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超聲波硬度計(jì)簡(jiǎn)介硬度測(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(guó)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(lái)越成為衡量產(chǎn)品性能質(zhì)量的不可缺少的重要儀器，這就需要研制高精度、高效率、結(jié)構(gòu)、實(shí)用方便的新型硬度計(jì)。
近十年來(lái)，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(wú)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、巴克豪森發(fā)射法、超聲傳感法等，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);巴克豪森發(fā)射法雖在無(wú)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(guò)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(wú)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優(yōu)越性�；诔曈�(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)。
超聲波硬度計(jì)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(guò)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(wú)損傷測(cè)量，同時(shí)采用機(jī)電轉(zhuǎn)換的信號(hào)拾取方式�；诔曈�(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)。
1.1 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)，壓頭端由于振幅而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/4,此時(shí)的頻率就是傳感器桿的自由振蕩頻率。當(dāng)傳感器桿的壓頭端完全被試件夾緊時(shí)(如圖1c理想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(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)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(zhǎng)越小，桿的振動(dòng)頻率就越高。通過(guò)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(guò)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(guò)“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89C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。
超聲硬度計(jì)是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量硬度，主要用于測(cè)定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測(cè)量。超聲硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試件表面的破壞極小、測(cè)量速度很快、操作程序簡(jiǎn)單，特別適合于成品工件百分之百檢驗(yàn)，并且可以手握測(cè)頭直接對(duì)工件檢測(cè)，特別適合于不易移動(dòng)的大型工件、不易拆卸的部件進(jìn)行測(cè)量。
在均勻的接觸壓力下，傳感器桿的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會(huì)隨試件的硬度而改變，通過(guò)測(cè)量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。
測(cè)頭中的傳感器桿一端和一個(gè)大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當(dāng)壓頭與試件不接觸時(shí)(圖1a)，壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動(dòng)后，傳感器桿的固定端是振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，壓頭端由于振幅而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，因此桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/4，此時(shí)的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。
當(dāng)傳感器的壓頭端完全被試件與大質(zhì)量剛體緊固地夾住時(shí)(圖1c)，這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，則桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/2，這時(shí)的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時(shí)起始頻率的兩倍。
當(dāng)壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間(圖1b)，在固定負(fù)荷作用下，對(duì)于彈性模量相同的試件來(lái)說(shuō)，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動(dòng)幅度也愈小，相應(yīng)的振動(dòng)波腹點(diǎn)愈向桿的固定端方向移動(dòng)，因此振動(dòng)波長(zhǎng)就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過(guò)測(cè)量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。
試件的彈性模量不同，也會(huì)影響接觸面積的大小，即影響傳感器桿諧振頻率的變化。因此，超聲硬度試驗(yàn)法是一種比較測(cè)量的方法，需要以彈性模量和被測(cè)試件相同的試塊作為校準(zhǔn)試塊來(lái)消除這種影響。
在測(cè)頭中有一個(gè)具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個(gè)鋼圓柱體上，此圓柱體質(zhì)量要比傳感器大得多，另一端鑲有136金剛石角錐壓頭，激勵(lì)線圈繞在傳感器桿上，在靠近傳感器桿與圓柱體的連接處固定上壓電晶體片。
傳感器桿作為一個(gè)機(jī)械諧振子，插入到激勵(lì)放大器的反饋電路中，在激勵(lì)線圈的作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，由壓電晶片檢出這個(gè)信號(hào)，正反饋到激勵(lì)放大器的輸入端，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。
從激勵(lì)放大器輸出一個(gè)信號(hào)，饋送到脈沖電路中，形成一個(gè)重復(fù)頻率，是上述振蕩頻率1/2的方波脈沖，經(jīng)脈沖功率放大器放大，啟動(dòng)鑒頻器。在鑒頻器中，把反映不同硬度的頻率變化轉(zhuǎn)換成直流電流的變化，然后用一個(gè)直接用硬度單位標(biāo)度的直流微安表指示出來(lái)。在硬度刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。
作為該型超聲硬度計(jì)還采用充電裝置來(lái)直接由220V交流電對(duì)電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過(guò)程中電池組電壓下降對(duì)示值穩(wěn)定性的影響。
按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計(jì)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而進(jìn)一步提高測(cè)量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。
1.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(xiě)PEROM的8位單片機(jī)89C自管理系統(tǒng)由可編程接口芯片8279控制，鍵盤(pán)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。51,
2.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。
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89C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。51
(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)。
