超声波硬度计的精度

[2015/1/13]

随着超声波硬度计市场的发展，越来越多的生产企业开始接触到超声波硬度计。对于超声波硬度计的精度、方法原理、使用范围可以拿超声波测厚来比照：卡尺能测厚的地方，超声波测厚仪可以测，卡尺测不到的地方，超声测厚仪也可以测。同样道理，布络维里可以打的，超声波硬度计可以打，布洛维里不方便打或不适合打的地方，你都可以想起超声波硬度计来。

超声波测厚仪是通过样块的已知厚度（这个已知厚度实际上也是事先由别的方式测得的）来确定某种材料的声速，以后，只要是同种材料，直接测厚即可；

而超声波硬度计则是通过样块的已知硬度（这个已知硬度由台式机事先测得）来确定某种材料的弹性模量（但并不需要知道确切的数，这一点，和测声速有所不同），以后，只要是同种材料，直接打硬度即可。

超声波硬度计的原理

超声波硬度计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"的尖端，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。

我们又知道，材料硬度越高，受力后的压痕面积越小，硬度越低，压痕面积就越大。这时，我们来看看下面的公式：

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精确得到，于是，如果我们知道某种材料的弹性模量，又测得了频率，那我们完全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，硬度值的公式完全可以转化成：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。

超声测硬度计的理论依据是毋庸置疑的，它也是评估力值和压痕的关系，从这个角度讲，它其实比里氏硬度计更符合传统的力学测量概念。

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