1.1传感器工作原理

　　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(如图1a所示)，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(如图1c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， 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。

　　1.2超声波硬度计测头的激励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。51

　　2系统硬件设计

　　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。51,

　　3系统软件设计

　　软件设计的主导思想是：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。

　　4提高测量精度的智能化措施

　　4.1超声硬度曲线的分段直线拟合

　　试件的硬度与超声波硬度计传感器的输出 频率成近似线性的反比例关系(如图5a所示)，为了精确逼(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如图5b所示)。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，即可得到硬度值。 湿度传感器探头 , , 不锈钢电热管 PT100 传感器 , , 铸铝加热器 , 加热圈   流体电磁阀

　　4.2面向标准试块的校准

　　超声波硬度计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 (如图5c所示)。原理如下：　　假定各段直线误差为, 2, 3,曲线修正过程为：通过键盘将各段截距加上, 2,或,微处理器按下式找出新的分割点f311'1,f'2。其中，b'2、b'3为校准后的截距值，f'2为修正后的分割点，f'1的寻找基于同一原 理。每按一次校准键，微处理器执行一次修正程序，每次都找出一组新的y'1,y'2,y'3和f'1,f'2.当然，如果分割点取3个以上精度会更高，但 软件的复杂程度也随之提高。实践证明我们采用的这种处理方法，其精度足以满足工程上的一般需要。

　　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，只要用标准试块进行校准，就可以获得很高的精度。