专利名称：一种硬度检测方法
技术领域：
本发明涉及硬度检测的相关技术领域，尤其用于精度高和检测范围大的硬度计 上，该检测方法是力作用在硬度计传感器上，传感器在标准试块上产生相应的压痕，检测压 痕深度的电信号经模数转换成数字量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压 痕深度值，并通过计算以得到标准试块的硬度值。
背景技术：
在钢铁生产线上所使用的硬度计，是钻杆生产线上在线测量产品硬度值的仪器， 由于硬度值是反映经过热处理等一系列前道工序后管子的一个重要物理参数，直接影响到 抗硫化氢腐蚀管、抗氧化管、高抗毁管等高钢级产品质量，因此硬度检测是一个十分重要的 工序。由于硬度检测技术中压深度和硬度值之间存在的非线性关系，为了要在输出结果中 实观表示硬度值，方便使用，因此以往在硬度设备在数据处理过程中非要采用非线性的电 子元件(象电子管，晶体管三极管，晶体二极管等)进行非线性/线性化不可，除外是无其 它可行办法。但由于硬度计中用于校正曲线形状的非线性/线性补偿校正电路是采用了极 易受温度影响的分列半导器件构成的，因此使得硬度计很难做到高稳定性和比较宽的硬度 检测(工作)范围，不适应自动化大生产，实际使用问题中出现的问题简述于下。1)硬度计上出现的问题由于硬度检测设备中技术指标的常规规定硬度检验是以“点校正”为标准的。因 此在流水生产上硬度计是无法满足实际生产需要的。我们以实际生产中二台典型的硬度计 为例给于解释。钢管厂钻杆生产线上的硬度计主要用于检验钻杆接头和焊缝区域的硬度 值。有HB241-HB340(1HB =公斤力/平方毫米)和HB315-HB345 二种主要硬度检测区间。 对于生产线上的自动硬度计而言这二个检测区间不同于常规硬度计的检测区间，前者的检 测范围过大(101个HB)，硬度设备无法同时顾及二端，而后者由于检测范围过小(仅30个 HB)，对设备的精度要求更高。例如果以硬度计的传统“点精度”士3%计，即仪器在某个“校 正点”上本身理论允许的绝对误差就有士 IOHB个硬度值，如产品的要求控制范围为30HB， 因此就会出现如下结果1. 1)线性工作范围过小如果即使设备的相对误差能控制在士3%之内，那么它的 绝对误差就是士 10HB，而此套设备的硬度检测的工作区间是30个HB。如果把上下限二个 测量区间各自向中间靠拢后，剩下的这套设备的测量值也仅在HB325-HB335之间的一小段 硬度值较为可信，这段区间仅为10个HB。而HB315-HB324和HB336-HB345这上下二段之内 的数据是处于可信度相对较低区域。由于可信区间偏小，对产品的质量控制影响较大。另 外受硬度试块和硬度补偿曲线的影响，设备也无法同时对上下硬度值差距过大的点进行校 正，因为传统硬度计和校正方法是允许采用“点”校正的方法，即是允许硬度计仅对校正点 或者校正点附近的较小区间负责的，由于在设备中没有存储功能和可存储的介质，也就无 法保存上下限校正点上的校正数据值，仅能对一个校正试块点附近的士30HB测试值负责！ 比如要对HB241，HB340 二点的硬度值同时进行检测，若用试块校正了 HB340高点，则低点HB241就“管”不住了，假如在工件中出现了在HB241附近的硬度值，则是要再用HB241硬 度试块进行校正后的测量值才能是有效的，反之亦然。由于在生产流水线上工件中的被检 参数值动态的、随机的，这种检测方式和校正方法的可操作性极差，极不适应工厂中大生产 的要求.如果一旦出现有“疑似超差”的工件时，就要反复用硬度试块进行校正和重新检测 的，实际上这种做法在实际生产中是行不通的，无法在连续生产线上因为发生工件上的硬 度有疑似超差，就要求整条生产线停止作业，而让硬度计来进行校正补偿曲线；1. 2)热稳定性差由于上海地区的大气温度变化很大，设备的工况条件不佳，硬度 计的热稳定性相当差，如在高温天气时，硬度设备则会受到大气温度的影响过大而严重影 响到检验质量，这个情况是经常经常发生的！严重制约了硬度设备的正常工作；1. 3)无数据记录和存储功能没有数据收集和处理系统，不能生成检测报表，不能 保存生产数据，无法对生产数据进行溯源，不能满足客户要求的要求生产厂提供产品硬度 数据的基本要求。2)硬度的测量原理及方法2. 1)布氏硬度计的测量原理是见图1，即在规定的负荷P的作用下，将一定直径 D的钢球压入试样表面，保持一段时间后，然后去除负荷，测量钢球在试样表面上所产生深 度为t、直径d的压痕，根据t或d的值可以计算出凹痕的面积F，把单位面积上所承受的平 均压力P/F的大小表示为布氏硬度值，用HB来表示。其单位为公斤力/平方毫米，硬度与 深度之间的关系曲线如图2所示。