超聲波硬度計的測量原理

硬度測試已廣泛應用於(yu) 工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 、科學試驗和國防建設中，它是研究材料的機械性能、選定加工工藝、保證產(chan) 品質量的重要手段，準確進行硬度測試，對提高產(chan) 品質量、降低原材料消耗都起著重要作用。隨著新型材料的不斷出現，硬度計越來越成為(wei) 衡量產(chan) 品性能質量的*的重要儀(yi) 器，這就需要研製高精度、率、結構、實用方便的新型硬度計。
　　近十年來，硬度的測試多基於(yu) 壓痕法，隨著計算機的廣泛應用，超聲、磁等無損傷(shang) 硬度測試方法已有了重大突破。目前，硬度測試可采用的方法很多，如直流矯頑力法、光柵法、磁柵法、發射法、超聲傳(chuan) 感器法等，其中光柵、磁柵法雖精度很高，但屬於(yu) 壓痕法，對被測物表麵損傷(shang) 較大，成本也較高；直流矯頑力法需預先對被測物的材料、形狀、尺寸和工作條件進行破壞性檢驗，以作出標準測量曲線，故隻適用於(yu) 大批同一零件的檢驗；發射法雖在無損檢測方麵潛力很大，但測試設備很複雜，在通用的測試中不易采用；超聲傳(chuan) 感器法是使傳(chuan) 感器測頭與(yu) 被測件接觸，在均勻的接觸壓力下，使傳(chuan) 感器的諧振頻率隨壓痕深度（即硬度）而改變，通過計量該頻率的變化達到測量硬度的目的，該方法對被測件的損傷(shang) 極小，為(wei) 無損傷(shang) 測量，同時采用機電轉換的信號拾取方式，與(yu) 上述其它方法相比具有很大的*性。基於(yu) 超聲計量原理，研製出精度高、功能強的智能型數顯超聲硬度計。

1　超聲硬度測試方法基本原理
1.1 傳(chuan) 感器工作原理
　　傳(chuan) 感器由壓電晶體(ti) 、勵磁線圈、傳(chuan) 感器杆、金剛石錐體(ti) 等組成，傳(chuan) 感器杆一端與(yu) 一個(ge) 大質量剛體(ti) 固定在一起，另一端鑲有金剛石錐體(ti) 壓頭。當壓頭與(yu) 被測件不接觸時（如圖1a所示），處於(yu) 自由振動狀態，此時，傳(chuan) 感器杆的固定端將是振動的波節點，壓頭端由於(yu) 振幅大而成為(wei) 振動的波腹點，杆的長度等於(yu) 振動波長的1/4,此時的頻率就是傳(chuan) 感器杆的自由振蕩頻率。當傳(chuan) 感器杆的壓頭端*被試件夾緊時（如圖1c),情況下傳(chuan) 感器杆的兩(liang) 端都將成為(wei) 振動的波節點，杆的長度等於(yu) 振動波長的1/2,此時的頻率是壓頭端處於(yu) 自由狀態時的兩(liang) 倍。當壓頭壓到被測件上時，則處於(yu) 上述兩(liang) 種情況之間（如圖1b).在固定負荷作用下，對於(yu) 彈性模量相同的試件，硬度愈低，壓痕愈深，振動的波長越小，杆的振動頻率就越高。通過測量傳(chuan) 感器杆振動頻率的變化即可確定被測件的硬度。　　需要指出的是，試件的彈性模量不同，也會(hui) 影響傳(chuan) 感器杆的振動狀態，因此被測試塊的彈性模量應與(yu) 校準用的標準試塊一致，以保證測試精度。
1.2 測頭的激勵振蕩源及輸出信號處理
　　　　這是一個(ge) 標準的正反饋振蕩器，BG2輸出的振蕩電流流過測頭中的線圈，產(chan) 生的交變磁場推動傳(chuan) 感器杆振動，杆的振動又作用在壓電陶瓷上，由壓電陶瓷輸出一個(ge) 經過“放大"的電信號（正弦信號），再正反饋到BG1,形成自激振蕩。電路起振後，振蕩頻率主要由傳(chuan) 感器中的杆負荷及彈簧彈性係數決(jue) 定。
　　測頭的輸出信號是峰值約為(wei) 0.4V的近似正弦波信號，經放大整形後送入89C51的T0端計數，以計算該頻率，數據處理後即可得到被測硬度值。

