近十年來(lái)，硬度的測試多基于壓痕法，隨著(zhù)計算機的廣泛應用，超聲、磁等無(wú)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(fā)射法、超聲傳感器法等，其中光柵、磁柵法雖精度很高，但屬于壓痕法，對被測 物表面損傷較大，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(jìn)行破壞性檢驗，以作出標準測量曲線(xiàn)，故只適用于大批同一零件的檢 驗;巴克豪森發(fā)射法雖在無(wú)損檢測方面潛力很大，但測試設備很復雜，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)而改變，通過(guò)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(wú)損傷測量，同時(shí)采用機電轉 換的信號拾取方式，與上述其它方法相比具有很大的優(yōu)越性�；�于超聲計量原理，研制出精度高、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(xiàn)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。當壓頭與被測件不接觸 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)的波節點(diǎn)，壓頭端由于振幅最大而成為振動(dòng)的波腹點(diǎn)，桿的長(cháng)度等于振動(dòng)波長(cháng)的 1/4,此時(shí)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(shí)(如圖1c理想情況下傳感器桿的兩端都將成為振動(dòng)的波節點(diǎn)，桿的長(cháng)度 等于振動(dòng)波長(cháng)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。當壓頭壓到被測件上時(shí)，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(dòng)的波長(cháng)越小，桿的振動(dòng)頻率就越高。通過(guò)測量傳感器桿振動(dòng)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(huì )影響傳感器桿的振動(dòng)狀態(tài)，因此被測試塊的彈性模量應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(gè)標準的正反饋振蕩器，BG2輸出的振蕩電流流過(guò)測頭中的線(xiàn)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(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，以計算該頻率，數據處理后即可得到被測硬度值。51

　　2系統硬件設計

　　微處理器采用內含4k字節快擦寫(xiě)PEROM的8位單片機89C自管理系統由可編程接口芯片8279控制，鍵盤(pán)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”等補償校正鍵，以便在測試前用標準試塊進(jìn)行校準， 消除測頭參數差異及環(huán)境溫度變化造成的誤差，提高測試精度。測量結果還可根據需要打印輸出。51,

　　3系統軟件設計

　　軟件設計的主導思想是：采用模塊化結構，大量調用子程序及中斷服務(wù)程序，盡量減少主程序內容，使條理清晰，調試方便，并充分利用布爾處理功能，使程序運轉靈活方便。

　　上電后首先進(jìn)行自檢，一切正常時(shí)，顯示器顯示“0”，初始化為洛氏硬度。軟件設計的一個(gè)重要環(huán)節是檢測頻率信號的穩定性，因為如果被測試塊表面光潔度不 夠或操作者操作不當等都可能造成頻率抖動(dòng)，這樣的頻率應由計算機給予“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(shí)間，這期間 應不予計數，數據處理在定時(shí)器溢出中斷服務(wù)程序中完成，根據測得的頻率得到相應的硬度值，再按要求查表轉換成相應的布氏、洛氏、韋氏硬度標度后送顯示器顯 示。

　　4提高測量精度的智能化措施

　　4.1超聲硬度曲線(xiàn)的分段直線(xiàn)擬合

　　試件的硬度與超聲傳感器的輸出 頻率成近似線(xiàn)性的反比例關(guān)系(如圖5a所示)，為了精確逼(近函數曲線(xiàn)和便于計算機處理，采用“分段直線(xiàn)擬合”法，通過(guò)計算機利用高級語(yǔ)言對若干對原始試 驗數據用最小二乘法處理，找出最佳分割點(diǎn)f1，f2，并歸納出各段的線(xiàn)性函數：yi=aix+bi如圖5b所示)。其中測試時(shí)，微處理器將所測得的頻率與 預先設置好的分割點(diǎn)f1和f2比較，測出該瞬時(shí)頻率所在的區域，然后將該頻率值代入該段函數關(guān)系式，即可得到硬度值。

　　4.2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，而用軟件設計的逼近曲線(xiàn)則是固定的，這勢必會(huì )造成誤差。系統設計時(shí)對這一問(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”補償修正鍵輸入校準值，微處理器對原始逼近曲線(xiàn)進(jìn)行修正，以實(shí)現新的最佳逼近 (如圖5c所示)。原理如下：　　假定各段直線(xiàn)誤差為, 2, 3,曲線(xiàn)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(diǎn)取3個(gè)以上精度會(huì )更高，但 軟件的復雜程度也隨之提高。實(shí)踐證明我們采用的這種處理方法，其精度足以滿(mǎn)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工作時(shí)本身的頻率“偏移”問(wèn)題，因此，每次正式測量之前，只要用標準試塊進(jìn)行校準，就可以獲得很高的精度。

　　5結論

　　采用超聲傳感器研制的智能硬度計具有以下特點(diǎn)：

　　(1)以單片微處理器89C為核心，實(shí)現了軟硬件統一優(yōu)化設計，充分發(fā)揮軟件資源對測試信號進(jìn)行分析、加工，自動(dòng)檢測系統各模塊功能，自動(dòng)剔除錯誤信息和壞值，保證了每次測量結果的正確性。51

　　(2)集成度高，結構緊湊，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)。

　　(3)實(shí)現了硬件軟化，增加了許多新功能，如多點(diǎn)測量平均，結果打印，布、洛、韋轉換等。尤其是非線(xiàn)性直線(xiàn)擬合及面向標準試塊校準等智能技術(shù)的應用，使系統精度明顯提高，分辨率為0.1HRC,實(shí)測精度達0.5HRC.