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超聲波硬度計原理

超聲波硬度計原理:超聲波聲阻抗法(UCI)是一種動態的測試方法,施加靜載以得到壓痕,用裝有壓頭的諧振桿的諧振頻率增量來確定壓頭與被試材料的接觸面積,以此來評價硬度。

下面,我們就試著來描述一下其原理。 

 
探頭中間是一根振動棒,振動棒的下端是一個維氏壓頭。開機時,振動棒產生超聲振動,當然,這個振動你肉眼是觀察不到的,但是,可以被固定在振動棒上的一組壓電晶片感應到,并由此計算出一個振動頻率。
 
這時候,讓我們展開想象,把這根振動棒看做是一根彈簧,不斷地被壓縮、然后松開,也就是說,以一個固定的頻率震蕩著。

當我們把這樣一根“彈簧”的**,就是那個維氏壓頭,緊緊地壓進材料表面,會出現什么情況呢?我們知道,材料有彈性模量,微觀上,振動棒這個“彈簧”就會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,它們會趨于同步,也就是說兩根“彈簧”連在一起后,會產生共振,(當然,這個“逐漸地”的過程很快,也就一兩秒鐘的事),于是,振動棒上的另一組壓電晶片監測到了這個共振的頻率,這樣,振動棒初始的頻率和共振后的頻率的變化量也就可以被計算出來了。


式中,△f代表頻率變化量,Eeff代表彈性模量,A代表壓痕面積?!鱢=(Eeff,A),這個公式表示,△f與Eeff和A存在可計算的比例關系。而在前面講過,硬度值其實也是與力F和壓痕面積A存在可計算的比例關系,也就是圖中的HV=F/A。
 
維氏機產生的壓痕本來就很小,而壓痕邊緣的判定是由人來觀察的,難免出現錯誤。而振動棒的壓痕就更小,但頻率卻可以借由電路的計算**得到,于是,如果我們知道某種材料的彈性模量,又測得了頻率,那我們完全可以借助換算關系用△f與Eeff來表示A、而不用去測量壓痕直徑。
 
這樣,如果力值事先設定(振動棒壓緊到材料表面,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定的,這就是超聲波探頭有不同型號的緣故,其型號的不同,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化成:HV=F/(△f,Eeff),你看,根本不用費心去觀察壓痕了、也不用擔心“壓痕邊緣不清晰”所帶來的誤差了。
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