布氏硬度定义HB = P/F = P/3iDt (1)压痕深度与直径之间关 硬度值与压痕之间关系 2. 2)硬度值测量方法图3是硬度计硬度测量系统方框图。它大致的工作过程是这样的当由电气控制 的恒力发生装置产生的F = 3000公斤力通过直径10m/m的钢球传递到工件时，会在工件上 压出深度为t的凹痕，由图3中的硬度传感器把深度为t的凹痕信号转换成电信号，经过前 置放大器的放大后，将O…Imm的深度信号变成O…IOV的直流电压，然后送到由晶体二极管 组成的“非线性/线性补偿电路”(见图4)进行补偿、校正后，使其输出的电压值与深度成 一线性关系，最后送到数字表显示出硬度值。3)影响硬度计精度和稳定性的几个主要因素3. 1)补偿曲线的吻合度差公式HB = f(t)是一条倒数曲线。为了能使仪器能补偿工作曲线，使之与理论曲 线相吻合，要采用适当的补偿电路完成此项功能，本例中，由于需要补偿的经过放大处理的 硬度计电信号在0-10伏之间，因此已经无法用单个简单的一二个二极管电路进行补偿了， 于是采用了图4中的“非线性/线性校正”晶体二极管阵列电路来扩大补偿范围，摸拟布氏 理论硬度曲线(见图2)进行补偿。但是即是这样，根据理论和使用结果都证明，这种补偿 方式的线性补偿区间也还是相当窄小，实际有效的补偿范围最多在60HB左右，无法满足生 产中要求有100个HB以上的工作区间，整套仪器的线性工作范围偏小；
3. 2)温度漂移严重对于电子仪器，最为让人讨厌的莫过于各类干扰和温度漂移，由于在仪器上大量 采用了半导体原器件作为放大，噪声零位补偿器，和曲线补偿电路，因而带来了极大的温度 漂移，在上图3中“噪声零位补偿器”，晶体管“非线性/线性转换器”由于都是采用的分列 式的晶体管无器件作为补偿电路，受温度的影响都是相当大的。曾用一块HB335的硬度试 块在某一天时间里记录硬度计实际漂移值，测到当硬度计柜内的温度变化8. 9C，在其它条 件不变的时，硬度计的测量值变化了 10. 6HB，已经接近到仪器超差的边缘(整套仪器的允 许误差为士 3 %，在是量程335HB时，有近10个HB的误差)，温度的波动对这种测量方式仪 器的严重影响可见一斑。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬度检测方法，该方法解决生产的实际需要，能扩大硬 度检测范围。本发明的构思该硬度测量方法，将力作用在硬度计传感器上，传感器在标准试块 上产生相应的压痕，检测压痕深度的电信号经模数转换成数字量信号，再对该数字量信号 进行非线性转换处理得到压痕深度值，并通过计算以得到标准试块的硬度值。本发明的目的是这样实现的一种硬度检测方法，包括以下步骤步骤一，进行硬度计工作曲线的标定及绘制加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在标准试块上产生相应的压痕，硬度 计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字 量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值；分别对若干个不同硬度的标准试块重复上述步骤，并绘出硬度计工作曲线，即压 痕深度_硬度值曲线；步骤二，对待测工件进行检测加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在待测工件上产生相应的压痕，硬度 计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字 量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值，并将该压痕深度值代入 硬度计工作曲线，获得待测工件的硬度值。优选地，还包括步骤三，通过工控机将检测获得的数据生成电子报表文件，并输出 或显示。优选地，所述的步骤一和二中，通过工控机内预置的VB软件程序对数字量信号进 行非线性转换处理。优选地，所述的步骤二中，当压痕深度值Tx处于二个标定值之间时，代入硬度计工 作曲线的公式为HBx = HBi+ (Tx-Ti) * (HBw-HBi) / (Tw-Ti)其中HBX 待测工件硬度值；Ti 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的深度标定值；Ti+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的深度标定值；
