简谈基于激光干涉法测量的LTF 布洛维硬度标准机

艾兆春，刘玉波，王超，韩若曦，王新爽

(国防科技工业2311 二级计量站，黑龙江 哈尔滨150046)

0 引言

基于激光干涉法测量的伽利略LTF 布洛维硬度标准机是目前国际上最先进的标准型硬度机，其型号为PHS DW 型，该型硬度机是根据意大利国家计量院(INRIM)即原意大利国家研究委员会(CNR)的基准硬度试验机而设计的，并由CNR 授权伽利略LTF 公司进行生产。不同于其它标准硬度机的是它采用激光干涉法进行硬度值的测量，还有加载试验力系统中的轴承采用的是空气轴承，这也是该型硬度机最为突出的两个优点。目前世界上共有6 台该型标准硬度机，我单位现拥有一台该型标准硬度机，目前也是国内唯一的一台，布洛维硬度标准机如图1 所示。国际上其他国家使用该型标准硬度机作为国家基准的还有美国、意大利、巴西和韩国等国家。

图1 PHS DW 型布洛维硬度标准机

PHS DW 型布洛维硬度标准机(以下简称标准硬度机)可以进行洛氏、表面洛氏、布氏和维氏硬度试验，其试验力范围为9.807N 至1839N。可以进行符合ISO、ASTM 标准以及国家计量检定规程中涉及到的所有洛氏硬度标尺试验。进行布氏硬度试验的试验力包括:9.807，49.03，61.29，98.07，153.20，245.20，294.20，306.5，612.90N;980.7N 和1839N (HB1，HB5， HB6.25， HB10， HB15.625， HB25， HB30，HB31.25，HB62.5，HB100 和HB187.5)。可以进行维氏硬度试验的标尺为HV100，HV50，HV30，HV20，HV10，HV5，HV3，HV2 和HV1。

1 PHS DW 型布洛维标准硬度机的系统组成

该型标准硬度机分别由试验力加载系统、硬度块定位系统、激光干涉测量系统、空气导轨供气系统以及系统软件等组成。

1.1 试验力加载系统

试验力加载系统由载荷框架、连续砝码组及负荷传感器等组成。

1.1.1 载荷框架的组成

载荷框架由上架、拉杆和底盘组成。硬度压头安装在上架上，上架通过三个拉杆与底盘相连接，底盘上按顺序叠放砝码组。框架自重为29.42 N，载荷框架如图2 所示。

1.1.2 连续砝码组

在标准硬度机基体下半部分安装有连续砝码组，载荷设置装置可进行试验所需试验力的设置，设置试验力用手动进行人工设置，通过设置选择后的砝码是不能分开的，必须在底部构成一个整体。

图2 载荷框架

1.1.3 负荷传感器

负荷传感器的量程为1960 N。传感器由特殊接头盒加载框架相连，并通过串口和测量软件连接，负荷传感器主要起到监视试验力的作用。

1.2 硬度块定位系统

硬度块定位系统位于标准硬度机砧骨之上，作为硬度机的分系统，它由可以使硬度块沿X －Y 轴移动的平台和控制压痕的专用夹具组成。每个运动轴都有自己独立的控制单元，可以通过软件的虚拟按键进行控制。定位系统夹具可以使外形尺寸相同的硬度块相互通用，不同规格的夹具模型可以适用于不同形状的硬度块，如圆形、三角形和矩形。夹具模型如图3 所示。

图3 夹具模型

1.3 激光干涉测量系统

激光干涉测量系统由激光头、起偏振隔离器、固定三棱镜、移动三棱镜组成。其中固定三棱镜安装在基体横梁的中间，移动三棱镜安装在载荷框架上。它用于测量载荷框架的垂直位移，也就是测量压头的移动位移。为防止电磁干扰，激光头和其控制器、电源及数据采集卡分别独立连接，数据采集卡中配置了高精度频率时钟。激光干涉测量示意图如图4 所示。

图4 激光干涉测量示意图

1.4 空气导轨供气系统

标准硬度机采用的轴承为空气轴承，硬度机工作时至少需要4 ～6 bar 的压力，供气流量为30 ～50 NL/min。空气导轨供气系统由连续过滤器、压力调节阀、电磁阀、3 个不同的转换接头及快速接头组成。压缩空气系统提供的空气必须绝对清洁、干燥。

1.5 系统软件

系统控制软件经过多年发展，已经比较成熟，在检定/校准过程中运行Primary. exe 管理程序，它用于相应试验的参数设置、完成硬度试验自动控制和数据处理等。该系统软件还可以对检定/校准过程制定曲线图，以洛氏硬度曲线为例，加荷时间、速度与试验力的关系如图5 所示。

图5 时间、速度与试验力关系示意图

当压头接触硬度块后(第一条黄线)，负荷传感器会检测到开始施加初载荷值，这时接近过程结束，硬度试验机开始进入施加初载荷阶段，硬度试验机将以设置好的速度施加初载荷。

当负荷传感器检测到初载荷没有超出公差限制时，施加初载荷阶段结束(第二条黄线)，初载荷保持阶段开始，这个阶段会持续一定时间，持续时间按计算机时钟进行。

在此时加载框架还会以保持初载荷一直下降，下降速度有两种，一种是以初载荷加载速度表示的初载荷加载时间，另一种是以加载框架移动速度表示的保持初载荷时间。在硬度试验标准方法中规定了初载荷加载时间和初载荷保持时间的允许极限(这两个设置通过第一对蓝线定义)。