2　係統硬件設計
　　　　微處理器采用內(nei) 含4k字節快擦寫(xie) PEROM的8位單片機89C51,自管理係統由可編程接口芯片8279控製，鍵盤除設有“測量"、“存儲(chu) "、“平均"、“打印"、“布氏"、“洛氏"、“韋氏"等功能外，還增加了“+0.1"、“-0.1"、“+1"、“-1"等補償(chang) 校正鍵，以便在測試前用標準試塊進行校準，消除測頭參數差異及環境溫度變化造成的誤差，提高測試精度。測量結果還可根據需要打印輸出。

3　係統軟件設計
　　軟件設計的主導思想是：采用模塊化結構，大量調用子程序及中斷服務程序，盡量減少主程序內(nei) 容，使條理清晰，調試方便，並充分利用布爾處理功能，使程序運轉靈活方便。
　　　　上電後首行自檢，一切正常時，顯示器顯示“0"，初始化為(wei) 洛氏硬度。軟件設計的一個(ge) 重要環節是檢測頻率信號的穩定性，因為(wei) 如果被測試塊表麵光潔度不夠或操作者操作不當等都可能造成頻率抖動，這樣的頻率應由計算機給予“剔除"，否則將造成很大誤差。另外，頻率從(cong) 自由振蕩到有荷振蕩需要一段時間，這期間應不予計數，數據處理在定時器溢出中斷服務程序中完成，根據測得的頻率得到相應的硬度值，再按要求查表轉換成相應的布氏、洛氏、韋氏硬度標度後送顯示器顯示。

4　提高測量精度的智能化措施
4.1 超聲硬度曲線的分段直線擬合
　　試件的硬度與(yu) 超聲傳(chuan) 感器的輸出頻率成近似線性的反比例關(guan) 係（如圖所示），為(wei) 了逼（近函數曲線和便於(yu) 計算機處理，采用“分段直線擬合"法，通過計算機利用語言對若幹對原始試驗數據用小二乘法處理，找出佳分割點f₁，f₂，並歸納出各段的線性函數：y_i=a_ix+b_i如圖5b所示）。其中測試時，微處理器將所測得的頻率與(yu) 預先設置好的分割點f₁和f₂比較，測出該瞬時頻率所在的區域，然後將該頻率值代入該段函數關(guan) 係式，即可得到硬度值。
4.2 麵向標準試塊的校準
　　超聲傳(chuan) 感器測頭由於(yu) 製造工藝等方麵的因素，相互間存在一定的差異，而用軟件設計的逼近曲線則是固定的，這勢必會(hui) 造成誤差。係統設計時對這一問題作了必要的考慮，即可以通過鍵盤上的“+0.1"、“-0.1"、“+1"、“-1"補償(chang) 修正鍵輸入校準值，微處理器對原始逼近曲線進行修正，以實現新的佳逼近（如圖5c所示）。原理如下：　　假定各段直線誤差為(wei)  ₁, ₂, ₃,曲線修正過程為(wei) ：通過鍵盤將各段截距加上 ₁, ₂,或 ₃,微處理器按下式找出新的分割點f'₁,f'₂。其中，b'₂、b'₃為(wei) 校準後的截距值，f'₂為(wei) 修正後的分割點，f'₁的尋找基於(yu) 同一原理。每按一次校準鍵，微處理器執行一次修正程序，每次都找出一組新的y'₁,y'₂,y'₃和f'₁,f'₂.當然，如果分割點取3個(ge) 以上精度會(hui) 更高，但軟件的複雜程度也隨之提高。實踐證明我們(men) 采用的這種處理方法，其精度足以滿足工程上的一般需要。
　　這種校準方法還有效地解決(jue) 了測頭在很寬溫度範圍內(nei) 工作時本身的頻率“偏移"問題，因此，每次正式測量之前，隻要用標準試塊進行校準，就可以獲得很高的精度。

5　結論
　　采用超聲傳(chuan) 感器研製的智能硬度計具有以下特點：
　　（1）以單片微處理器89C51為(wei) 核心，實現了軟硬件統一優(you) 化設計，充分發揮軟件資源對測試信號進行分析、加工，自動檢測係統各模塊功能，自動剔除錯誤信息和壞值，保證了每次測量結果的正確性。
　　（2）實現了硬件軟化，增加了許多新功能，如多點測量平均，結果打印，布、洛、韋轉換等。尤其是非線性直線擬合及麵向標準試塊校準等智能技術的應用，使係統精度明顯提高，分辨率為(wei) 0.1HRC,實測精度達0.5HRC.
　　(3)集成度高，結構緊湊，硬軟件都采取必要的抗幹擾措施，能在較惡劣的環境下可靠工作。該硬度計交直流兩(liang) 用，以適合野外作業(ye) 。