專利名稱：一種滲硼層厚度測量儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于物理技術領域，更進一步涉及一種測量滲硼層厚度的測量儀。
人們為了提高材料表面的耐磨性，常用的處理措施之一是表面滲硼。對于滲硼層厚度的精確測量，目前市場上出售的各種涂層厚度測厚儀對此無能為力，而國內外普遍采用的方法是剖切法，即沿垂直于滲硼層表面的方向切開工件，然后在光鏡或掃描電鏡下觀察剖面，直接度量滲硼層厚度；在生產現場則是靠控制工藝參數來大致獲得所要求的厚度。隨著現代表面處理設備的發展，自動化程度的進一步提高，迫切求在生產現場能對滲硼層厚度進行快速、無損測試，以提高勞動生產率。然而截止目前在國內外這仍是一大難題。
本實用新型的目的在于提供一種電阻率突變明顯、易于判定的、可在生產現場直接對滲硼層的厚度進行快速、無損測試的測量儀器。
本實用新型包括傳感器及信號處理單元，信號處理單元中的變頻振蕩器的輸出端分別接驅動與信號放大器的輸入端、相敏檢波器的控制端、頻率計的輸入端。驅動及信號放大器的驅動輸出端通過電纜與傳感器相連，驅動及信號放大器的信號輸出端與相敏檢波器的輸入端相連。相敏檢波器的輸出端和減法器的輸入端相連，減法器的輸出端和頻率計的輸出端將電阻率差值信號及頻率信號送往外部X-Y記錄儀鄞計算機。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。
圖1為本實用新型的方框圖。
圖2為本實用新型的驅動及放大器電原理圖。
圖3為本實用新型的變頻振蕩器電原理圖。
圖4為本實用新型的相敏檢波器電原理圖。
圖1是滲硼層厚度測試儀方框圖。在圖1中，1、2為電渦流傳感器。3、4為驅動及信號放大器。5、6為相敏檢波器。7為變頻振蕩器。9為由IC1及R1、R2、R3組成的減法器，IC1采用高精度低漂移運算放大器OP-07芯片。本實用新型的變頻振蕩器7的輸出分別送往和兩傳感器通過電纜相連的驅動及信號放大器3、4，還送往相敏檢波器5、6，以及頻率計8的輸入端，相敏檢波器5、6的輸出端V0、V0’分別和減法器9的兩輸入端相連，減去器9的輸出端Y-OUT和頻率計8的輸出端X-OUT可接外部計算機進行數據的進一步處理。圖中傳感器探頭1、2采用聚四氟乙烯骨架、在其上用純銀導線繞制成一扁平線圈，然后封裝在聚四氟乙烯制作的殼體內，其外形結構取決于試樣的形狀。圖1中樣品10和試樣11系同一材質、同一形狀、同一安裝方式，標樣10為未滲硼樣品，試樣11為滲硼待測樣品。變頻振蕩器7輸出正弦波信號VB經驅動及放大器3到傳感器1，在試樣10的表層內產生渦流，其趨膚深度隨傳感器頻率的增高而變淺。樣品的電阻率不同，在樣品表面產生的渦流的損耗程度不同，傳感器的阻抗變化也就不同；一般而言，當其它條件不變時，樣品電阻率越大，渦流損耗越小，傳感器的阻抗也就越大。因而，根據傳感器阻抗的變化，就可獲知對應激勵頻率在樣品表面產生趨膚深度內的電阻率變化的平均值。在圖1中，傳感器阻抗的變化經過驅動及信號放大器3放大、送往相敏檢波器5進行檢波濾波，輸出一反映樣品表層一定深度內電阻率大小的直流信號。激勵頻率不同，趨膚深度不同，所測的電阻率也就代表了樣品表面不同深度層的電阻率。傳感器的激勵頻率即變頻振蕩器7的輸出經頻率計8轉換成直流電壓信號X-0UT輸出，它的大小反映了測試的深度。為更有效的提取滲硼層厚度的信息。將反映滲硼層電阻率的信號V0與反映未滲硼層電阻率的信號V0′相比較，即相減，從而消除了基底材料等的影響。
