測結果，以決定感測線圈的阻抗參數。處理裝置依據感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型來決定金屬物件的硬度。

本發明的硬度測量方法適用於硬度測量設備。硬度測量設備包括電磁感測裝置。硬度測量方法包括以下步驟：建立硬度分類模型；操作電磁感測裝置依據特定頻率以非接觸式的感測方式來感測金屬物件，並且藉由電磁感測裝置產生金屬物件的電磁感測結果；以及分析電磁感測結果，以決定感測線圈的阻抗參數，並且依據感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型來決定金屬物件的硬度。

基於上述，本發明的硬度測量設備以及硬度測量方法可藉由非接觸式的感測方式來感測金屬物件，以有效且快速的取得感測線圈的阻抗參數，並且可藉由進一步依據預先建立的硬度分類模型以及感測線圈的阻抗參數來準確判斷金屬物件的硬度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1繪示本發明一實施例的硬度測量設備的示意圖。參考圖1，硬度測量設備100包括處理裝置110、儲存裝置120以及電磁感測裝置130，其中電磁感測裝置130包括感測線圈。在本實施例中，儲存裝置120以及電磁感測裝置130耦接處理裝置110。儲存裝置120用以儲存硬度分類模型121。在本實施例中，硬度測量設備100透過電磁感測裝置130以非接觸式的感測方式來感測金屬物件200，以取得金屬物件200的電磁感測結果。處理裝置110分析金屬物件200的電磁感測結果以決定電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數，並且依據感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型121來決定金屬物件200的硬度。

然而，須注意的是，本發明各實施例所述的硬度是指金屬物件200的表面硬度，並且電磁感測裝置130是以渦電流(Eddy Current)感測技術來感測金屬物件200。也就是說，由於金屬物件200的表面硬度相關於電磁感測裝置130的感測線圈在感測過程中的磁場變化，因此本實施例的硬度測量設備100藉由計算感測線圈的磁場變化差異而取得對應的阻抗參數變化，以使硬度測量設備100藉由判斷感測前後感測線圈的阻抗參數變化來決定金屬物件200的硬度。並且，在一實施例中，硬度測量設備100更搭配材料特性資料庫來建立阻抗參數以及硬度之間的關聯。

此外，關於本實施例的感測線圈的阻抗參數的計算方式，例如是應用以下公式(1)的渦電流感測技術的阻抗推導方程式，但本發明並不限於此。 ...公式(1)

在上述公式(1)中，Z為感測線圈的阻抗、d為線圈的寬度、α為係數、μ0為空氣的磁導率以及λ為感測信號的波長、r1為線圈內徑、r2為線圈外徑、n _c為線圈匝數。在本實施例中，關於阻抗參數計算方式，皆為所屬領域的技術人員可依據一般的電磁定律推導以及硬度換算的通常知識，而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此在此不多加贅述。

在本實施例中，硬度測量設備100預先建立硬度分類模型121。硬度分類模型121包括多個硬度分類，並且這些硬度分類分別於對應不同的阻抗參數。因此，當電磁感測裝置130測得阻抗參數後，處理裝置110依據阻抗參數來將金屬物件200分類於這些多個硬度分類的其中之一。也就是說，當硬度測量設備100用於感測多個具有不同硬度的金屬製品時，硬度測量設備100可快速地以非接觸式的感測方式來逐一感測這些具有不同硬度的金屬製品。

在本實施例中，處理裝置110例如是中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)、系統單晶片(System on Chip, SOC)或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits, ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device, PLD)、其他類似處理裝置或這些裝置的組合。

在本實施例中，儲存裝置120例如是動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)、快閃記憶體(Flash memory)或非揮發性隨機存取記憶體(Non-Volatile Random Access Memory, NVRAM)等。在本實施例中，儲存裝置120用以儲存本發明各實施例所述之資料以及模組，並且提供處理裝置110讀取並執行之，以使硬度測量設備100可實現本發明各實施例所述之操作以及方法。

