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阅读次数：2868 发布时间：2016/12/13 9:14:07
超声波硬度计简介硬度测试已广泛应用于工农业生产、科学试验和国防建设中，它是研究材料的机械性能、选定加工工艺、保证产品质量的重要手段，准确进行硬度测试，对提高产品质量、降低原材料消耗都起着重要作用。随着新型材料的不断出现，硬度计越来越成为衡量产品性能质量的不可缺少的重要仪器，这就需要研制高精度、高效率、结构、实用方便的新型硬度计。
近十年来，硬度的测试多基于压痕法，随着计算机的广泛应用，超声、磁等无损伤硬度测试方法已有了重大突破。目前，硬度测试可采用的方法很多，如直流矫顽力法、光栅法、磁栅法、巴克豪森发射法、超声传感法等，其中光栅、磁栅法虽精度很高，但属于压痕法，对被测物表面损伤较大，成本也较高;直流矫顽力法需预先对被测物的材料、形状、尺寸和工作条件进行破坏性检验，以作出标准测量曲线，故只适用于大批同一零件的检验;巴克豪森发射法虽在无损检测方面潜力很大，但测试设备很复杂，在通用的测试中不易采用;超声传感器法是使传感器测头与被测件接触，在均匀的接触压力下，使传感器的谐振频率随压痕深度(即硬度)而改变，通过计量该频率的变化达到测量硬度的目的，该方法对被测件的损伤极小，为无损伤测量，同时采用机电转换的信号拾取方式，与上述其它方法相比具有很大的优越性。基于超声计量原理，研制出精度高、功能强的智能型数显超声硬度计。
超声波硬度计使传感器测头与被测件接触，在均匀的接触压力下，使传感器的谐振频率随压痕深度(即硬度)而改变，通过计量该频率的变化达到测量硬度的目的，该方法对被测件的损伤极小，为无损伤测量，同时采用机电转换的信号拾取方式。基于超声计量原理，研制出精度高、功能强的智能型数显超声硬度计。
1.1 传感器工作原理
传感器由压电晶体、励磁线圈、传感器杆、金刚石锥体等组成，传感器杆一端与一个大质量刚体固定在一起，另一端镶有金刚石锥体压头。当压头与被测件不接触时(如图1a所示)，处于自由振动状态，此时，传感器杆的固定端将是振动的波节点，压头端由于振幅而成为振动的波腹点，杆的长度等于振动波长的1/4,此时的频率就是传感器杆的自由振荡频率。当传感器杆的压头端完全被试件夹紧时(如图1c理想情况下传感器杆的两端都将成为振动的波节点，杆的长度等于振动波长的1/2,此时的频率是压头端处于自由状态时的两倍。当压头压到被测件上时，则处于上述两种情况之间(如图1b).在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的试件，硬度愈低，压痕愈深，振动的波长越小，杆的振动频率就越高。通过测量传感器杆振动频率的变化即可确定被测件的硬度。 需要指出的是，试件的弹性模量不同，也会影响传感器杆的振动状态，因此被测试块的弹性模量应与校准用的标准试块一致，以保证测试精度。),
1.2测头的激励振荡源及输出信号处理
这是一个标准的正反馈振荡器，BG2输出的振荡电流流过测头中的线圈，产生的交变磁场推动传感器杆振动，杆的振动又作用在压电陶瓷上，由压电陶瓷输出一个经过“放大”的电信号(正弦信号)，再正反馈到BG1,形成自激振荡。电路起振后，振荡频率主要由传感器中的杆负荷及弹簧弹性系数决定。
测头的输出信号是峰值约为0.4V的近似正弦波信号，经放大整形后送入89C的T0端计数，以计算该频率，数据处理后即可得到被测硬度值。
超声硬度计是借助超声传感器杆谐振频率的变化来测量硬度，主要用于测定金属的洛氏硬度，采用比较法也可用于其他测量。超声硬度测量的优点是对试件表面的破坏极小、测量速度很快、操作程序简单，特别适合于成品工件百分之百检验，并且可以手握测头直接对工件检测，特别适合于不易移动的大型工件、不易拆卸的部件进行测量。
在均匀的接触压力下，传感器杆的压头与试件表面接触，则传感器杆的谐振频率会随试件的硬度而改变，通过测量传感器杆的这种谐振频率变化，即可确定试件的硬度。