圖2驅動及信號放大器由兩部分組成，一部分是驅動信號放大器12，另一部分是傳感器信號放大器13。變頻振蕩器輸出的正弦波信號VB需要經過功率放大方能作為傳感器的驅動信號，而驅動信號放大器12正是完成此功能的功率放大器。其輸入信號為變頻振蕩器的輸出信號VB，VB經電阻R4與電位器P1組成的衰減器生成合適的電壓信號，再經電容器C1耦合到運算放大器IC2的負端；IC2與Q1、Q2組成的負反饋放大器對此進行功率放大驅動變壓器T1的初級；寬頻帶運算放大器IC2采用寬頻帶運算放大器CA3100芯片，三極管Q1、Q2分別為2N5053、2N4037。IC2的輸出和推挽電路Q1、Q2相連，輸出經變壓器T1后輸出一功率信號V1。
電渦流傳感器的測量電路有多種形式，如Q值測試電路、電橋電路和諧振電路；本實用新型采用了電橋電路。傳感器信號放大器13中電渦流傳感器線圈L和配橋線圈L01，與可變電容C0和電容C02，以及電阻R0和R01組成電橋的四個臂，驅動放大器12的功率放大驅動信號V1作為電橋的供橋電壓驅動信號；初始工作可調節可變電容器C0使電橋平衡。電橋的輸出連接到運算放大器IC3和Q3、Q4組成的小信號寬頻帶放大器的輸入端，對電橋輸出的小信號進行電壓放大。小信號寬頻帶放大器的帶寬為10kHZ～2MHZ，寬頻帶運算放大器IC3采用CA3100芯片，三極管Q4、Q3分別為2N5053、2N4037。電橋輸出的信號經電阻R9和電位器P2組成的衰減器生成合適的電壓信號再經電容C5耦合到運算放大器IC3的輸入端，IC3的輸出和推挽電路Q4、Q3相連，其輸出即為傳感器信號放大器的輸出信號VC。
圖3變頻振蕩器由兩部分組成，一部分是方波信號發生器14；另一部分是波形整理電路15。方波信號發生器14由IC4組成，IC4為一時基電路NE555，其輸出為方波信號VA，VA的頻率范圍為10kHZ～2MHz；方波VA的頻率由電阻R14、電位器P3和可變電容C11的參數所確定，調節可變電容器C11可改變方波的頻率。本儀器可進行手動掃描和自動掃描，手動掃描只需手動旋動可調電容器C11；而自動掃描則啟動開關K，從而電動機D帶動C11的軸進行自動頻率掃描。方波信號VA經波形整理電路15輸出正弦波信號VB。波形整理電路16為由兩IC5、IC6所組成的積分電路組成，其輸入方波信號發生器的輸出VA相連，輸出即整形為正弦波信號VB。正弦波掃描信號VB將輸出到驅動信號放大器12進行功率放大；同時VB還將作為相敏檢波器16的參考輸入信號。
圖4為相敏檢波器電原理圖。它由兩部分組成，一是相敏檢波器16；另一是濾波器17。對于交流放大信號VC，不僅要能反映其幅值信息，還需反映其相位信息。所以相敏檢波器16既要保持傳感器信號放大器13輸出信號VC的幅值信息；同時要反映出變頻振蕩器輸出信號VB與傳感器信號放大器13輸出信號VC的相位差信息。相敏檢波器16的輸入信號為VC，參考輸入信號為VB，它們分別從兩個變壓器T2、T3的初級輸入；變壓器T2的次級與橋式檢波電路a、b端相連，變壓器T3次級接橋式檢波電路c、d端。當VC和VB同相位時，其輸出信號VD為正；當VC和VB反相時，VD為負。所以VD的大反映了VC的大小；而VD的極性則反映了VC與VB的相位差，相敏檢波器的輸出信號VD輸入到濾波器17的輸入端。濾波器是由運算放大器IC7(IC7采用芯片CA3100)和阻容濾波網絡12、C13、R17、R18組成的二階有源低通濾波器；其帶寬為2MHZ；它的輸出是直流信號V0。從而電渦流傳感器的信號經傳感器信號放大器13、相敏檢波器16和濾波器7輸出為可作比較和驅動顯示的信號V0。