圖2繪示本發明一實施例的電磁感測裝置的示意圖。參考圖2，電磁感測裝置330包括信號產生器331、濾波器332、信號放大器333、驅動電路334、感測線圈335、濾波器336以及信號處理器337。信號產生器331耦接濾波器332以及信號處理器337。濾波器332耦接信號放大器333。信號放大器333耦接驅動電路334。驅動電路334耦接感測線圈335。感測線圈335耦接濾波器336。濾波器336耦接信號處理器337。在本實施例中，電磁感測裝置330藉由信號產生器331接收由例如是上述圖1實施例的處理裝置輸出的控制信號CS，並且藉由信號處理器337輸出電磁感測結果SR至例如是上述圖1實施例的處理裝置。

在本實施例中，信號產生器331依據控制信號CS產生弦波信號SW至濾波器332、信號放大器333以及驅動電路334，並且產生參考信號RS至信號處理器337。在本實施例中，弦波信號SW相同於參考信號RS。在本實施例中，濾波器332濾除弦波信號SW中的雜訊，並且信號放大器333增加弦波信號SW的振幅。因此，驅動電路334依據經調變後的弦波信號SW來產生驅動信號DS。驅動電路334藉由驅動信號DS驅動感測線圈335，以感測金屬物件。在本實施例中，感測線圈335用以感測金屬物件，並且產生感測信號SS。感測線圈335輸出感測信號SS至濾波器336。濾波器336濾除感測信號SS中的雜訊，並且提供經調變後的感測信號SS至信號處理器337。因此，信號處理器337分析感測信號SS以輸出電磁感測結果SR。

圖3繪示本發明一實施例的環型線圈以及金屬物件的示意圖。參考圖2以及圖3，本發明各實施例所述的感測線圈335可例如是圖3所示。舉例而言，金屬物件400例如是一種金屬螺絲，並且具有單一金屬材料或經由多種金屬材料組合，本發明並不加以限制。在本實施例中，感測線圈335為單圈或多圈的金屬材質的環型線圈，並且感測線圈335產生交變磁場。當金屬物件400通過感測線圈335的所圍區域時，金屬物件400的表面產生渦電流，並且感測線圈335對應於金屬物件400表面的渦電流而產生磁場變化，以輸出感測訊號SS至信號處理器337。

值得注意的是，感測線圈335的阻抗變化對應於金屬製品的材料電磁特性，而金屬製品的材料電磁特性對應於金屬製品的硬度。也就是說，當製造者製造具有不同硬度的多個金屬製品時(例如多個金屬螺絲)，製造者可將具有不同硬度的這些金屬製品逐一通過感測線圈335，來取得對應於具有不同硬度的這些金屬製品的感測線圈335的磁場變化結果，並且依據感測線圈335的磁場變化結果來取得感測線圈335的阻抗變化。因此，製造者可依據感測線圈335的阻抗變化來決定不同硬度的這些金屬製品的硬度，並且依據硬度大小來分類不同硬度的這些金屬製品。

圖4繪示本發明一實施例的硬度測量方法的流程圖。參考圖1以及圖4，本實施例的硬度測量方法可至少適用於圖1的硬度測量設備100。硬度測量設備100可依序執行步驟S410至步驟S460來決定金屬物件200的硬度。首先，本實施例的硬度測量設備100預先決定用於感測金屬物件200的特定頻率。因此，在步驟S410中，處理裝置110控制電磁感測裝置130以藉由不同頻率的多個電磁測試信號來感測測試物件。並且，在步驟S420中，處理裝置110選擇對應於這些電磁測試信號的多個測試結果的其中之一具有最高雜訊比(Signal to Noise Ratio, SNR)的頻率，來作為此特定頻率。也就是說，本實施例的硬度測量設備100具有依據金屬物件200的金屬材質所對應的電磁特性來自動選取具有雜訊比較高的頻率來作為特定頻率的功能，以使硬度測量設備100依據此特定頻率來產生感測信號。在本實施例中，上述特定頻率可例如是選自頻率範圍1Hz至900MHz之間。

接著，在步驟S430中，電磁感測裝置130依據此特定頻率來預先感測多個金屬樣品，其中這些金屬樣品可分別具有不同硬度。在步驟S440中，處理裝置110依據這些金屬樣品的多個樣本感測結果以及多個特性資料庫來決定在複數座標系中的至少一分區的位置。也就是說，本實施例的硬度測量設備100預先建立對應於各種不同硬度的硬度分區。

