1超声硬度测试方法基本原理
    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*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（如图1b）。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
    试件的硬度与超声传感器的输出频率成近似线性的反比例关系（如图所示），为了逼（近函数曲线和便于计算机处理，采用“分段直线拟合”法，通过计算机利用语言对若干对原始试验数据用小二乘法处理，找出佳分割点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。
    4.2面向标准试块的校准
    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。
    5结论
    采用超声传感器研制的智能硬度计具有以下特点：
    （1）以单片微处理器89C为核心，实现了软硬件统一优化设计，充分发挥软件资源对测试信号进行分析、加工，自动检测系统各模块功能，自动剔除错误信息和坏值，保证了每次测量结果的正确性。51
    （2）实现了硬件软化，增加了许多新功能，如多点测量平均，结果打印，布、洛、韦转换等。尤其是非线性直线拟合及面向标准试块校准等智能技术的应用，使系统精度明显提高，分辨率为0.1HRC,实测精度达0.5HRC.
    （3）集成度高，结构紧凑，硬软件都采取必要的抗干扰措施，能在较恶劣的环境下可靠工作。该硬度计交直流两用，以适合野外作业。
    原理：在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度试验原理如图所示。
    1—在初始试验力F0下的压入深度；2—在总试验力F0+F1下的压入深度；3—去除主试验力F1后的弹性回复深度；4—残余压入深度h;5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置
    洛氏硬度值按下式计算：
    N-常数，对于A、C、D、N、T标尺，N=100;其他标尺，N=130;
    h-残余压痕深度，mm;
    S-常数，对于洛氏硬度，S=0.002mm，对于表面洛氏硬度，S=0.001mm。每一洛氏硬度单位对应的压痕深度，洛氏硬度为0.002mm，表面洛氏硬度为0.001mm。压痕越浅，硬度越高。洛氏硬度试验分为2种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验。洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm、3.175mm钢球三种压头，采用60kg、100kg、150kg三种试验力，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm钢球2种压头，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，它们共有六种组合，对应于表面洛氏的六个标尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。
    操作规程：
    一 使用范围
    试验时立按下表选用压头和总试验力：
    刻 度符 号 压 头 总试验力N（kgf） 标注硬度 符号允许测量范围
    B ∮1.588/mm钢球 980.7（100） HRB20-100
    C 120°金钢石 1471（150） HRC 20-70
    A 120°金刚石 588.4（60） HRA 20-88
    A标尺：用于测定硬度超过70HRC的金属（如碳化钨，硬质合金等）， 也可测定硬的薄板材料以及表面淬硬的材料。
    C标尺： 用于测定経过热处理的钢制品硬度。
    B标尺： 用于测定较软的或中等硬度的金属以及未经淬硬的钢制品。
    （1）调整主试验力的加荷速度；（2）试验力的选择（150KG:1471N 100KG/980.7N 60KG/588N））；（3）小心安装压头。
    2. 试验程序
    （1） 将丝杠顶面及工作台上下端面擦净，将工作台置于丝杠台上；
    （2）将试件支撑面擦净置于工作台上，旋转手轮使工作台缓慢上升并顶起压头，至小指针指向红点，大指针旋转3圈垂直向上为止；
    （3） 旋转指示器外壳，使C,B之间长刻线与大指针对正；
    （4）拉动加荷手柄，施加主试验力，指示器的大指针按逆时针方向转动；
    （5） 当指示针转动停止下来后，即可将卸荷手柄推回，卸除主试验力；
    （6） 从指示器上相应的标尺读数；
    （7）转动手轮使试件下降，再移动试件。按以上（2）-（6）步骤进行新的试验；
    （8） 试验结束后用防尘罩将机器盖好。