影響超聲波測(cè)厚儀準(zhǔn)確度的因素

優(yōu)質(zhì)超聲測(cè)厚儀可以對(duì)金屬、塑料和其他材料進(jìn)行高度準(zhǔn)確的檢測(cè)。 但是，與被測(cè)材料、檢測(cè)設(shè)備、工件幾何形狀，以及用戶技能和用心程度相關(guān)的多種因素都會(huì)影響某個(gè)具體的檢測(cè)應(yīng)用所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度。請(qǐng)繼續(xù)閱讀，了解可能會(huì)影響超聲檢測(cè)結(jié)果的因素。

與材料相關(guān)的因素

被測(cè)材料的物理特性是一個(gè)會(huì)影響超聲測(cè)厚儀的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度的一個(gè)因素。其中包括聲學(xué)和幾何學(xué)方面的因素。

1. 被測(cè)材料的聲學(xué)特性

某些工程材料的多種條件可能會(huì)限制超聲厚度測(cè)量的準(zhǔn)確度和范圍。

• 聲波散射：在鑄造不銹鋼、鑄鐵、玻璃纖維和復(fù)合材料中，聲能會(huì)從鑄件中的單個(gè)晶粒邊界，或玻璃纖維和復(fù)合材料中的纖維與基體之間的邊界散射開來。各種材料中的孔隙也會(huì)具有同樣的效應(yīng)。為防止探測(cè)到這些無用的散射回波，需確保對(duì)儀器的靈敏度進(jìn)行調(diào)整。但這種補(bǔ)償也會(huì)削弱儀器探測(cè)來自材料底面的有效回波的能力，從而會(huì)限制測(cè)量范圍。

• 聲衰減或聲吸收：在許多如低密度塑料的聚合物和大多數(shù)類型的橡膠中，聲能在超聲測(cè)量所用的頻率下，衰減得非?？?。這種衰減通常隨著溫度的升高而增加。這些材料的可測(cè)最大厚度往往受到聲衰減的限制。

• 聲速變化：只有在材料聲速與儀器校準(zhǔn)的聲速一致的情況下，超聲厚度測(cè)量才會(huì)準(zhǔn)確。在某些材料中，聲速在不同的位置（一點(diǎn)到另一點(diǎn)）會(huì)表現(xiàn)出很大的變化。這種情況會(huì)出現(xiàn)在某些鑄造金屬中，因?yàn)檫@些材料的晶粒結(jié)構(gòu)會(huì)因不同的冷卻速度發(fā)生變化，而晶粒結(jié)構(gòu)的變化會(huì)使聲速產(chǎn)生各向異性現(xiàn)象。玻璃纖維由于樹脂/纖維比率的變化會(huì)產(chǎn)生局部聲速變化。許多塑料和橡膠在受到溫度影響時(shí)，聲速會(huì)快速發(fā)生變化，因此針對(duì)這些材料，要在實(shí)際測(cè)量時(shí)的溫度條件下進(jìn)行聲速校準(zhǔn)。

• 相位顛倒或相位失真：回波的相位或極性由邊界材料的相對(duì)聲阻抗（密度 × 聲速）決定。超聲測(cè)厚儀假設(shè)在通常情況下，被測(cè)工件與空氣或液體交界，而空氣和液體的聲阻抗都低于金屬、陶瓷或塑料。但是，在某些特殊情況下，如在測(cè)量金屬表面上的玻璃或塑料襯層，或測(cè)量鋼表面上的銅鍍層時(shí)，這種阻抗關(guān)系便顛倒過來，回波也會(huì)出現(xiàn)相位顛倒。為了在這種情況下保持測(cè)量的準(zhǔn)確性，需確保將回波探測(cè)極性更改為適當(dāng)?shù)倪x項(xiàng)。更為復(fù)雜的情況會(huì)發(fā)生在各向異性或均質(zhì)材料中，如粗粒金屬鑄件或某些復(fù)合材料，這些材料的材質(zhì)條件會(huì)導(dǎo)致在聲束區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多重聲程。在這些情況下，相位失真會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無法清晰界定正負(fù)的回波。在這些情況下，需要細(xì)心使用參考標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素。

2. 被測(cè)材料的物理特性

要確定測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度，還必須考慮被測(cè)樣件的尺寸、形狀和表面光潔度。

• 被測(cè)樣件的表面粗糙度：當(dāng)被測(cè)樣件的表面和底面都很光滑時(shí)，可以獲得很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。如果接觸面很粗糙，則所能測(cè)到的最小厚度值會(huì)因?yàn)樵龊竦鸟詈蠈又谐霈F(xiàn)聲反響而增大。低效耦合可能會(huì)降低回波波幅。此外，如果被測(cè)樣件的表面或底面非常粗糙，由于探頭看到的多個(gè)聲程略有不同，可能會(huì)出現(xiàn)回波失真情況，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。