HBi 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的硬度；HBi+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的硬度。本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效 果大幅度地扩大检测范围，提高了检测精度、稳定性，并能在能在动态状态下得以有效监 视设备的整个工作过程，以使该方法能满足生产的实际需要。
图1为布氏硬度计的测量原理示意图。图2为压痕深度-硬度值曲线HB = f(t)示意图。图3为现有硬度计硬度测量系统结构示意图。图4为现有二极管阵列非线性/线性补偿电路结构示意图。图5为本发明硬度检测系统结构示意图。图6为本发明硬度计工作曲线示意图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明方法采用的硬度计如图5所示，为解决硬度计温度漂移和线性补偿工作区 域过小的问题，用计算机数字采样和软件处理替代二极管模拟电路。该硬度检测系统，包括 硬度传感器，用于对硬度传感器施加力的加力系统，以及用于对硬度传感器输出的电信号 进行放大处理的前置放大器，系统还包括采样及模数转换模块工控机以对经前置放大器输出的检测信号进行采样并转化 为数字量信号；数据处理模块工控机及其预置VB软件程序，以对数字量信号进行非线性转换， 并绘制硬度计工作曲线；输出显示模块工控机以输出、显示处理后的数据以及图像信息；报表生成模块工控机及其预置Access数据库软件程序，以将处理后的数据生成 电子报表文件。工控机采用研华A/D-813。一种硬度检测方法，包括以下步骤进行硬度计工作曲线的标定及绘制加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在标准试块上产生相应的压痕，硬度 计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字 量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值，并通过计算以得到标准 试块的硬度值；分别对若干个不同硬度的标准试块重复上述步骤，并绘出硬度计工作曲线，即压 痕深度_硬度值曲线；对待测工件进行检测加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在待测工件上产生相应的压痕，硬度 计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字 量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值，并将该压痕深度值代入硬度计工作曲线，获得待测工件的硬度值。通过工控机内预置的VB软件程序对数字量信号 进行非线性转换处理。通过工控机将检测获得的数据生成电子报表文件，并输出或显示。当压痕深度值Tx处于二个标定值之间时，代入硬度计工作曲线的公式为HBx = HBi+ (Tx-Ti) * (HBw-HBi) / (Tw-Ti)其中HBX 待测工件硬度值；Ti 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的深度标定值；Ti+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的深度标定值；HBi 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的硬度；HBi+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的硬度。实施例首先，进行硬度计工作曲线(即压痕深度-硬度值曲线，HB = f(t))的标定加力 系统产生了 3000公斤的力后，加在硬度计的探头上，硬度计探头在3000公斤力的作用下， 在被检的试块上产生了相应的压痕，压痕的深浅根据硬度值的不同而不同，一般用八种不 同硬度值的试块组成硬度计工作曲线。本例中硬度试块的硬度值HB592到HB186，硬度计的 工作范围为406HB，对应的压痕深度为0. 16毫米-0. 51毫米，变化量为0. 35毫米。对应的 参数列在下表1中。表1硬度计各部件之间的参数关系表 这些从硬度计探头检测到信号经过前置放大器放大后可以得到0. 156伏电压。这 个电压经过采样及模数转换(研华A/D-813)后，转换成数字量信号，(由于此块模数电子电 路板是12位的，也就是转换成212的数字量，即是4096个数字量，此A/D板的转换是1伏，即被转换电压为一伏时的数字量为4096，在以上硬度试块范围内的数字量为638. 