超聲波硬度計(jì)原理

下面，我們就試著來(lái)描述一下其原理。

探頭中間是一根振動(dòng)棒，振動(dòng)棒的下端是一個(gè)維氏壓頭。開機(jī)時(shí)，振動(dòng)棒產(chǎn)生超聲振動(dòng)，當(dāng)然，這個(gè)振動(dòng)你肉眼是觀察不到的，但是，可以被固定在振動(dòng)棒上的一組壓電晶片感應(yīng)到，并由此計(jì)算出一個(gè)振動(dòng)頻率。

這時(shí)候，讓我們展開想象，把這根振動(dòng)棒看做是一根彈簧，不斷地被壓縮、然后松開，也就是說(shuō)，以一個(gè)固定的頻率震蕩著。

當(dāng)我們把這樣一根“彈簧”的**，就是那個(gè)維氏壓頭，緊緊地壓進(jìn)材料表面，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？我們知道，材料有彈性模量，微觀上，振動(dòng)棒這個(gè)“彈簧”就會(huì)把震蕩傳遞給材料的微觀晶粒，于是這些晶粒也開始震蕩，你同樣可以想象，這是又一根“彈簧”在震蕩。

剛開始，這兩根“彈簧”的震蕩頻率并不相同，但逐漸地，它們會(huì)趨于同步，也就是說(shuō)兩根“彈簧”連在一起后，會(huì)產(chǎn)生共振，（當(dāng)然，這個(gè)“逐漸地”的過(guò)程很快，也就一兩秒鐘的事），于是，振動(dòng)棒上的另一組壓電晶片監(jiān)測(cè)到了這個(gè)共振的頻率，這樣，振動(dòng)棒初始的頻率和共振后的頻率的變化量也就可以被計(jì)算出來(lái)了。

式中，△f代表頻率變化量，Eeff代表彈性模量，A代表壓痕面積。△f=（Eeff，A），這個(gè)公式表示，△f與Eeff和A存在可計(jì)算的比例關(guān)系。而在前面講過(guò)，硬度值其實(shí)也是與力F和壓痕面積A存在可計(jì)算的比例關(guān)系，也就是圖中的HV=F/A。

維氏機(jī)產(chǎn)生的壓痕本來(lái)就很小，而壓痕邊緣的判定是由人來(lái)觀察的，難免出現(xiàn)錯(cuò)誤。而振動(dòng)棒的壓痕就更小，但頻率卻可以借由電路的計(jì)算**得到，于是，如果我們知道某種材料的彈性模量，又測(cè)得了頻率，那我們完全可以借助換算關(guān)系用△f與Eeff來(lái)表示A、而不用去測(cè)量壓痕直徑。

這樣，如果力值事先設(shè)定（振動(dòng)棒壓緊到材料表面，靠的就是壓緊彈簧——這是真的彈簧，而彈簧的壓緊力是可以事先設(shè)定的，這就是超聲波探頭有不同型號(hào)的緣故，其型號(hào)的不同，就是取決于彈簧壓緊力，有10N、20N，等等），那么，硬度值的公式完全可以轉(zhuǎn)化成：HV=F/（△f，Eeff），你看，根本不用費(fèi)心去觀察壓痕了、也不用擔(dān)心“壓痕邊緣不清晰”所帶來(lái)的誤差了。