詳細而言，圖5繪示本發明一實施例的硬度分類模型的示意圖。搭配圖5來說明之，在本實施例中，儲存裝置120儲存的硬度分類模型可包括如圖5所示的複數座標系資訊，其中橫軸代表實部(Re)阻抗，並且縱軸代表虛部(Im)阻抗。在本實施例中，硬度測量設備100的運算邏輯是先進行實部阻抗量測，再進行虛部阻抗量測，並且再接著進行運算轉換。並且，在本實施例中，儲存裝置120可進一步儲存多個特性資料庫，並且處理裝置110預先透過電磁感測裝置130來感測多個金屬樣品，以依據這些金屬樣品的多個樣本感測結果以及這些特性資料庫來決定在複數座標系中的這些分區501~504的位置。

舉例而言，在本實施例中，這些分區501~504分別對應於不同的硬度。如圖5所示，分區501~504例如分別對應於20洛氏硬度(HRC)、30HRC、40HRC、50HRC，但本發明並不限於此。當電磁感測裝置130感測金屬物件200，以取得金屬物件200的電磁感測結果時，處理裝置110分析電磁感測結果，以決定電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數Z。在此例中，電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數Z為複數，並且由複數座標系的形式以R+jX來表示之，其中阻抗的實部為R，而阻抗的虛部為X。處理裝置110依據電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數Z在複數座標系中的複數座標(R,X)的位置，來分類金屬物件200屬於分區502的硬度，其中分區502的硬度為30HRC。

在本實施例中，這些特性資料庫例如包括材料特性資料庫、電磁特性資料庫、標準金屬資料庫、機械特性資料、熱處理特性資料庫以及配件資料庫的至少其中之一。這些特性資料庫例如提供各種金屬物件200的材料特性參數、電磁特性參數或熱特性參數等諸如此類的資料，以使處理裝置110依據這些特性資料庫以及上述的多個樣本感測結果來建立硬度分類模型。此外，關於本實施例的阻抗參數與硬度之間的關係，例如是應用以下公式(2)的阻抗參數與硬度的推導公式，來決定阻抗參數在複數座標系中所對應的位置(分區)，但本發明並不限於此。 …公式(2)

在上述公式(2)中，Z為感測線圈的阻抗、A為材料導磁率參數公式集以及B為材料導電率參數公式集。在本實施例中，關於阻抗參數以及硬度的轉換方式，為所屬領域的技術人員可依據一般的電磁定律推導以及硬度換算的通常知識，而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此在此不多加贅述。

再接著，在步驟S450中，電磁感測裝置130依據上述特定頻率以非接觸式的感測方式來感測金屬物件200，並且取得電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數。在步驟S460中，處理裝置110依據電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型來決定金屬物件的硬度。因此，本實施例的硬度測量方法可有效且快速地判斷金屬物件的硬度。

值得注意的是，圖5所示的分區501~504是分別代表不同阻抗範圍所分別對應的硬度。在本實施例中，硬度測量設備100是將一個特定阻抗範圍對應於一個特定的硬度參數。由於電磁感測裝置130感測金屬物件200的電磁感測結果可能具有誤差，或是金屬物件200由多個材料合成，因此本發明是將一個特定阻抗範圍來對應於一個特定的硬度參數。也就是說，硬度測量設備100基於多個樣本感測結果以及多個特性資料庫來估測或推算一個或多個特定的硬度參數所對應的阻抗範圍，以建立硬度分類模型121。再舉例而言，當製造者欲分類具有不同硬度的多個金屬物件時，製造者可經由電磁感測裝置130感測不同硬度的這些金屬物件。並且，硬度測量設備100只須計算電磁感測裝置130的感測線圈對應於在金屬物件200表面的渦電流所產生的電磁變化來取得感測線圈的阻抗參數。硬度測量設備100依據感測線圈的阻抗參數在複數座標系中的位置來判斷金屬物件200的硬度。也就是說，硬度測量設備100無須花費時間執行感測線圈的阻抗參數與金屬物件200的硬度之間的轉換運算。因此，硬度測量設備100可有效且快速地判斷不同硬度的這些金屬物件的硬度，並且可有效且快速地分類不同硬度的這些金屬物件。另外，在一實施例中，硬度測量設備100進一步包括顯示裝置。顯示裝置耦接處理裝置110，並且顯示分類結果的影像畫面，並且此分類結果包括硬度分類模型以及金屬物件的硬度資訊。

