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超聲波硬度計原理及介紹

閱讀次數(shù)：4527 發(fā)布時間：2016/12/13 9:14:07

超聲波硬度計簡介

　　硬度測試已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗和國防建設(shè)中，它是研究材料的機(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)行硬度測試，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低原材料消耗都起著重要作用。隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，硬度計越來越成為衡量產(chǎn)品性能質(zhì)量的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)、實用方便的新型硬度計。

　　近十年來，硬度的測試多基于壓痕法，隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，超聲、磁等無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(yù)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(biāo)準(zhǔn)測量曲線，故只適用于大批同一零件的檢驗;巴克豪森發(fā)射法雖在無損檢測方面潛力很大，但測試設(shè)備很復(fù)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，通過計量該頻率的變化達(dá)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(jī)電轉(zhuǎn)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�；诔曈嬃吭恚兄瞥鼍雀�、功能強(qiáng)的智能型數(shù)顯超聲硬度計。

超聲波硬度計定義

　　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(dá)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(jī)電轉(zhuǎn)換的信號拾取方式�；诔曈嬃吭恚兄瞥鼍雀�、功能強(qiáng)的智能型數(shù)顯超聲硬度計。

超聲波硬度計基本原理

　　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(dāng)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(dāng)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(dāng)壓頭壓到被測件上時，則處于上述兩種情況之間(如圖1b).在固定負(fù)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�！　⌒枰赋龅氖�，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(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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。

超聲硬度計檢測原理

　　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(jìn)行測量。

　　在均勻的接觸壓力下，傳感器桿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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fù)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(zhǔn)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(jī)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(biāo)度的直流微安表指示出來。在硬度刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)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(jìn)一步提高測量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。

超聲波硬度計系統(tǒng)設(shè)計

　　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(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(bǔ)償校正鍵，以便在測試前用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，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(dāng)?shù)榷伎赡茉斐深l率抖動，這樣的頻率應(yīng)由計算機(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(biāo)度后送顯示器顯示。

超聲波硬度計特點

　　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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)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(dá)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)。

超聲波硬度計的使用特征

　　• 結(jié)合了CUI法的準(zhǔn)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(xì)、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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(zhǔn)。校準(zhǔn)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

超聲波硬度計的工作過程

　　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。

　　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(dāng)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(dāng)壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間，在固定負(fù)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。

　　當(dāng)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。

　　超聲波硬度計的工作原理進(jìn)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。

提高超聲波硬度計測量精度的智能化措施

　　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(jī)處理，采用“分段直線擬合”法，通過計算機(jī)利用高級語言對若干對原始試驗數(shù)據(jù)用*小二乘法處理，找出*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(biāo)準(zhǔn)試塊的校準(zhǔn)

　　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(bǔ)償修正鍵輸入校準(zhǔn)值，微處理器對原始逼近曲線進(jìn)行修正，以實現(xiàn)新的*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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，就可以獲得很高的精度。

超聲波硬度計的發(fā)展

　　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(jī)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(jìn)行了改造，采用的集機(jī)、電、光、聲于一體的儀器，對零件的表面硬度值進(jìn)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。

原創(chuàng)作者：上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司