测头中的传感器杆一端和一个大质量刚体固定在一起，另一端镶有金刚石压头，当压头与试件不接触时(图1a)，压头处于自由状态。在形成纵向振动后，传感器杆的固定端是振动的波节点，压头端由于振幅而成为振动的波腹点，因此杆的长度等于振动波长的1/4，此时的频率是传感器处于自由状态下的谐振频率。
当传感器的压头端完全被试件与大质量刚体紧固地夹住时(图1c)，这是理想情况下，传感器杆的两端都将成为振动的波节点，则杆的长度等于振动波长的1/2，这时的谐振频率等于压头端处于自由状态时起始频率的两倍。
当压头被压到试件上，一般是介于上述两者之间(图1b)，在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的试件来说，若试件的硬度越低，则压头与其表面的接触面积愈大，使传感器杆的压头端被夹紧的程度也愈大，于是此端振动幅度也愈小，相应的振动波腹点愈向杆的固定端方向移动，因此振动波长就愈小，即杆的谐振频率也就愈高。通过测量传感器杆谐振频率的变化，就可确定试件的硬度。
试件的弹性模量不同，也会影响接触面积的大小，即影响传感器杆谐振频率的变化。因此，超声硬度试验法是一种比较测量的方法，需要以弹性模量和被测试件相同的试块作为校准试块来消除这种影响。
在测头中有一个具有磁致伸缩效应的传感器杆，一端焊到一个钢圆柱体上，此圆柱体质量要比传感器大得多，另一端镶有136金刚石角锥压头，激励线圈绕在传感器杆上，在靠近传感器杆与圆柱体的连接处固定上压电晶体片。
传感器杆作为一个机械谐振子，插入到激励放大器的反馈电路中，在激励线圈的作用下，使传感器杆产生纵向超声振动，由压电晶片检出这个信号，正反馈到激励放大器的输入端，构成一个自激振荡器，其振荡频率就是传感器杆的谐振频率，反映了试件的硬度。
从激励放大器输出一个信号，馈送到脉冲电路中，形成一个重复频率，是上述振荡频率1/2的方波脉冲，经脉冲功率放大器放大，启动鉴频器。在鉴频器中，把反映不同硬度的频率变化转换成直流电流的变化，然后用一个直接用硬度单位标度的直流微安表指示出来。在硬度刻度事先用标准试块校准后，就可从指示表上直接读出试件的硬度值。
作为该型超声硬度计还采用充电装置来直接由220V交流电对电池组充电，用稳压器消除工作过程中电池组电压下降对示值稳定性的影响。
按照目前的电子技术发展而言，以上的超声硬度计应该可以实现数字化，从而进一步提高测量的精度、稳定性与可靠性。
1.系统硬件设计
微处理器采用内含4k字节快擦写PEROM的8位单片机89C自管理系统由可编程接口芯片8279控制，键盘除设有“测量”、“存储”、“平均”、“打印”、“布氏”、“洛氏”、“韦氏”等功能外，还增加了“+0.1”、“-0.1”、“+1”、“-1”等补偿校正键，以便在测试前用标准试块进行校准，消除测头参数差异及环境温度变化造成的误差，提高测试精度。测量结果还可根据需要打印输出。51,
2.系统软件设计
软件设计的主导思想是：采用模块化结构，大量调用子程序及中断服务程序，尽量减少主程序内容，使条理清晰，调试方便，并充分利用布尔处理功能，使程序运转灵活方便。
上电后首行自检，一切正常时，显示器显示“0”，初始化为洛氏硬度。软件设计的一个重要环节是检测频率信号的稳定性，因为如果被测试块表面光洁度不够或操作者操作不当等都可能造成频率抖动，这样的频率应由计算机给予“剔除”，否则将造成很大误差。另外，频率从自由振荡到有荷振荡需要一段时间，这期间应不予计数，数据处理在定时器溢出中断服务程序中完成，根据测得的频率得到相应的硬度值，再按要求查表转换成相应的布氏、洛氏、韦氏硬度标度后送显示器显示。
采用超声传感器研制的智能硬度计具有以下特点：
(1)以单片微处理器89C为核心，实现了软硬件统一优化设计，充分发挥软件资源对测试信号进行分析、加工，自动检测系统各模块功能，自动剔除错误信息和坏值，保证了每次测量结果的正确性。51
(2)实现了硬件软化，增加了许多新功能，如多点测量平均，结果打印，布、洛、韦转换等。尤其是非线性直线拟合及面向标准试块校准等智能技术的应用，使系统精度明显提高，分辨率为0.1HRC,实测精度达0.5HRC.