圖6繪示本發明另一實施例的硬度測量方法的流程圖。參考圖1以及圖6，本實施例的硬度測量方法可至少適用於圖1的硬度測量設備100。在步驟S610中，硬度測量設備100預先建立硬度分類模型121。在步驟S620中，硬度測量設備100操作電磁感測裝置130依據特定頻率以非接觸式的感測方式來感測金屬物件200，並且產生金屬物件200的電磁感測結果。在步驟S630中，硬度測量設備100分析電磁感測結果，以決定電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數，並且依據電磁感測裝置130的感測線圈的阻抗參數以及硬度分類模型121來決定金屬物件200的硬度。因此，本實施例的硬度測量方法可有效測量金屬物件200的阻抗參數，並且依據金屬物件200的阻抗參數以及硬度分類模型121來快速地決定金屬物件200的硬度。

另外，關於本實施例所述的硬度測量設備100的其他裝置特徵以及實施細節可參考上述圖1至圖5實施例的內容，而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，在此不再贅述。

綜上所述，本發明的硬度測量設備以及硬度測試方法，可藉由非接觸式的感測方式來有效率地且快速地感測金屬物件，並且可依據感測線圈再感測金屬物件的過程中的磁場變化結果來取得感測線圈的阻抗參數，以使本發明的硬度測量設備可依據感測線圈的阻抗參數以及預先建立的硬度分類模組來對應估測金屬物件的硬度，而無需繁雜的將感測線圈的阻抗參數轉換為對應的金屬物件的硬度。因此，本發明的硬度測量設備以及硬度測試方法可提供有效且快速的金屬物件的硬度測量，以進行金屬物件的分類。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧硬度測量裝置

110‧‧‧處理裝置

120‧‧‧儲存裝置

121‧‧‧硬度分類模型

130、330‧‧‧電磁感測裝置

200、400‧‧‧金屬物件

331‧‧‧信號產生器

332、336‧‧‧濾波器

333‧‧‧信號放大器

334‧‧‧驅動電路

335‧‧‧感測線圈

337‧‧‧信號處理器

501、502、503、504‧‧‧分區

S410、S420、S430、S440、S450、S460、S610、S620、S630‧‧‧步驟

CS‧‧‧控制信號

SW‧‧‧弦波信號

RS‧‧‧參考信號

SS‧‧‧感測信號

DS‧‧‧驅動信號

SR‧‧‧電磁感測結果

圖1繪示本發明一實施例的硬度測量設備的示意圖。 圖2繪示本發明一實施例的電磁感測裝置的示意圖。 圖3繪示本發明一實施例的環型線圈以及金屬物件的示意圖。 圖4繪示本發明一實施例的硬度測量方法的流程圖。 圖5繪示本發明一實施例的硬度分類模型的示意圖。 圖6繪示本發明另一實施例的硬度測量方法的流程圖。

Claims (14)

