超聲波硬度計(jì)原理究竟是什么呢？相信這個(gè)問(wèn)題一直困擾著許多用戶。目前超聲波硬度計(jì)被廣大用戶所使用，但大家為什么都熱衷于超聲波硬度計(jì)呢？其實(shí)硬度測(cè)試現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)和國(guó)防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，硬度測(cè)試現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為研究材料的機(jī)械性能、選定加工工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，準(zhǔn)確進(jìn)行硬度測(cè)試，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低原材料消耗都有重要作用。隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，硬度計(jì)成為衡量產(chǎn)品性能質(zhì)量不可缺少的重要儀器，這就需要研制高精度、高效率、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、實(shí)用方便的新型硬度計(jì)。

以前，硬度的測(cè)試多基于壓痕法，其對(duì)被測(cè)物表面損傷較大，成本也較高。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，超聲波、磁等無(wú)損傷硬度測(cè)試方法已有重大突破。超聲傳感器法是使傳感器測(cè)頭與被測(cè)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(jì)量該頻率的變化達(dá)到測(cè)量硬度的目的，該方法對(duì)被測(cè)件的損傷極小，為無(wú)損傷測(cè)量，同時(shí)采用機(jī)電轉(zhuǎn)換的信號(hào)拾取方式?；诔暡ㄓ捕扔?jì)原理，研制出精度高、功能強(qiáng)的智能型數(shù)顯超聲硬度計(jì)。

以下是對(duì)超聲波硬度計(jì)原理的詳細(xì)解析：

超聲波傳感器工作原理：超聲波傳感器由壓電晶體、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)，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)，壓頭端由于振幅最大而成為振動(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)，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，在超聲波硬度計(jì)原理中，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。

超聲波硬度計(jì)原理測(cè)頭的振蕩源及輸出信號(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。

超聲波硬度計(jì)原理硬件設(shè)計(jì)：超聲波硬度計(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。

超聲波硬度計(jì)原理軟件設(shè)計(jì)：對(duì)于超聲波硬度計(jì)原理來(lái)說(shuō)，超聲波硬度計(jì)軟件是其核心部分，超聲波硬度計(jì)軟件設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想，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(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。

提高超聲波硬度計(jì)測(cè)量精度智能化：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，為了精確性(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)利用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)若干對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法處理，找出最佳分割點(diǎn)f1，f2，并歸納出各段的線性函數(shù)：yi=aix+bi)。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，便可得到硬度值。

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)新的最佳逼近。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，根據(jù)超聲波硬度計(jì)原理，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。

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