  在腐蝕測(cè)量中，被測(cè)樣件外表面松動(dòng)或剝落的結(jié)垢、銹蝕、腐蝕或污垢會(huì)影響從探頭向被測(cè)材料發(fā)出的聲能的耦合效果。因此，在測(cè)量之前，要用鋼絲刷或銼刀清除樣件上任何松散的碎屑。一般來說，只要銹蝕區(qū)域光滑，且仍然附著在下面的金屬上，測(cè)厚儀就可以透過較薄的銹蝕層完成腐蝕區(qū)域的厚度測(cè)量。請(qǐng)切記，某些非常粗糙的鑄件或銹蝕的表面可能需要使用銼刀或砂紙打磨成平滑的狀態(tài)，以確保獲得適當(dāng)?shù)穆曬詈稀Ｈ绻釋訌慕饘偕蟿兟?，則可能還需要去除漆層。

• 被測(cè)樣件的曲率：與被測(cè)樣件曲率相關(guān)的一個(gè)問題是探頭與被測(cè)樣件的對(duì)直情況。在曲面上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一定要將探頭放置在樣件曲面的中心線附近，并盡可能使探頭穩(wěn)定地貼附在表面上。使用一個(gè)裝有彈簧的V型探頭支架有助于保持探頭與樣件的對(duì)直狀態(tài)。一般來說，隨著曲率半徑的減小，探頭的尺寸也應(yīng)減小，而探頭與樣件的對(duì)直狀態(tài)也會(huì)逐漸變得更加重要。對(duì)于曲率半徑非常小的工件，需要使用聚焦探頭進(jìn)行水浸檢測(cè)。在某些情況下，觀察顯示的波形有助于保持探頭與樣件的對(duì)直狀態(tài)。此外，在曲面上測(cè)量時(shí)，一定不要使用過多的耦合劑量，只要能夠獲取讀數(shù)即可。過多的耦合劑會(huì)在探頭和被測(cè)表面之間形成圓角，聲波會(huì)在此處回響，并可能產(chǎn)生虛假信號(hào)，生成錯(cuò)誤讀數(shù)。

• 錐度或偏心度：如果被測(cè)樣件的接觸面和底面呈錐形、偏心或以其他方式相互傾斜或錯(cuò)位，則回波的波幅會(huì)降低，并可能會(huì)由于聲程在整個(gè)聲束寬度上的變化而失真，進(jìn)而會(huì)降低測(cè)量的準(zhǔn)確度。通常情況下，測(cè)得的厚度代表聲束直徑中變化厚度的近似積分平均值。如果錯(cuò)位嚴(yán)重，則無法進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榉瓷渎暿鴷?huì)形成一個(gè)遠(yuǎn)離探頭的V形聲程，無法被探頭接收。這種影響會(huì)隨著材料厚度的增加而變得更大。

與操作人員相關(guān)的因素

校準(zhǔn)：任何超聲測(cè)量的準(zhǔn)確度都取決于校準(zhǔn)時(shí)是否準(zhǔn)確、用心。需確保在更換被測(cè)材料或探頭時(shí)，進(jìn)行第4節(jié)中所述的聲速校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)。此外，我們建議使用厚度已知的樣件進(jìn)行定期核查，以驗(yàn)證測(cè)厚儀是否運(yùn)行正常。

• 聲束對(duì)直：在平面上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，始終要將探頭平放在被測(cè)表面上；在曲面上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，始終要使探頭保持與曲率半徑垂直的狀態(tài)。在曲面上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，始終要使探頭處于曲線的中心。否則會(huì)導(dǎo)致回波失真，對(duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生負(fù)面影響。

• 耦合技術(shù)：在使用接觸式探頭的模式1測(cè)量中，所測(cè)的厚度值包含耦合層的厚度，耦合層厚度會(huì)通過零位偏移得到補(bǔ)償。要獲得很高的準(zhǔn)確度，耦合技術(shù)一定要可靠穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，耦合劑量不要太多，能獲得穩(wěn)定讀數(shù)就行，而且要對(duì)探頭施加均勻的壓力。實(shí)踐證明，適中到較強(qiáng)的力度可生成具有可重復(fù)性的讀數(shù)。此外，不可在粗糙的表面上刮擦、拉動(dòng)探頭。一般來說，對(duì)于小直徑探頭，施予較輕的力度便可擠出多余的耦合劑，而大直徑探頭則需更大的力度達(dá)到相同的效果。在所有模式中，探頭傾斜了，回波就會(huì)失真，產(chǎn)生不準(zhǔn)確的讀數(shù)。

  對(duì)小直徑管道和管子進(jìn)行腐蝕測(cè)量時(shí)，要以如下方式放置探頭：探頭面上可見的聲障材料要與管道的中心軸垂直對(duì)齊，如下圖所示。

