超聲波硬度計的測量原理

硬度測試已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、科學(xué)試驗和國防建設(shè)中,，它是研究材料的機械性能、選定加工工藝,、保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段,，準(zhǔn)確進行硬度測試，對提高產(chǎn)品質(zhì)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(xiàn)，硬度計越來越成為衡量產(chǎn)品性能質(zhì)量的*的重要儀器,，這就需要研制高精度,、率、結(jié)構(gòu),、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(yīng)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(fā)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)測量曲線,，故只適用于大批同一零件的檢驗；發(fā)射法雖在無損檢測方面潛力很大，但測試設(shè)備很復(fù)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(dá)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(zhuǎn)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(shù)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(zhì)量剛體固定在一起,，另一端鑲有金剛石錐體壓頭。當(dāng)壓頭與被測件不接觸時（如圖1a所示）,，處于自由振動狀態(tài),，此時，傳感器桿的固定端將是振動的波節(jié)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(dāng)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(jié)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(tài)時的兩倍,。當(dāng)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(fù)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,?！　⌒枰赋龅氖牵嚰膹椥阅Ａ坎煌矔绊憘鞲衅鳁U的振動狀態(tài),，因此被測試塊的彈性模量應(yīng)與校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的正反饋振蕩器,，BG2輸出的振蕩電流流過測頭中的線圈,，產(chǎn)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(jīng)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(fù)荷及彈簧彈性系數(shù)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(jīng)放大整形后送入89C51的T0端計數(shù),，以計算該頻率,，數(shù)據(jù)處理后即可得到被測硬度值。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　　　微處理器采用內(nèi)含4k字節(jié)快擦寫PEROM的8位單片機89C51,自管理系統(tǒng)由可編程接口芯片8279控制,，鍵盤除設(shè)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(biāo)準(zhǔn)試塊進行校準(zhǔn),，消除測頭參數(shù)差異及環(huán)境溫度變化造成的誤差,，提高測試精度。測量結(jié)果還可根據(jù)需要打印輸出,。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　軟件設(shè)計的主導(dǎo)思想是：采用模塊化結(jié)構(gòu),，大量調(diào)用子程序及中斷服務(wù)程序，盡量減少主程序內(nèi)容,，使條理清晰,，調(diào)試方便，并充分利用布爾處理功能,，使程序運轉(zhuǎn)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(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)是檢測頻率信號的穩(wěn)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(dāng)?shù)榷伎赡茉斐深l率抖動,，這樣的頻率應(yīng)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(yīng)不予計數(shù)，數(shù)據(jù)處理在定時器溢出中斷服務(wù)程序中完成,，根據(jù)測得的頻率得到相應(yīng)的硬度值,，再按要求查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的布氏、洛氏,、韋氏硬度標(biāo)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(guān)系（如圖所示），為了逼（近函數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)：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(yù)先設(shè)置好的分割點f₁和f₂比較，測出該瞬時頻率所在的區(qū)域,，然后將該頻率值代入該段函數(shù)關(guān)系式,，即可得到硬度值。
4.2 面向標(biāo)準(zhǔn)試塊的校準(zhǔn)
　　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(shè)計的逼近曲線則是固定的，這勢必會造成誤差,。系統(tǒng)設(shè)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(zhǔn)值，微處理器對原始逼近曲線進行修正,，以實現(xiàn)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(zhǔn)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(zhǔn)鍵,，微處理器執(zhí)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(dāng)然,，如果分割點取3個以上精度會更高,，但軟件的復(fù)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(zhǔn)方法還有效地解決了測頭在很寬溫度范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)試塊進行校準(zhǔn)，就可以獲得很高的精度,。

5　結(jié)論
　　采用超聲傳感器研制的智能硬度計具有以下特點：
　?。?）以單片微處理器89C51為核心，實現(xiàn)了軟硬件統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計,，充分發(fā)揮軟件資源對測試信號進行分析,、加工，自動檢測系統(tǒng)各模塊功能,，自動剔除錯誤信息和壞值,，保證了每次測量結(jié)果的正確性。
　?。?）實現(xiàn)了硬件軟化,，增加了許多新功能，如多點測量平均,，結(jié)果打印,，布、洛,、韋轉(zhuǎn)換等,。尤其是非線性直線擬合及面向標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)等智能技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)精度明顯提高,，分辨率為0.1HRC,實測精度達(dá)0.5HRC.
　　(3)集成度高,，結(jié)構(gòu)緊湊，硬軟件都采取必要的抗干擾措施,，能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作,。該硬度計交直流兩用,，以適合野外作業(yè)。