超聲波硬度計是一種常用的測試儀器，對提高產品質量、降低原材料消耗都起著重要作用
，還可以對硬度經行精確的測試，被廣泛的應用於工業生產、科學實驗、國(guo)防(fang)建(jian)行(xing)業(ye)當(dang)中(zhong)。用(yong)戶(hu)在(zai)使(shi)用(yong)超(chao)聲(sheng)波(bo)硬(ying)度(du)計(ji)的(de)時(shi)候(hou)對(dui)於(yu)它(ta)的(de)測(ce)試(shi)原(yuan)理(li)需(xu)要(yao)有(you)一(yi)定(ding)的(de)了(le)解(jie)，這(zhe)樣(yang)在(zai)測(ce)試(shi)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)才(cai)會(hui)更(geng)加(jia)精(jing)準(zhun)。那(na)麼(me)具(ju)體(ti)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)硬(ying)度(du)計(ji)的(de)測(ce)試(shi)原(yuan)理(li)是(shi)什(shen)麼(me)呢(ne)
？下(xia)麵(mian)小(xiao)編(bian)就(jiu)來(lai)為(wei)大(da)家(jia)具(ju)體(ti)介(jie)紹(shao)一(yi)下(xia)吧(ba)。轉(zhuan)自(zi)中(zhong)國(guo)傳(chuan)感(gan)器(qi)交(jiao)易(yi)網(wang)

近十年來
，硬度的測試多基於壓痕法，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、巴克豪森發射法
、超聲傳感器法等，其中光柵、磁柵法雖精度很高，但屬於壓痕法，對被測物表麵損傷較大，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，故隻適用於大批同一零件的檢驗

；巴克豪森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er改gai變bian

，通tong過guo計ji量liang該gai頻pin率lv的de變bian化hua達da到dao測ce量liang硬ying度du的de目mu的de，該gai方fang法fa對dui被bei測ce件jian的de損sun傷shang極ji小xiao，為wei無wu損sun傷shang測ce量liang
，同tong時shi采cai用yong機ji電dian轉zhuan換huan的de信xin號hao拾shi取qu方fang式shi
，與yu上shang述shu其qi它ta方fang法fa相xiang比bi具ju有you很hen大da的de優you越yue性xing。基ji於yu超chao聲sheng計ji量liang原yuan理li，研yan製zhi出chu精jing度du高gao


、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、傳感器杆、金剛石錐體等組成，傳感器杆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)，chuyuziyouzhendongzhuangtai
，cishi，chuanganqigandegudingduanjiangshizhendongdebojiedian，yatouduanyouyuzhenfuzuidaerchengweizhendongdebofudian，gandechangdudengyuzhendongbochangde1/4
，此時的頻率就是傳感器杆的自由振蕩頻率。當傳感器杆的壓頭端完全被試件夾緊時(如圖1c理想情況下傳感器杆的兩端都將成為振動的波節點
，杆的長度等於振動波長的1/2，此時的頻率是壓頭端處於自由狀態時的兩倍。當壓頭壓到被測件上時
，則處於上述兩種情況之間(如圖1b).在zai固gu定ding負fu荷he作zuo用yong下xia，對dui於yu彈dan性xing模mo量liang相xiang同tong的de試shi件jian，硬ying度du愈yu低di，壓ya痕hen愈yu深shen
，振zhen動dong的de波bo長chang越yue小xiao，杆gan的de振zhen動dong頻pin率lv就jiu越yue高gao。通tong過guo測ce量liang傳chuan感gan器qi杆gan振zhen動dong頻pin率lv的de變bian化hua即ji可ke確que定ding被bei測ce件jian的de硬ying度du。 需xu要yao指zhi出chu的de是shi，試shi件jian的de彈dan性xing模mo量liang不bu同tong
，也ye會hui影ying響xiang傳chuan感gan器qi杆gan的de振zhen動dong狀zhuang態tai，因yin此ci被bei測ce試shi塊kuai的de彈dan性xing模mo量liang應ying與yu校xiao準zhun用yong的de標biao準zhun試shi塊kuai一yi致zhi，以yi保bao證zheng測ce試shi精jing度du。)
，

