超声波硬度计原理

 

超声波硬度计原理：超声波声阻抗法（UCI）是一种动态的测试方法,施加静载以得到压痕,用装有压头的谐振杆的谐振频率增量来确定压头与被试材料的接触面积,以此来评价硬度。

下面，我们就试着来描述一下其原理。

 

 

 

探头中间是一根振动棒，振动棒的下端是一个维氏压头。开机时，振动棒产生超声振动，当然，这个振动你肉眼是观察不到的，但是，可以被固定在振动棒上的一组压电晶片感应到，并由此计算出一个振动频率。

这时候，让我们展开想象，把这根振动棒看做是一根弹簧，不断地被压缩、然后松开，也就是说，以一个固定的频率震荡着。

当我们把这样一根“弹簧”的**，就是那个维氏压头，紧紧地压进材料表面，会出现什么情况呢？我们知道，材料有弹性模量，微观上，振动棒这个“弹簧”就会把震荡传递给材料的微观晶粒，于是这些晶粒也开始震荡，你同样可以想象，这是又一根“弹簧”在震荡。

刚开始，这两根“弹簧”的震荡频率并不相同，但逐渐地，它们会趋于同步，也就是说两根“弹簧”连在一起后，会产生共振，（当然，这个“逐渐地”的过程很快，也就一两秒钟的事），于是，振动棒上的另一组压电晶片监测到了这个共振的频率，这样，振动棒初始的频率和共振后的频率的变化量也就可以被计算出来了。

 

 

 

式中，△f代表频率变化量，Eeff代表弹性模量，A代表压痕面积。△f=（Eeff，A），这个公式表示，△f与Eeff和A存在可计算的比例关系。而在前面讲过，硬度值其实也是与力F和压痕面积A存在可计算的比例关系，也就是图中的HV=F/A。

 

维氏机产生的压痕本来就很小，而压痕边缘的判定是由人来观察的，难免出现错误。而振动棒的压痕就更小，但频率却可以借由电路的计算**得到，于是，如果我们知道某种材料的弹性模量，又测得了频率，那我们可以借助换算关系用△f与Eeff来表示A、而不用去测量压痕直径。

 

这样，如果力值事先设定（振动棒压紧到材料表面，靠的就是压紧弹簧——这是真的弹簧，而弹簧的压紧力是可以事先设定的，这就是超声波探头有不同型号的缘故，其型号的不同，就是取决于弹簧压紧力，有10N、20N，等等），那么，硬度值的公式可以转化成：HV=F/（△f，Eeff），你看，根本不用费心去观察压痕了、也不用担心“压痕边缘不清晰”所带来的误差了。