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(如圖1a所示)，處于自由振動狀態，此時，傳感器桿的固定端將是振動的波節點，壓頭端由于振幅*大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時的兩倍。當壓頭壓到被測件上時，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。需要指出的是， 試件的彈性模量不同，也會影響傳感器桿的振動狀態，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超聲波硬度計測頭的激勵振蕩源及輸出信號處理

　　這是一個標準的正反饋振蕩器，BG2輸出的振蕩電流流過測頭中的線圈，產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行校準， 消除測頭參數差異及環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。軟件設計的一個重要環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，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間，這期間 應不予計數，數據處理在定時器溢出中斷服務程序中完成，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超聲硬度曲線的分段直線擬合

　　試件的硬度與超聲波硬度計傳感器的輸出 頻率成近似線性的反比例關系(如圖5a所示)，為了**逼(近函數曲線和便于計算機處理，采用“分段直線擬合”法，通過計算機利用**語言對若干對原始試 驗數據用*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：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 預先設置好的分割點f1和f2比較，測出該瞬時頻率所在的區域，然后將該頻率值代入該段函數關系式，即可得到硬度值。濕度傳感器探頭, ,不銹鋼電熱管 PT100傳感器, ,鑄鋁加熱器,加熱圈  流體電磁閥

　　4.2面向標準試塊的校準

　　超聲波硬度計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則是固定的，這勢必會造成誤差。系統設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”補償修正鍵輸入校準值，微處理器對原始逼近曲線進行修正，以實現新的*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，如果分割點取3個以上精度會更高，但 軟件的復雜程度也隨之提高。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。

　　這種校準方法還有效地解決了測頭在很寬溫度范圍內工作時本身的頻率“偏移”問題，因此，每次正式測量之前，只要用標準試塊進行校準，就可以獲得很高的精度。