2，可以 简言为1. 57数字代表了一个HB的硬度值)，由计算机软件再将这些数字量以压痕深度的直 观形式显示在操作屏上。 然后进行硬度计工作曲线绘制当研华A/D-813模数板子由A/D转换成数字量后， 下面就由VB软件进行处理并形成硬度计工作曲线，工作曲线的形成的大致过程是这样的1.从上图的得到数据收集到计算机中电子表格内；2.根据电子表格中数据在程序中形成一条标定后的工作曲线，如图6所示；3.合理选定硬度试块的八个标定点(在根据试块的可能性)，通过前置放大和A/ D转换后得到与硬度值对的深度数据，然后由计算机给制成工作曲线。当完成了上面的工作曲线后，就可对待测工件的硬度值进行检测由于工件(产 品)的硬度值是不会正好落在试块的采样点上的，因此要通过数学计算的方法插入到相应 的采样点之间，求得工件(产品)的实际硬度值，具体的做法是当系统从硬度计探头得到 硬度信号，经过一系列的转换后，得到代表实际的工件硬度值的深度数值。举例如果得到一 个0. 335mm代表硬度的深度值，通过VB软件程序将该压痕深度值代入硬度计工作曲线，即 获得工件的硬度值HB = 286. 5，(t = 0. 335mm)。例如表2表示一个硬度计考核表，从表2 中可以看出，采用本发明专利申请的技术方案所获得的硬度值的误差可以达到很小。表2配件硬度计计算机测量系统考核记录表 只要有相应的硬度校正试块，就可以用这些试块组成硬度计的工作曲线，这个方 法可以使硬度计的工作范围做到任意的大。从而根本上改变了以往的硬度计的检测范围受 到由晶体管构成的非线性校正网络的限制。这是硬度检测方法上的一个突破。检测获得的数据可由Access数据库软件程序生成电子报表文件，并输出显示，或 由打印机输出，也可通过网络输出至其他数据库。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明， 而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
权利要求
一种硬度检测方法，其特征在于包括以下步骤步骤一，进行硬度计工作曲线的标定及绘制加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在标准试块上产生相应的压痕，硬度计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值；分别对若干个不同硬度的标准试块重复上述步骤，并绘出硬度计工作曲线，即压痕深度 硬度值曲线；步骤二，对待测工件进行检测加力系统施力于硬度计探头上，硬度计探头在待测工件上产生相应的压痕，硬度计探头检测到压痕深度的电信号经过前置放大器放大后，由工控机采样及模数转换成数字量信号，再对该数字量信号进行非线性转换处理得到压痕深度值，并将该压痕深度值代入硬度计工作曲线，获得待测工件的硬度值。
2.如权利要求1所述的硬度检测方法，其特征在于还包括以下步骤步骤三，通过工控 机将检测获得的数据生成电子报表文件，并输出或显示。
3.如权利要求2所述的硬度检测方法，其特征在于所述步骤一和二中通过工控机内 预置的VB软件程序对数字量信号进行非线性转换处理。
4.如权利要求3所述的硬度检测方法，其特征在于步骤二中当压痕深度值Tx处于二 个标定值之间时，代入硬度计工作曲线的公式为HBx = HBi+ (Tx-Ti) * (HBitl-HBi) / (T^1-Ti) 其中HBX 待测工件硬度值；Ti 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的深度标定值； Ti+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的深度标定值； HBi 为硬度计工作曲线上位于待测工件前一试点的硬度； HBi+1为硬度计工作曲线上位于待测工件后一试点的硬度。
全文摘要
本发明公开了一种硬度检测方法，检测时先使用不同硬度的试块通过VB软件程序进行硬度计工作曲线(即压痕深度-硬度值曲线)的标定及绘制，然后再对待测工件进行检测，通过将检测得到的压痕深度值代入硬度计工作曲线，从而获得待测工件的硬度值。本发明由于采用了以上技术方案，大幅度地提高了检测精度、稳定性，并能扩大检测范围，在动态状态下得以有效监视设备的整个工作过程，以使硬度计能满足自动化大生产的实际需要。
文档编号G01N3/42GK101893534SQ20091005186
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者吴吉华, 林培奋, 王品华, 韩莉 申请人:宝山钢铁股份有限公司