超聲波硬度計(jì)的測(cè)量原理

硬度測(cè)試已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)和國防建設(shè)中，它是研究材料的機(jī)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(jìn)行硬度測(cè)試，對(duì)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(jì)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(shí)用方便的新型硬度計(jì)。
　　近十年來，硬度的測(cè)試多基于壓痕法，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，超聲、磁等無損傷硬度測(cè)試方法已有了重大突破。目前，硬度測(cè)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(duì)被測(cè)物表面損傷較大，成本也較高；直流矯頑力法需預(yù)先對(duì)被測(cè)物的材料、形狀、尺寸和工作條件進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，以作出標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量曲線，故只適用于大批同一零件的檢驗(yàn)；發(fā)射法雖在無損檢測(cè)方面潛力很大，但測(cè)試設(shè)備很復(fù)雜，在通用的測(cè)試中不易采用；超聲傳感器法是使傳感器測(cè)頭與被測(cè)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(jì)量該頻率的變化達(dá)到測(cè)量硬度的目的，該方法對(duì)被測(cè)件的損傷極小，為無損傷測(cè)量，同時(shí)采用機(jī)電轉(zhuǎn)換的信號(hào)拾取方式，與上述其它方法相比具有很大的*性。基于超聲計(jì)量原理，研制出精度高、功能強(qiáng)的智能型數(shù)顯超聲硬度計(jì)。

1　超聲硬度測(cè)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(lì)磁線圈、傳感器桿、金剛石錐體等組成，傳感器桿一端與一個(gè)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(cè)件不接觸時(shí)（如圖1a所示），處于自由振動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，傳感器桿的固定端將是振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，壓頭端由于振幅大而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，桿的長度等于振動(dòng)波長的1/4,此時(shí)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(shí)（如圖1c),情況下傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，桿的長度等于振動(dòng)波長的1/2,此時(shí)的頻率是壓頭端處于自由狀態(tài)時(shí)的兩倍。當(dāng)壓頭壓到被測(cè)件上時(shí)，則處于上述兩種情況之間（如圖1b).在固定負(fù)荷作用下，對(duì)于彈性模量相同的試件，硬度愈低，壓痕愈深，振動(dòng)的波長越小，桿的振動(dòng)頻率就越高。通過測(cè)量傳感器桿振動(dòng)頻率的變化即可確定被測(cè)件的硬度。　　需要指出的是，試件的彈性模量不同，也會(huì)影響傳感器桿的振動(dòng)狀態(tài)，因此被測(cè)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(cè)試精度。
1.2 測(cè)頭的激勵(lì)振蕩源及輸出信號(hào)處理
　　　　這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正反饋振蕩器，BG2輸出的振蕩電流流過測(cè)頭中的線圈，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)推動(dòng)傳感器桿振動(dòng)，桿的振動(dòng)又作用在壓電陶瓷上，由壓電陶瓷輸出一個(gè)經(jīng)過“放大"的電信號(hào)（正弦信號(hào)），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(cè)頭的輸出信號(hào)是峰值約為0.4V的近似正弦波信號(hào)，經(jīng)放大整形后送入89C51的T0端計(jì)數(shù)，以計(jì)算該頻率，數(shù)據(jù)處理后即可得到被測(cè)硬度值。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　　　微處理器采用內(nèi)含4k字節(jié)快擦寫PEROM的8位單片機(jī)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(cè)量"、“存儲(chǔ)"、“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(bǔ)償校正鍵，以便在測(cè)試前用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，消除測(cè)頭參數(shù)差異及環(huán)境溫度變化造成的誤差，提高測(cè)試精度。測(cè)量結(jié)果還可根據(jù)需要打印輸出。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)靈活方便。
　　　　上電后首行自檢，一切正常時(shí)，顯示器顯示“0"，初始化為洛氏硬度。軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是檢測(cè)頻率信號(hào)的穩(wěn)定性，因?yàn)槿绻粶y(cè)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(dòng)，這樣的頻率應(yīng)由計(jì)算機(jī)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(shí)間，這期間應(yīng)不予計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)處理在定時(shí)器溢出中斷服務(wù)程序中完成，根據(jù)測(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)處理，采用“分段直線擬合"法，通過計(jì)算機(jī)利用語言對(duì)若干對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)用小二乘法處理，找出佳分割點(diǎn)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(cè)試時(shí)，微處理器將所測(cè)得的頻率與預(yù)先設(shè)置好的分割點(diǎn)f₁和f₂比較，測(cè)出該瞬時(shí)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(cè)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(jì)的逼近曲線則是固定的，這勢(shì)必會(huì)造成誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(bǔ)償修正鍵輸入校準(zhǔn)值，微處理器對(duì)原始逼近曲線進(jìn)行修正，以實(shí)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)取3個(gè)以上精度會(huì)更高，但軟件的復(fù)雜程度也隨之提高。實(shí)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(cè)頭在很寬溫度范圍內(nèi)工作時(shí)本身的頻率“偏移"問題，因此，每次正式測(cè)量之前，只要用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)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(jì)具有以下特點(diǎn)：
　　（1）以單片微處理器89C51為核心，實(shí)現(xiàn)了軟硬件統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮軟件資源對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析、加工，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)各模塊功能，自動(dòng)剔除錯(cuò)誤信息和壞值，保證了每次測(cè)量結(jié)果的正確性。
　　（2）實(shí)現(xiàn)了硬件軟化，增加了許多新功能，如多點(diǎn)測(cè)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(shí)測(cè)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(jì)交直流兩用，以適合野外作業(yè)。