超聲波硬度計(jì)---萬(wàn)能型的便攜式硬度計(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(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，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。51

　　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)89C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。51,

　　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5a所示)，為了準(zhǔn)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**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。

　　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(wèn)題作了必要 的考慮，即可以通過(guò)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, 2, 3,曲線修正過(guò)程為：通過(guò)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(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。

　　5結(jié)論

　　采用超聲傳感器研制的智能超聲波硬度計(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)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)。

　　(3)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.