(3)集成度高，结构紧凑，硬软件都采取必要的抗干扰措施，能在较恶劣的环境下可靠工作。该硬度计交直流两用，以适合野外作业。
• 结合了CUI法的准静态硬度测试与根据回弹法的动态硬度测试的硬度计
• UCI探头适用的硬度测试为纹理精细、拥有复杂形状或经过热处理的表面
• 回弹冲击设备用于纹理粗糙的大型元件以及锻造及铸造的材料
• 测试结果在HV、HB、HRC、HRB、HS、HL 和 N/mm2标准间自动换算
• 通过按键和/或内置触摸屏运行操作，方便的字母数字数据传入
• 电源供应：主电网适配器或镍氢电池MIC 20-BAT
• 内部数据记录，约可记录5000个系列测量值
• 根据不同测试材料可运行快速简单的校准。校准数据能够被存储并重新调出
• 无方向性测量，无需传入任何校正因素
• 大型彩色TFT屏幕，显示所有测量相关信息，如平均值、单个值或统计数字
• 排列清晰的数据存储，能简单而有序地运行测量结果存储。系列测量值能够被调出并运行编辑
硬度计就是检测物体硬度的仪器。针对超声波硬度计的工作原理我们来做一下介绍。
超声硬度计是借助超声传感器杆谐振频率的变化来测量硬度，主要用于测定金属的洛氏硬度，采用比较法也可用于其他测量。超声硬度测量的优点是对试件表面的破坏极小、测量速度很快、操作程序简单，特别适合于成品工件百分之百检验，并且可以手握测头直接对工件检测，特别适合于不易移动的大型工件、不易拆卸的部件进行测量。
试件的弹性模量不同，也会影响接触面积的大小，即影响传感器杆谐振频率的变化。因此，超声硬度试验法是一种比较测量的方法，需要以弹性模量和被测试件相同的试块作为校准试块来消除这种影响。
在均匀的接触压力下，传感器杆的压头与试件表面接触，则传感器杆的谐振频率会随试件的硬度而改变，通过测量传感器杆的这种谐振频率变化，即可确定试件的硬度。
测头中的传感器杆一端和一个大质量刚体固定在一起，另一端镶有金刚石压头，当压头与试件不接触时，压头处于自由状态。在形成纵向振动后，传感器杆的固定端是振动的波节点，压头端由于振幅而成为振动的波腹点，因此杆的长度等于振动波长的1/4，此时的频率是传感器处于自由状态下的谐振频率。
当压头被压到试件上，一般是介于上述两者之间，在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的试件来说，若试件的硬度越低，则压头与其表面的接触面积愈大，使传感器杆的压头端被夹紧的程度也愈大，于是此端振动幅度也愈小，相应的振动波腹点愈向杆的固定端方向移动，因此振动波长就愈小，即杆的谐振频率也就愈高。通过测量传感器杆谐振频率的变化，就可确定试件的硬度。
在测头中有一个具有磁致伸缩效应的传感器杆，一端焊到一个钢圆柱体上，此圆柱体质量要比传感器大得多，另一端镶有136金刚石角锥压头，激励线圈绕在传感器杆上，在靠近传感器杆与圆柱体的连接处固定上压电晶体片。
传感器杆作为一个机械谐振子，插入到激励放大器的反馈电路中，在激励线圈的作用下，使传感器杆产生纵向超声振动，由压电晶片检出这个信号，正反馈到激励放大器的输入端，构成一个自激振荡器，其振荡频率就是传感器杆的谐振频率，反映了试件的硬度。
