超声波硬度计的测量原理

硬度测试已广泛应用于工农业生产、科学试验和国防建设中，它是研究材料的机械性能、选定加工工艺、保证产品质量的重要手段，准确进行硬度测试，对提高产品质量、降低原材料消耗都起着重要作用。随着新型材料的不断出现，硬度计越来越成为衡量产品性能质量的*的重要仪器，这就需要研制高精度、率、结构、实用方便的新型硬度计。
　　近十年来，硬度的测试多基于压痕法，随着计算机的广泛应用，超声、磁等无损伤硬度测试方法已有了重大突破。目前，硬度测试可采用的方法很多，如直流矫顽力法、光栅法、磁栅法、发射法、超声传感器法等，其中光栅、磁栅法虽精度很高，但属于压痕法，对被测物表面损伤较大，成本也较高；直流矫顽力法需预先对被测物的材料、形状、尺寸和工作条件进行破坏性检验，以作出标准测量曲线，故只适用于大批同一零件的检验；发射法虽在无损检测方面潜力很大，但测试设备很复杂，在通用的测试中不易采用；超声传感器法是使传感器测头与被测件接触，在均匀的接触压力下，使传感器的谐振频率随压痕深度（即硬度）而改变，通过计量该频率的变化达到测量硬度的目的，该方法对被测件的损伤极小，为无损伤测量，同时采用机电转换的信号拾取方式，与上述其它方法相比具有很大的优越性。基于超声计量原理，研制出精度高、功能强的智能型数显超声硬度计。

1　超声硬度测试方法基本原理
1.1 传感器工作原理
　　传感器由压电晶体、励磁线圈、传感器杆、金刚石锥体等组成，传感器杆一端与一个大质量刚体固定在一起，另一端镶有金刚石锥体压头。当压头与被测件不接触时（如图1a所示），处于自由振动状态，此时，传感器杆的固定端将是振动的波节点，压头端由于振幅大而成为振动的波腹点，杆的长度等于振动波长的1/4,此时的频率就是传感器杆的自由振荡频率。当传感器杆的压头端*被试件夹紧时（如图1c),情况下传感器杆的两端都将成为振动的波节点，杆的长度等于振动波长的1/2,此时的频率是压头端处于自由状态时的两倍。当压头压到被测件上时，则处于上述两种情况之间（如图1b).在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的试件，硬度愈低，压痕愈深，振动的波长越小，杆的振动频率就越高。通过测量传感器杆振动频率的变化即可确定被测件的硬度。　　需要指出的是，试件的弹性模量不同，也会影响传感器杆的振动状态，因此被测试块的弹性模量应与校准用的标准试块一致，以保证测试精度。
1.2 测头的激励振荡源及输出信号处理
　　　　这是一个标准的正反馈振荡器，BG2输出的振荡电流流过测头中的线圈，产生的交变磁场推动传感器杆振动，杆的振动又作用在压电陶瓷上，由压电陶瓷输出一个经过“放大"的电信号（正弦信号），再正反馈到BG1,形成自激振荡。电路起振后，振荡频率主要由传感器中的杆负荷及弹簧弹性系数决定。
　　测头的输出信号是峰值约为0.4V的近似正弦波信号，经放大整形后送入89C51的T0端计数，以计算该频率，数据处理后即可得到被测硬度值。

2　系统硬件设计
　　　　微处理器采用内含4k字节快擦写PEROM的8位单片机89C51,自管理系统由可编程接口芯片8279控制，键盘除设有“测量"、“存储"、“平均"、“打印"、“布氏"、“洛氏"、“韦氏"等功能外，还增加了“+0.1"、“-0.1"、“+1"、“-1"等补偿校正键，以便在测试前用标准试块进行校准，消除测头参数差异及环境温度变化造成的误差，提高测试精度。测量结果还可根据需要打印输出。

3　系统软件设计
　　软件设计的主导思想是：采用模块化结构，大量调用子程序及中断服务程序，尽量减少主程序内容，使条理清晰，调试方便，并充分利用布尔处理功能，使程序运转灵活方便。
　　　　上电后首行自检，一切正常时，显示器显示“0"，初始化为洛氏硬度。软件设计的一个重要环节是检测频率信号的稳定性，因为如果被测试块表面光洁度不够或操作者操作不当等都可能造成频率抖动，这样的频率应由计算机给予“剔除"，否则将造成很大误差。另外，频率从自由振荡到有荷振荡需要一段时间，这期间应不予计数，数据处理在定时器溢出中断服务程序中完成，根据测得的频率得到相应的硬度值，再按要求查表转换成相应的布氏、洛氏、韦氏硬度标度后送显示器显示。

4　提高测量精度的智能化措施
4.1 超声硬度曲线的分段直线拟合
　　试件的硬度与超声传感器的输出频率成近似线性的反比例关系（如图所示），为了逼（近函数曲线和便于计算机处理，采用“分段直线拟合"法，通过计算机利用语言对若干对原始试验数据用小二乘法处理，找出佳分割点f₁，f₂，并归纳出各段的线性函数：y_i=a_ix+b_i如图5b所示）。其中测试时，微处理器将所测得的频率与预先设置好的分割点f₁和f₂比较，测出该瞬时频率所在的区域，然后将该频率值代入该段函数关系式，即可得到硬度值。
4.2 面向标准试块的校准
　　超声传感器测头由于制造工艺等方面的因素，相互间存在一定的差异，而用软件设计的逼近曲线则是固定的，这势必会造成误差。系统设计时对这一问题作了必要的考虑，即可以通过键盘上的“+0.1"、“-0.1"、“+1"、“-1"补偿修正键输入校准值，微处理器对原始逼近曲线进行修正，以实现新的佳逼近（如图5c所示）。原理如下：　　假定各段直线误差为 ₁, ₂, ₃,曲线修正过程为：通过键盘将各段截距加上 ₁, ₂,或 ₃,微处理器按下式找出新的分割点f'₁,f'₂。其中，b'₂、b'₃为校准后的截距值，f'₂为修正后的分割点，f'₁的寻找基于同一原理。每按一次校准键，微处理器执行一次修正程序，每次都找出一组新的y'₁,y'₂,y'₃和f'₁,f'₂.当然，如果分割点取3个以上精度会更高，但软件的复杂程度也随之提高。实践证明我们采用的这种处理方法，其精度足以满足工程上的一般需要。
　　这种校准方法还有效地解决了测头在很宽温度范围内工作时本身的频率“偏移"问题，因此，每次正式测量之前，只要用标准试块进行校准，就可以获得很高的精度。

5　结论
　　采用超声传感器研制的智能硬度计具有以下特点：
　　（1）以单片微处理器89C51为核心，实现了软硬件统一优化设计，充分发挥软件资源对测试信号进行分析、加工，自动检测系统各模块功能，自动剔除错误信息和坏值，保证了每次测量结果的正确性。
　　（2）实现了硬件软化，增加了许多新功能，如多点测量平均，结果打印，布、洛、韦转换等。尤其是非线性直线拟合及面向标准试块校准等智能技术的应用，使系统精度明显提高，分辨率为0.1HRC,实测精度达0.5HRC.
　　(3)集成度高，结构紧凑，硬软件都采取必要的抗干扰措施，能在较恶劣的环境下可靠工作。该硬度计交直流两用，以适合野外作业。