超声波硬度计原理

超声波硬度计原理究竟是什么呢？相信这个问题一直困扰着许多用户。目前超声波硬度计被广大用户所使用，但大家为什么都热衷于超声波硬度计呢？其实硬度测试现在已广泛应用于工农业生产、科学试验和国防建设等各个领域，硬度测试现在已经发展成为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、降低原材料消耗都有重要作用。随着新型材料的不断涌现，硬度计成为衡量产品性能质量不可缺少的重要仪器，这就需要研制高精度、高效率、结构先进、实用方便的新型硬度计。

以前，硬度的测试多基于压痕法，其对被测物表面损伤较大，成本也较高。随着计算机的广泛应用，超声波、磁等无损伤硬度测试方法已有重大突破。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。基于超声波硬度计原理，研制出精度高、功能强的智能型数显超声硬度计。

以下是对超声波硬度计原理的详细解析：

超声波传感器工作原理：超声波传感器由压电晶体、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，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，压头端由于振幅最大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，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.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，在超声波硬度计原理中，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。

超声波硬度计原理测头的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。

超声波硬度计原理硬件设计：超声波硬度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。

超声波硬度计原理软件设计：对于超声波硬度计原理来说，超声波硬度计软件是其核心部分，超声波硬度计软件设计的主导思想，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。上电后首先进行自检，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。

提高超声波硬度计测量精度智能化：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，为了精确性(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最小二乘法处理，找出最佳分割点f1，f2，并归纳出各段的线性函数：yi=aix+bi)。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，便可得到硬度值。

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，以实现新的最佳逼近。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，根据超声波硬度计原理，只要用标准试块进行校准，就可以获得很高的精度。

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