• 結(jié)合了CUI法的準(zhǔn)靜態(tài)硬度測(cè)試與根據(jù)回彈法的動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試的硬度計(jì)
• UCI探頭適用的硬度測(cè)試為紋理精細(xì)、擁有復(fù)雜形狀或經(jīng)過(guò)熱處理的表面
• 回彈沖擊設(shè)備用于紋理粗糙的大型元件以及鍛造及鑄造的材料
• 測(cè)試結(jié)果在HV、HB、HRC、HRB、HS、HL 和 N/mm2標(biāo)準(zhǔn)間自動(dòng)換算
• 通過(guò)按鍵和/或內(nèi)置觸摸屏運(yùn)行操作，方便的字母數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳入
• 電源供應(yīng)：主電網(wǎng)適配器或鎳氫電池MIC 20-BAT
• 內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄，約可記錄5000個(gè)系列測(cè)量值
• 根據(jù)不同測(cè)試材料可運(yùn)行快速簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)能夠被存儲(chǔ)并重新調(diào)出
• 無(wú)方向性測(cè)量，無(wú)需傳入任何校正因素
• 大型彩色TFT屏幕，顯示所有測(cè)量相關(guān)信息，如平均值、單個(gè)值或統(tǒng)計(jì)數(shù)字
• 排列清晰的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，能簡(jiǎn)單而有序地運(yùn)行測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)。系列測(cè)量值能夠被調(diào)出并運(yùn)行編輯
硬度計(jì)就是檢測(cè)物體硬度的儀器。針對(duì)超聲波硬度計(jì)的工作原理我們來(lái)做一下介紹。
超聲硬度計(jì)是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量硬度，主要用于測(cè)定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測(cè)量。超聲硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試件表面的破壞極小、測(cè)量速度很快、操作程序簡(jiǎn)單，特別適合于成品工件百分之百檢驗(yàn)，并且可以手握測(cè)頭直接對(duì)工件檢測(cè)，特別適合于不易移動(dòng)的大型工件、不易拆卸的部件進(jìn)行測(cè)量。
試件的彈性模量不同，也會(huì)影響接觸面積的大小，即影響傳感器桿諧振頻率的變化。因此，超聲硬度試驗(yàn)法是一種比較測(cè)量的方法，需要以彈性模量和被測(cè)試件相同的試塊作為校準(zhǔn)試塊來(lái)消除這種影響。
在均勻的接觸壓力下，傳感器桿的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會(huì)隨試件的硬度而改變，通過(guò)測(cè)量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。
測(cè)頭中的傳感器桿一端和一個(gè)大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當(dāng)壓頭與試件不接觸時(shí)，壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動(dòng)后，傳感器桿的固定端是振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，壓頭端由于振幅而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，因此桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/4，此時(shí)的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。
當(dāng)壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間，在固定負(fù)荷作用下，對(duì)于彈性模量相同的試件來(lái)說(shuō)，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動(dòng)幅度也愈小，相應(yīng)的振動(dòng)波腹點(diǎn)愈向桿的固定端方向移動(dòng)，因此振動(dòng)波長(zhǎng)就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過(guò)測(cè)量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。
在測(cè)頭中有一個(gè)具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個(gè)鋼圓柱體上，此圓柱體質(zhì)量要比傳感器大得多，另一端鑲有136金剛石角錐壓頭，激勵(lì)線圈繞在傳感器桿上，在靠近傳感器桿與圓柱體的連接處固定上壓電晶體片。
傳感器桿作為一個(gè)機(jī)械諧振子，插入到激勵(lì)放大器的反饋電路中，在激勵(lì)線圈的作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，由壓電晶片檢出這個(gè)信號(hào)，正反饋到激勵(lì)放大器的輸入端，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。
從激勵(lì)放大器輸出一個(gè)信號(hào)，饋送到脈沖電路中，形成一個(gè)重復(fù)頻率，是上述振蕩頻率1/2的方波脈沖，經(jīng)脈沖功率放大器放大，啟動(dòng)鑒頻器。在鑒頻器中，把反映不同硬度的頻率變化轉(zhuǎn)換成直流電流的變化，然后用一個(gè)直接用硬度單位標(biāo)度的直流微安表指示出來(lái)。在硬度刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。
當(dāng)傳感器的壓頭端完全被試件與大質(zhì)量剛體緊固地夾住時(shí)這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，則桿的長(zhǎng)度等于振動(dòng)波長(zhǎng)的1/2，這時(shí)的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時(shí)起始頻率的兩倍。
作為該型超聲硬度計(jì)還采用充電裝置來(lái)直接由220V交流電對(duì)電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過(guò)程中電池組電壓下降對(duì)示值穩(wěn)定性的影響。
按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計(jì)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而進(jìn)一步提高測(cè)量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。
超聲波硬度計(jì)的工作原理進(jìn)行一定的了解，對(duì)于超聲波硬度計(jì)的使用才能更加的得心應(yīng)手。
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5a所示)，為了精確逼(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(guò)計(jì)算機(jī)利用高級(jí)語(yǔ)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)：yi=aix+bi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。
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(wèn)題作了必要的考慮，即可以通過(guò)鍵盤(pán)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 , 2, 3,曲線修正過(guò)程為：通過(guò)鍵盤(pán)將各段截距加上 , 2,或 ,微處理器按下式找出新的分割點(diǎn)f311＇1,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(wèn)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。
由于硬度值在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性，因此人們從很早就開(kāi)始研究它，對(duì)于它的檢測(cè)方法和衡量方法也各式各樣。八十年代以前，人們基本上是通過(guò)用機(jī)械式的壓痕實(shí)驗(yàn)法來(lái)獲得零件的表面硬度值。到了八十年代以后，國(guó)外開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行了改造，采用的集機(jī)、電、光、聲于一體的儀器，對(duì)零件的表面硬度值進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。這方面取得了很好的效果，其中超聲波檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面不斷的取得成就，而該技術(shù)本身也在不斷的完善和發(fā)展。
原創(chuàng)作者：上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司
