在均勻的接觸壓力下，傳感器桿頂尖的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會隨試件的硬度而改變，通過測量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。
測頭中的傳感器桿一端和一個大質量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當壓頭與試件不接觸時(圖1a)，壓頭處于自由狀態。在形成縱向振動后，傳感器桿的固定端是振動的波節點，壓頭端由于振幅最大而成為振動的波腹點，因此桿的長度等于振動波長的1/4，此時的頻率是傳感器處于自由狀態下的諧振頻率。
當傳感器的壓頭端完全被試件與大質量剛體緊固地夾住時，這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動的波節點，則桿的長度等于振動波長的1/2，這時的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態時起始頻率的兩倍。
當壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間，在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件來說，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動幅度也愈小，相應的振動波腹點愈向桿的固定端方向移動，因此振動波長就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過測量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。