从激励放大器输出一个信号，馈送到脉冲电路中，形成一个重复频率，是上述振荡频率1/2的方波脉冲，经脉冲功率放大器放大，启动鉴频器。在鉴频器中，把反映不同硬度的频率变化转换成直流电流的变化，然后用一个直接用硬度单位标度的直流微安表指示出来。在硬度刻度事先用标准试块校准后，就可从指示表上直接读出试件的硬度值。
当传感器的压头端完全被试件与大质量刚体紧固地夹住时这是理想情况下，传感器杆的两端都将成为振动的波节点，则杆的长度等于振动波长的1/2，这时的谐振频率等于压头端处于自由状态时起始频率的两倍。
作为该型超声硬度计还采用充电装置来直接由220V交流电对电池组充电，用稳压器消除工作过程中电池组电压下降对示值稳定性的影响。
按照目前的电子技术发展而言，以上的超声硬度计应该可以实现数字化，从而进一步提高测量的精度、稳定性与可靠性。
超声波硬度计的工作原理进行一定的了解，对于超声波硬度计的使用才能更加的得心应手。
1.超声硬度曲线的分段直线拟合
试件的硬度与超声传感器的输出频率成近似线性的反比例关系(如图5a所示)，为了精确逼(近函数曲线和便于计算机处理，采用“分段直线拟合”法，通过计算机利用高级语言对若干对原始试验数据用*小二乘法处理，找出*佳分割点f1，f2，并归纳出各段的线性函数：yi=aix+bi如图5b所示)。其中测试时，微处理器将所测得的频率与预先设置好的分割点f1和f2比较，测出该瞬时频率所在的区域，然后将该频率值代入该段函数关系式，即可得到硬度值。
2.面向标准试块的校准
超声传感器测头由于制造工艺等方面的因素，相互间存在一定的差异，而用软件设计的逼近曲线则是固定的，这势必会造成误差。系统设计时对这一问题作了必要的考虑，即可以通过键盘上的“+0.1”、“-0.1”、“+1”、“-1”补偿修正键输入校准值，微处理器对原始逼近曲线进行修正，以实现新的*佳逼近(如图5c所示)。原理如下： 假定各段直线误差为 , 2, 3,曲线修正过程为：通过键盘将各段截距加上 , 2,或 ,微处理器按下式找出新的分割点f311＇1,f＇2。其中，b＇2、b＇3为校准后的截距值，f＇2为修正后的分割点，f＇1的寻找基于同一原理。每按一次校准键，微处理器执行一次修正程序，每次都找出一组新的y＇1,y＇2,y＇3和f＇1,f＇2.当然，如果分割点取3个以上精度会更高，但软件的复杂程度也随之提高。实践证明我们采用的这种处理方法，其精度足以满足工程上的一般需要。
这种校准方法还有效地解决了测头在很宽温度范围内工作时本身的频率“偏移”问题，因此，每次正式测量之前，只要用标准试块进行校准，就可以获得很高的精度。
由于硬度值在工业生产中的重要性，因此人们从很早就开始研究它，对于它的检测方法和衡量方法也各式各样。八十年代以前，人们基本上是通过用机械式的压痕实验法来获得零件的表面硬度值。到了八十年代以后，国外开始对传统的测量方法进行了改造，采用的集机、电、光、声于一体的仪器，对零件的表面硬度值进行无损检测。这方面取得了很好的效果，其中超声波检测技术在工业应用方面不断的取得成就，而该技术本身也在不断的完善和发展。
原创作者：上海皆准仪器设备有限公司
