超聲波硬度計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?；诔曈嬃吭?，研制出精度高、功能強的智能型數(shù)顯超聲硬度計。
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。當傳感器桿的壓頭端完全被試件夾緊時(如圖1c理想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。當壓頭壓到被測件上時，則處于上述兩種情況之間在固定負荷作用下，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。 需要指出的是，試件的彈性模量不同，也會影響傳感器桿的振動狀態(tài)，因此被測試塊的彈性模量應(yīng)與校準用的標準試塊一致，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(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89C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。
超聲硬度計是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來測量硬度，主要用于測定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測量。超聲硬度測量的優(yōu)點是對試件表面的破壞極小、測量速度很快、操作程序簡單，特別適合于成品工件百分之百檢驗，并且可以手握測頭直接對工件檢測，特別適合于不易移動的大型工件、不易拆卸的部件進行測量。
在均勻的接觸壓力下，傳感器桿頂尖的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會隨試件的硬度而改變，通過測量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。
測頭中的傳感器桿一端和一個大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當壓頭與試件不接觸時(圖1a)，壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動后，傳感器桿的固定端是振動的波節(jié)點，壓頭端由于振幅而成為振動的波腹點，因此桿的長度等于振動波長的1/4，此時的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。
當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(圖1c)，這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動的波節(jié)點，則桿的長度等于振動波長的1/2，這時的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時起始頻率的兩倍。
當壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間(圖1b)，在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件來說，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，于是此端振動幅度也愈小，相應(yīng)的振動波腹點愈向桿的固定端方向移動，因此振動波長就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過測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，超聲硬度試驗法是一種比較測量的方法，需要以彈性模量和被測試件相同的試塊作為校準試塊來消除這種影響。
在測頭中有一個具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個鋼圓柱體上，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。
傳感器桿作為一個機械諧振子，插入到激勵放大器的反饋電路中，在激勵線圈的作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動，由壓電晶片檢出這個信號，正反饋到激勵放大器的輸入端，構(gòu)成一個自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。
從激勵放大器輸出一個信號，饋送到脈沖電路中，形成一個重復(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，然后用一個直接用硬度單位標度的直流微安表指示出來。在硬度刻度事先用標準試塊校準后，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還采用充電裝置來直接由220V交流電對電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過程中電池組電壓下降對示值穩(wěn)定性的影響。
按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計應(yīng)該可以實現(xiàn)數(shù)字化，從而進一步提高測量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。
1.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，以便在測試前用標準試塊進行校準，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。51,
2.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。
上電后首先進行自檢，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?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、韋氏硬度標度后送顯示器顯示。
采用超聲傳感器研制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(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。51
(2)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準試塊校準等智能技術(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)。
? 結(jié)合了CUI法的準靜態(tài)硬度測試與根據(jù)回彈法的動態(tài)硬度測試的硬度計
? UCI探頭適用的硬度測試為紋理精細、擁有復(fù)雜形狀或經(jīng)過熱處理的表面
? 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
? 測試結(jié)果在HV、HB、HRC、HRB、HS、HL 和 N/mm2標準間自動換算
? 通過按鍵和/或內(nèi)置觸摸屏運行操作，方便的字母數(shù)字數(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個系列測量值
? 根據(jù)不同測試材料可運行快速簡單的校準。校準數(shù)據(jù)能夠被存儲并重新調(diào)出
? 無方向性測量，無需傳入任何校正因素
? 大型彩色TFT屏幕，顯示所有測量相關(guān)信息，如平均值、單個值或統(tǒng)計數(shù)字
? 排列清晰的數(shù)據(jù)存儲，能簡單而有序地運行測量結(jié)果存儲。系列測量值能夠被調(diào)出并運行編輯
硬度計就是檢測物體硬度的儀器。針對超聲波硬度計的工作原理我們來做一下介紹。
超聲硬度計是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來測量硬度，主要用于測定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測量。超聲硬度測量的優(yōu)點是對試件表面的破壞極小、測量速度很快、操作程序簡單，特別適合于成品工件百分之百檢驗，并且可以手握測頭直接對工件檢測，特別適合于不易移動的大型工件、不易拆卸的部件進行測量。
試件的彈性模量不同，也會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，超聲硬度試驗法是一種比較測量的方法，需要以彈性模量和被測試件相同的試塊作為校準試塊來消除這種影響。
在均勻的接觸壓力下，傳感器桿頂尖的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會隨試件的硬度而改變，通過測量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。
測頭中的傳感器桿一端和一個大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當壓頭與試件不接觸時，壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動后，傳感器桿的固定端是振動的波節(jié)點，壓頭端由于振幅而成為振動的波腹點，因此桿的長度等于振動波長的1/4，此時的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。
當壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間，在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件來說，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，于是此端振動幅度也愈小，相應(yīng)的振動波腹點愈向桿的固定端方向移動，因此振動波長就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過測量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。
在測頭中有一個具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個鋼圓柱體上，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。
傳感器桿作為一個機械諧振子，插入到激勵放大器的反饋電路中，在激勵線圈的作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動，由壓電晶片檢出這個信號，正反饋到激勵放大器的輸入端，構(gòu)成一個自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。
從激勵放大器輸出一個信號，饋送到脈沖電路中，形成一個重復(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，然后用一個直接用硬度單位標度的直流微安表指示出來。在硬度刻度事先用標準試塊校準后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。
當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這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動的波節(jié)點，則桿的長度等于振動波長的1/2，這時的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時起始頻率的兩倍。
作為該型超聲硬度計還采用充電裝置來直接由220V交流電對電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過程中電池組電壓下降對示值穩(wěn)定性的影響。
按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計應(yīng)該可以實現(xiàn)數(shù)字化，從而進一步提高測量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。
超聲波硬度計的工作原理進行一定的了解，對于超聲波硬度計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干對原始試驗數(shù)據(jù)用最小二乘法處理，找出最佳分割點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。
2.面向標準試塊的校準
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值，微處理器對原始逼近曲線進行修正，以實現(xiàn)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，只要用標準試塊進行校準，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始研究它，對于它的檢測方法和衡量方法也各式各樣。八十年代以前，人們基本上是通過用機械式的壓痕實驗法來獲得零件的表面硬度值。到了八十年代以后，國外開始對傳統(tǒng)的測量方法進行了改造，采用先進的集機、電、光、聲于一體的先進儀器，對零件的表面硬度值進行無損檢測。這方面取得了很好的效果，其中超聲波檢測技術(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。
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