本實用新型是利用渦流法測量工件表面電阻率的方法來獲得滲硼層厚度的，其最大特點是采用了頻率掃描技術和有標樣定量分析技術。
頻率掃描技術是指加在電渦流傳感器上的交流正弦信號的頻率是連續變化的。不同的頻率作用在樣品表面有不同的趨膚深度，而樣品表面滲硼層和該層以下樣品有不同的電阻率，通過施加不同頻率測量樣品不同深度的電阻率變化，就可確定滲硼層的厚度。僅靠使用此技術，其測量結果易受樣品材質、形狀、磁特性及傳感器的幾何參數、激勵電流、安裝方式等等因素影響。有標樣定量分析技術是指在測量未知樣品(滲硼樣品)隨深度電阻率變化時，在完全等同的條件下同時測量標準樣品(未滲硼樣品，與未知樣品同一材質)隨深度的電阻率變化，然后把這二信號相減，就得一電阻率隨深度的變化曲線，電阻率突變處的深度即滲硼層的厚度、采用該技術的目的是克服上述頻掃技術的不足，使電阻率突變明顯、易于判定。
權利要求1.一種滲硼層厚度測量儀，它包括傳感器及信號處理單元，其特征在于所述信號處理單元中的變頻振蕩器(7)的輸出端分別接驅動與信號放大器(3)、(4)的輸入端、相敏檢波器(5)、(6)的控制端、頻率計(8)的輸入端；驅動與信號放大器(3)、(4)的驅動輸出端通過電纜與傳感器(1)、(2)相連；驅動與信號放大器(3)、(4)的信號輸出端與相敏檢波器(5)、(6)的輸入端相連，相敏檢波器(5)、(6)的輸出端和減法器(9)的輸入端相連，減法器(9)的輸出端和頻率計(8)的輸出端將電阻率差值信號及頻率信號送往外部X-Y記錄儀或計算機。
2.如權利要求1所述的滲硼層厚度測量儀，其特征在于所述的變頻振蕩器(7)采用時基電路NE555專用芯片，其輸出經兩級寬頻帶運算放大器IC5、IC6輸出，電機D帶動可變電容器(C11)調整頻率變化。
3.如權利要求1所述的滲硼層厚度測量儀，其特正在于所述的信號放大器中寬頻帶運算放大器(IC2)的輸出端和推挽電路Q1、Q2輸入端相連，其輸出端經變壓器T1接一個傳感器線圈L；傳感器線圈L和電容(C0)、(C01)、(L01)(R0)、(R01)組成橋式測量電路，橋式電路輸出端接運算放大器(IC3)輸入端，而后經推挽輸出。
4.如權利要求1所述的滲硼層厚度測量儀，其特征在于所述的相敏檢波器中的變壓器T2的初級為控制端，T2的次級與橋式檢波電路a、b端相連，變壓器T3初為相敏檢波器的信號輸入端，T3次級接橋式檢波電路的c、d端，相敏檢波電路的輸出經運算放大器IC7濾波后輸出。
專利摘要一種物理測量技術領域的滲硼層厚度測量儀，它包括傳感器及信號處理單元，變頻振蕩器輸出分別送往和兩傳感器通過電纜相連的驅動及信號放大器、相敏檢波器、頻率計。相敏檢波器輸出端分別接到減法器兩輸入端，減法器的輸出和頻率計的輸出接計算機或X-Y記錄儀。本實用新型采用了頻率掃描技術和有標樣定量分析技術，具有電阻率突變明顯，易于判定的特點，可對滲硼層厚度進行在線、快速、無損檢測。
文檔編號G01B7/02GK2244179SQ9524516
公開日1997年1月1日 申請日期1995年8月1日 優先權日1995年8月1日
發明者劉軍海, 陸明珠, 蘇啟生, 何家文 申請人:西安交通大學
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