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，振蕩頻率主要由傳感器中的杆負荷及彈簧彈性係數決定。

測頭的輸出信號是峰值約為0.4V的近似正弦波信號
，經放大整形後送入89C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。51

2 係統硬件設計

微處理器采用內含4k字節快擦寫PEROM的8位單片機89C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”
、“平均”、“打印”、“布氏”、“洛氏”
、“韋氏”等功能外，還增加了“+0.1”、“-0.1”、“+1”、“-1”dengbuchangxiaozhengjian，yibianzaiceshiqianyongbiaozhunshikuaijinxingxiaozhun

，xiaochucetoucanshuchayijihuanjingwendubianhuazaochengdewucha，tigaoceshijingdu。celiangjieguohaikegenjuxuyaodayinshuchu。51
，

3 係統軟件設計

軟件設計的主導思想是：caiyongmokuaihuajiegou，daliangtiaoyongzichengxujizhongduanfuwuchengxu，jinliangjianshaozhuchengxuneirong，shitiaoliqingxi

，tiaoshifangbian，bingchongfenliyongbuerchuligongneng
，shichengxuyunzhuanlinghuofangbian。

上電後首先進行自檢
，一切正常時，顯示器顯示“0”

，chushihuaweiluoshiyingdu。ruanjianshejideyigezhongyaohuanjieshijiancepinlvxinhaodewendingxing，yinweiruguobeiceshikuaibiaomianguangjiedubugouhuocaozuozhecaozuobudangdengdoukenengzaochengpinlvdoudong
，zheyangdepinlvyingyoujisuanjigeiyu“剔除”，否fou則ze將jiang造zao成cheng很hen大da誤wu差cha。另ling外wai
，頻pin率lv從cong自zi由you振zhen蕩dang到dao有you荷he振zhen蕩dang需xu要yao一yi段duan時shi間jian，這zhe期qi間jian應ying不bu予yu計ji數shu，數shu據ju處chu理li在zai定ding時shi器qi溢yi出chu中zhong斷duan服fu務wu程cheng序xu中zhong完wan成cheng
，根gen據ju測ce得de的de頻pin率lv得de到dao相xiang應ying的de硬ying度du值zhi，再zai按an要yao求qiu查zha表biao轉zhuan換huan成cheng相xiang應ying的de布bu氏shi、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

試件的硬度與超聲傳感器的輸出頻率成近似線性的反比例關係(如圖5a所示)

，為了精確逼(近函數曲線和便於計算機處理，采用“分段直線擬合”法
，通過計算機利用高級語言對若幹對原始試驗數據用最小二乘法處理
，找出最佳分割點f1，f2，並歸納出各段的線性函數：yi=aix+bi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
，然後將該頻率值代入該段函數關係式，即可得到硬度值。

4.2麵向標準試塊的校準

超(chao)聲(sheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)頭(tou)由(you)於(yu)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)等(deng)方(fang)麵(mian)的(de)因(yin)素(su)，相(xiang)互(hu)間(jian)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)差(cha)異(yi)，而(er)用(yong)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)的(de)逼(bi)近(jin)曲(qu)線(xian)則(ze)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)
，這(zhe)勢(shi)必(bi)會(hui)造(zao)成(cheng)誤(wu)差(cha)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)時(shi)對(dui)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)作(zuo)了(le)必(bi)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)，即(ji)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)鍵(jian)盤(pan)上(shang)的(de)“+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
，以實現新的最佳逼近(如圖5c所示)。原理如下： 假定各段直線誤差為 ， 2， 3，曲線修正過程為：通過鍵盤將各段截距加上 ， 2，或


，微處理器按下式找出新的分割點f311'1，f'2。其中，b'2
、b'3為校準後的截距值，f'2為修正後的分割點，f'1的尋找基於同一原理。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
，但軟件的複雜程度也隨之提高。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範圍內工作時本身的頻率“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

采用超聲傳感器研製的智能硬度計具有以下特點：

(1)以單片微處理器89C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。51

(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。該硬度計交直流兩用
，以適合野外作業。