超聲波硬度計的測量原理

硬度測試已廣泛應用于工農業生產、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、保證產品質量的重要手段，準確進行硬度測試，對提高產品質量、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，硬度計越來越成為衡量產品性能質量的*的重要儀器，這就需要研制高精度、率、結構、實用方便的新型硬度計。
　　近十年來，硬度的測試多基于壓痕法，隨著計算機的廣泛應用，超聲、磁等無損傷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、超聲傳感器法等，其中光柵、磁柵法雖精度很高，但屬于壓痕法，對被測物表面損傷較大，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，故只適用于大批同一零件的檢驗；發射法雖在無損檢測方面潛力很大，但測試設備很復雜，在通用的測試中不易采用；超聲傳感器法是使傳感器測頭與被測件接觸，在均勻的接觸壓力下，使傳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極小，為無損傷測量，同時采用機電轉換的信號拾取方式，與上述其它方法相比具有很大的*性。基于超聲計量原理，研制出精度高、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 傳感器工作原理
　　傳感器由壓電晶體、勵磁線圈、傳感器桿、金剛石錐體等組成，傳感器桿一端與一個大質量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石錐體壓頭。當壓頭與被測件不接觸時（如圖1a所示），處于自由振動狀態，此時，傳感器桿的固定端將是振動的波節點，壓頭端由于振幅大而成為振動的波腹點，桿的長度等于振動波長的1/4,此時的頻率就是傳感器桿的自由振蕩頻率。當傳感器桿的壓頭端*被試件夾緊時（如圖1c),情況下傳感器桿的兩端都將成為振動的波節點，桿的長度等于振動波長的1/2,此時的頻率是壓頭端處于自由狀態時的兩倍。當壓頭壓到被測件上時，則處于上述兩種情況之間（如圖1b).在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件，硬度愈低，壓痕愈深，振動的波長越小，桿的振動頻率就越高。通過測量傳感器桿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，也會影響傳感器桿的振動狀態，因此被測試塊的彈性模量應與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，產生的交變磁場推動傳感器桿振動，桿的振動又作用在壓電陶瓷上，由壓電陶瓷輸出一個經過“放大"的電信號（正弦信號），再正反饋到BG1,形成自激振蕩。電路起振后，振蕩頻率主要由傳感器中的桿負荷及彈簧彈性系數決定。
　　測頭的輸出信號是峰值約為0.4V的近似正弦波信號，經放大整形后送入89C51的T0端計數，以計算該頻率，數據處理后即可得到被測硬度值。

2　系統硬件設計
　　　　微處理器采用內含4k字節快擦寫PEROM的8位單片機89C51,自管理系統由可編程接口芯片8279控制，鍵盤除設有“測量"、“存儲"、“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　系統軟件設計
　　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，盡量減少主程序內容，使條理清晰，調試方便，并充分利用布爾處理功能，使程序運轉靈活方便。
　　　　上電后首行自檢，一切正常時，顯示器顯示“0"，初始化為洛氏硬度。軟件設計的一個重要環節是檢測頻率信號的穩定性，因為如果被測試塊表面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、韋氏硬度標度后送顯示器顯示。

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
　　試件的硬度與超聲傳感器的輸出頻率成近似線性的反比例關系（如圖所示），為了逼（近函數曲線和便于計算機處理，采用“分段直線擬合"法，通過計算機利用語言對若干對原始試驗數據用小二乘法處理，找出佳分割點f₁，f₂，并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，然后將該頻率值代入該段函數關系式，即可得到硬度值。
4.2 面向標準試塊的校準
　　超聲傳感器測頭由于制造工藝等方面的因素，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，這勢必會造成誤差。系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 ₁, ₂, ₃,曲線修正過程為：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為校準后的截距值，f'₂為修正后的分割點，f'₁的尋找基于同一原理。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個以上精度會更高，但軟件的復雜程度也隨之提高。實踐證明我們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了測頭在很寬溫度范圍內工作時本身的頻率“偏移"問題，因此，每次正式測量之前，只要用標準試塊進行校準，就可以獲得很高的精度。

5　結論
　　采用超聲傳感器研制的智能硬度計具有以下特點：
　　（1）以單片微處理器89C51為核心，實現了軟硬件統一優化設計，充分發揮軟件資源對測試信號進行分析、加工，自動檢測系統各模塊功能，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面向標準試塊校準等智能技術的應用，使系統精度明顯提高，分辨率為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干擾措施，能在較惡劣的環境下可靠工作。該硬度計交直流兩用，以適合野外作業。