摘 要 在很多实际生产中，硬度的检测都需要实现非接触式的无损检测。超声硬度检测系统基于激光超声检测技术实现非接触式的硬度检测方法。本文结合机、光、电、计算机等方面的知识，完成对超声硬度检测仪光学系统信号的处理，最终实现超声硬度检测信号处理系统的设计。
关键词 硬度；激光超声波；无损检测；信号处理
目前市场上大量存在的是传统的机械式硬度检测仪。然而，机械式的硬度检测仪对被测物体表面有一定的损坏且其测量精度、测量效率等方面都无法满足现代生产制造的需求。随着现代科学技术的发展，基于激光超声技术的硬度检测技术，对传统的机械式硬度检测仪进行改进，实现了从有损检测向无损检测的变化。激光超声硬度检测系统在提高效率和精度的同时也扩大了硬度检测的适用范围。
1 超声硬度检测系统的原理
激光超声技术是指激光照射在被测物体上产生声表面波并利用所产生的声表面波进行实际测量的技术。一般来讲，激光超声的关键技术主要体现在激光激发系统和接收系统两方面。
激光激发产生超声波的基本过程是：当激光光束照射在被测物体的材料表面时，激光光束的能量就转换成了材料的内能，随着材料内能的增加，材料的被照射部分的温度就会随之升高。由于固体中的热量在短时间内会比较集中来不及扩散，所以在热膨胀的作用下材料被射部分就会形成应力分布，随即便会产生表面波。
激光检测接收超声波的基本过程：光波是可以产生反射、折射、干涉、衍射等现象。随着外界各种条件的变化，光波的一些特征参量都会发生变化，即外界环境变化可以对光波实现调制。然后开始检测分析调制光信号，从而就可以把环境变化的信号解调出来，最终完成检测环境变化信号的过程。基于上述的基础原理，利用连续激光将超声波信号调制在其中，再用相应的干涉仪设备接收并将携带有被测物体信息的超声波进行解调。
2 超声硬度检测系统整体设计
图1所示的检测系统的基本的检测过程如下所述：脉冲激光器的激光束经过分光镜分为两路，一路经过透镜L2会聚成直径为1mm-2mm的光束直接照射到被测物体上，He-Ne激光器发射的连续激光是用来对被测物体表面的产生的超声振动进行调制，之后已经被调制的光经过本系统的法布里-珀罗干涉仪后就会被解调；另一路光经过透镜L1会聚到光电二极管B，这一路光的作用主要是为后面的进一步检测提供一个基准同步信号；图1中的3个凸透镜L1，L2，L3都是对光进行会聚的作用；两个光电二极管A，B是用来将光信号转變为对应的电信号，为后面的一些处理及运算做好前期准备[1]。因为光电二极管转换后的信号都是非常微弱的，所以我们需要设计前置放大电路来对光电二极管A转换后的信号进行放大，以便后面的进一步处理；A/D转换器是用来把模拟信号转换为数字信号，方便后面单片机对信号的运算及处理；单片机主要是对一些输入信号进行运算和处理进而通过调用相应的编制程序对被测物体的频率进行测量；最终测量人员可以通过显示屏读出测量结果。
3 超声硬度检测信号处理系统的设计
3.1 前置电路设计
由于通过光电二极管转换后的电信号是非常微弱的，并且还夹杂一些干扰信号，因此输出的信号就很可能被噪声所埋藏。所以我们通常都要对光电二极管转换后的微弱信号要进行预处理来滤除掉大部分噪声。要预先处理这些微弱信号并将其放大到后续处理所需要的值，我们就需要通过前置放大电路、主放大电路和滤波电路来输出已经滤除掉大部分噪声的幅度适合要求的信号，并且这个输出的信号符合信号处理器要求的电压幅度。
3.2 模数转换器的选择
经过前置电路处理过后的信号属于模拟信号，我们要通过使用单片机对检测信号进行运算。因此我们就要使用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号来方便单片机对输入的信号进行运算。
3.3 单片机的运算处理
系统中测量频率的主要思想是在设定好计时器的同时给计数器赋一个初始值（脉冲个数），我们通过编制相对应的程序使我们用到的计数器和计时器可以实现同时开启和关闭的结果。当计时器结束它的计时时，我们就用预设的那个计数器脉冲个数的初始值除以计时器所测得的时间就得到了我们要测的频率。在具体操作实践中我们将T0定为计数器、T1定为计时器，T0是通过对外部输入信号脉冲的下降沿来进行触发计数的[2]。计数周期计算如下：
3.4 超声波频率与硬度值的关系
超声硬度检测系统主要是通过测量携带有被测物体信息的超声波频率来得到被测物体的硬度值。因此我们就需要通过实验中的测量值来建立超声波频率与硬度值之间的对应关系，我们通过对上述超声波与频率之间的关系表里面的数值进行拟合。我们可以采用“插值法”对超声波频率值与硬度值之间进行拟合，最终建立起超声波频率与硬度值之间的关系。从而就可以通过测量超声波的频率来间接的得到被测物体的硬度值。
4 结束语
超声硬度检测系统是激光超声技术的非接触式的无损检测系统。基于检测系统的原理及工作过程，结合光、电、机电一体化及计算机知识，完成了超声硬度检测信号处理系统的设计，可以提高激光超声硬度检测系统在硬度测量方面的适用性。
参考文献
[1] 占惠星.激光超声波无损检测片剂硬度的研究[J].激光与红外，2010，（4）：349-353.
[2] 任小青.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究[J].青海大学学报（自然科学版），2009，（2）：10-12.