1. 一種硬度測量設備，包括：一儲存裝置，用以儲存一硬度分類模型；一處理裝置，耦接該儲存裝置，用以產生一控制信號；以及一電磁感測裝置，耦接該處理裝置，其中該處理裝置輸出該控制信號至該電磁感測裝置，以操作該電磁感測裝置依據一特定頻率以非接觸式的感測方式來感測一金屬物件，並且該電磁感測裝置輸出該金屬物件的一電磁感測結果至該處理裝置，其中該處理裝置分析該電磁感測結果，以決定一感測線圈的一阻抗參數，並且該處理裝置依據該感測線圈的該阻抗參數以及該硬度分類模型來決定該金屬物件的一硬度，其中該硬度分類模型包括一複數座標系，並且該阻抗參數包括一實部阻抗值以及一虛部阻抗值，其中該複數座標系包括至少一分區，並且該至少一分區各別對應於不同的硬度，其中該儲存裝置更儲存多個特性資料庫，並且該處理裝置預先透過該電磁感測裝置來感測多個金屬樣品，以依據該些金屬樣品的多個樣本感測結果以及該些特性資料庫來決定在該複數座標系中的該至少一分區的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的硬度測量設備，其中該電磁感測裝置預先藉由不同頻率的多個電磁測試信號來感測一測試 物件，並且該處理裝置選擇對應於該些電磁測試信號的多個測試結果的其中之一具有最高雜訊比的頻率，來作為該特定頻率。
3. 如申請專利範圍第1項所述的硬度測量設備，其中該些特性資料庫包括一材料特性資料庫、一電磁特性資料庫、一標準金屬資料庫、一機械特性資料、一熱處理特性資料庫以及一配件資料庫的至少其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述的硬度測量設備，更包括：一顯示裝置，耦接該處理裝置，用以顯示一分類結果，並且該分類結果包括該硬度分類模型以及該金屬物件的該硬度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的硬度測量設備，其中該電磁感測裝置包括：一信號產生器，耦接該處理裝置，用以接收該控制信號，並且該信號處理器依據該控制信號產生一驅動信號以及一參考信號；一驅動電路，耦接該信號產生器以及該感測線圈，用以接收該驅動信號，並且依據該驅動信號來驅動該感測線圈而感測該金屬物件，以使該感測線圈輸出一感測信號；以及一信號處理器，耦接該信號產生器以及該感測線圈，用以接收該參考信號以及該感測信號，並且該信號處理器比較該參考信號以及該感測信號，以輸出該電磁感測結果至該處理裝置。
6. 如申請專利範圍第5項所述的硬度測量設備，其中該感測線圈產生交變磁場，以使該金屬物件對應產生一渦電流，並且該感測線圈感測該渦電流，以輸出該感測信號。
7. 如申請專利範圍第5項所述的硬度測量設備，其中該感測線圈為一環型線圈，並且當該金屬物件通過該感測線圈的所圍區域時，該感測線圈產生該感測信號。
8. 一種硬度測量方法，適用於一硬度測量設備，並且該硬度測量設備包括一電磁感測裝置，其中該硬度測量方法包括：建立一硬度分類模型；操作該電磁感測裝置依據一特定頻率以非接觸式的感測方式來感測一金屬物件，並且產生該金屬物件的一電磁感測結果；以及分析該電磁感測結果，以決定一感測線圈的一阻抗參數，並且依據該感測線圈的該阻抗參數以及該硬度分類模型來決定該金屬物件的一硬度，其中該硬度分類模型包括一複數座標系，並且該阻抗參數包括一實部阻抗值以及一虛部阻抗值，其中該複數座標系包括至少一分區，並且該至少一分區各別對應於不同的硬度，其中建立該硬度分類模型的步驟包括：預先透過該電磁感測裝置來感測多個金屬樣品，以依據該些金屬樣品的多個樣本感測結果以及多個特性資料庫來決定在該系中的該至少一分區的位 置。
9. 如申請專利範圍第8項所述的硬度測量方法，更包括：藉由該電磁感測裝置預先藉由不同頻率的多個電磁測試信號來感測一測試物件，並且選擇對應於該些電磁測試信號的多個測試結果的其中之一具有最高雜訊比的頻率，來作為該特定頻率。
10. 如申請專利範圍第8項所述的硬度測量方法，其中該些特性資料庫包括一材料特性資料庫、一電磁特性資料庫、一標準金屬資料庫、一機械特性資料、一熱處理特性資料庫以及一配件資料庫的至少其中之一。
11. 如申請專利範圍第8項所述的硬度測量方法，更包括：藉由一顯示裝置顯示一分類結果，並且該分類結果包括該硬度分類模型以及該金屬物件的該硬度。
12. 如申請專利範圍第8項所述的硬度測量方法，其中該電磁感測裝置包括：一信號產生器，耦接該處理裝置，用以接收該控制信號，並且該信號處理器依據該控制信號產生一驅動信號以及一參考信號；一驅動電路，耦接該信號產生器以及該感測線圈，用以接收該驅動信號，並且依據該驅動信號來驅動該感測線圈而感測該金屬物件，以使該感測線圈輸出一感測信號；以及一信號處理器，耦接該信號產生器以及該感測線圈，用以接收該參考信號以及該感測信號，並且該信號處理器比較該參考信 號以及該感測信號，以輸出該電磁感測結果至該處理裝置。
13. 如申請專利範圍第12項所述的硬度測量方法，其中該感測線圈產生交變磁場，以使該金屬物件對應產生一渦電流，並且該感測線圈感測該渦電流，以輸出該感測信號。
14. 如申請專利範圍第12項所述的硬度測量方法，其中該感測線圈為一環型線圈，並且當該金屬物件通過該感測線圈的所圍區域時，該感測線圈產生該感測信號。