当初载荷施加和保持时间结束后，压头的当前位置将被读取(第一条红线)，当负荷传感器检测到a%的初载荷变化(已经设置的参数，即初载荷的101%)时，就开始启动附加载荷加载阶段(第一条紫线)，因为这时加载框架载着载荷框架和砝码组开始移动，这时计算机开始计算附加载荷架加载时间。加载框架继续以第一个附加载荷加载速度下降直到第一设置百分数，从第一个设置百分数到第二个设置百分数利用第二个附加载荷加载速度，然后用第二个附加载荷加载速度继续下降(这两个过程由两条深蓝色线定义)。

当负荷传感器检测到附加载荷已经加载并且在设置允许范围内时，附加载荷加载阶段结束(第二条紫线)，附件载荷保持阶段开始。本阶段的保持时间将由计算机的时钟控制。

在这个阶段加载框架还将继续下降，以第二个附加载荷加载速度施加剩余的附加载荷，在附加载荷保持时间结束时停止下降(这两个过程由第二对浅蓝线定义)。在硬度试验标准中定义了附加载荷施加时间和保持时间的允许极限，而且也规定了附加载荷在最后加载阶段的速度允许极限。

在此附加载荷保持阶段，程序计算出已经下降的距离，当附加载荷保持时间快要结束时，加载框架开始上升(第三条黄线)，上升距离和下降距离相等，上升速度为附加载荷卸除速度。加载框架的上升逐渐使底部支撑靠近砝码组，继续上升一段行程后当附加载荷卸除结束时，使砝码组被抬升起来(第三条紫线)，此时的速度为附加载荷卸载速度。

当负荷传感器检测到附加载荷移动到公差范围内时，附加载荷卸除阶段结束(第四条黄线)。然后进行末次读数等待阶段，等待时间由计算机时钟提供。

在此之后，加载框架继续以卸载速度向上运动，然后停止(由第三条天蓝线定义)。硬度试验标准中定义了末次读数等待阶段持续时间允许极限。

在等待结束后，进行压头位置的测量(第二条红线)，然后加载框架开始以初载荷卸除速度向上运动，一直要运动到工作起始位置(第五条黄线)。此时如果工作限位开关处于激活状态，加载框架将运动到工作位置上限位置。

2 经验与体会

基于激光干涉法测量的伽利略LTF 标准硬度机使用方便，工作效率高，消除了因人为读数而产生的测量误差，有经验的检定员和没有经验的检定员在测量同一个硬度压痕时，两者之间的测量误差微乎其微。该型硬度机是根据基准机的要求设计而成，具有较高的精度和良好的稳定性，其中多普勒激光位移发射器可直接溯源到美国国家计量研究院，国际上很多发达国家都将该型硬度机作为本国家的硬度基准机。

我们在进行硬度块的检定/校准工作时，如果对未经打点的硬度块进行定度，则可充分利用硬度块定位系统，在系统软件中设定需要测量的点数和位置，系统将自动进行测量，从而大大提高了工作效率。需要特别注意的是该型硬度标准机是通过空气导轨垂直上下的运动来实现试验力加载的，为防止空气滑轮造成损害，在空气滑轮工作之前必须确保压缩空气已经供给到空气滑轮。

3 结语

2000 年以后，国际硬度工作组每年都召开一次工作会议，讨论洛氏硬度关键比对和其他硬度关键比对问题，以洛氏硬度校准曲线为例，在历次会议上，专家们对洛氏硬度关键比对进行了讨论，并一致认为洛氏硬度关键比对中各国的差值主要是目前对洛氏硬度定义的不完善引起的。国际硬度工作组第7 次、第8次会议对洛氏硬度试验C 标尺所有参数重新进行了定义。根据洛氏硬度标尺的新定义，加荷过程中运动速度是不同的，传统的基准硬度机加荷方式则采用液压系统，虽然加荷稳定、振动小，但加荷速度不可调，另外，新定义中还要求对加卸荷从开始到结束全程需要对试验力进行监测，并画出相应的曲线。

PHS DW 型布洛维硬度标准机符合ISO 和ASTM 标准中所有的硬度标尺试验，强大的系统软件还可以对检定/校准过程制定曲线图，完全满足国际硬度工作组对洛氏硬度标尺新定义的相关要求。该型硬度标准机落户中国代表着我国硬度参数领域在国际上领先的地位，具有深远而重大的意义。

［1］意大利伽利略LTF 公司. PHS DW 型布洛维标准硬度机使用说明书. 都灵:LTF 公司. 2010.

［2］意大利伽利略LTF 公司. 测量维氏、努氏、布氏硬度激光干涉测量系统用户手册. 都灵:LTF 公司. 2010.

［3］国防科工委科技与质量司组织编写. 力学计量(上册)［M］. 北京:原子能出版社. 2002.