與設(shè)備相關(guān)的因素

雖然數(shù)字采樣率等儀器設(shè)計(jì)因素會(huì)設(shè)定超聲測(cè)量?jī)x的可測(cè)厚度范圍和測(cè)量準(zhǔn)確度，但具體應(yīng)用中的厚度范圍和測(cè)量準(zhǔn)確度最終要取決于測(cè)厚儀、探頭、設(shè)置以及與材料相關(guān)因素的綜合考量。

在高溫或水下等特殊條件下進(jìn)行超聲測(cè)量需要考慮更多的因素。如果您計(jì)劃在以下情況下使用超聲測(cè)厚儀，請(qǐng)遵循這些建議，以確保檢測(cè)安全并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

高溫超聲檢測(cè)

在高溫（約50 °C以上）下進(jìn)行測(cè)量需要細(xì)心做好規(guī)劃。用于腐蝕應(yīng)用的許多雙晶探頭可以承受高溫，在某些情況下，可短暫接觸高達(dá)500 °C的高溫表面。而標(biāo)準(zhǔn)接觸式探頭如果暴露在約50 °C以上的高溫環(huán)境中， 就會(huì)損壞或損毀，因?yàn)橛糜谥圃焯筋^的材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)在高溫下出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。千萬不要在溫度過高、無法用手指舒適觸摸的表面上使用接觸式探頭。此外，一定要在模式2或模式3中使用單晶探頭進(jìn)行高溫測(cè)量，探頭可以是延遲塊式探頭（裝有適當(dāng)?shù)母邷匮舆t塊），也可以是水浸探頭。

所有材料的聲速都隨溫度而變化，通常會(huì)隨著材料變冷而增加，隨著材料變熱而減小，在冰點(diǎn)或熔點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)急劇變化。這種影響在塑料和橡膠中要比在金屬或陶瓷中大得多。為獲得更好的準(zhǔn)確度，要在與測(cè)量溫度相同的溫度下校準(zhǔn)測(cè)厚儀的聲速設(shè)置。請(qǐng)注意，使用設(shè)置為室溫聲速的測(cè)厚儀測(cè)量高溫材料通常會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。最后，在溫度高于約100 °C時(shí)，我們建議使用特殊的高溫耦合劑。

使用超聲測(cè)厚儀進(jìn)行在線測(cè)量

在生產(chǎn)線上或處理過程中進(jìn)行的超聲厚度測(cè)量可以持續(xù)對(duì)移動(dòng)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，如擠壓成型塑料管道和管子、電纜護(hù)套和鈑金等。多通道儀器可以在管狀產(chǎn)品圓周上或板材整個(gè)寬度上的不同位置進(jìn)行測(cè)量。在線測(cè)量通常使用水浸式探頭進(jìn)行，這種探頭通過水槽或水層耦合聲能，以避免與產(chǎn)品直接接觸。對(duì)于擠壓成型管道、管子和電纜護(hù)套，通?？梢詫⒗鋮s水作為耦合劑，在現(xiàn)有冷卻槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。為了保持探頭與被測(cè)材料正確對(duì)直的狀態(tài)，需要將探頭固定住。

使用長(zhǎng)探頭電纜進(jìn)行超聲檢測(cè)

超聲測(cè)厚儀最常使用的是約1米長(zhǎng)的探頭電纜。除非檢測(cè)條件所需，一般不建議使用很長(zhǎng)的電纜。在常見檢測(cè)頻率下，如果電纜長(zhǎng)度超過約3米，則應(yīng)考慮電纜效應(yīng)，因?yàn)榭赡軙?huì)出現(xiàn)負(fù)面影響。在特定情況下，可使用的最大電纜長(zhǎng)度取決于探頭類型和要測(cè)量的最小厚度。請(qǐng)注意，雙晶探頭可以使用比單晶探頭長(zhǎng)得多的電纜；在適當(dāng)儀器設(shè)置下，可能長(zhǎng)達(dá)100米。要特別注意探頭與電纜的電氣匹配問題，考慮到電纜中信號(hào)的衰減，并補(bǔ)償脈沖通過電纜的傳輸時(shí)間。

水下超聲檢測(cè)

一些腐蝕測(cè)量應(yīng)用涉及到諸如測(cè)量浸在水中的支撐樁或船體的厚度等情況。雖然大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)接觸式、延遲塊式和雙晶探頭可以短暫浸入淺水中而不會(huì)出現(xiàn)問題，但長(zhǎng)期浸泡或深度浸泡（深度超過約2米）最終會(huì)使探頭因腐蝕和水的侵入而出現(xiàn)故障，尤其是在鹽水中。對(duì)于深水海洋應(yīng)用，通常使用防水雙晶探頭，這種探頭經(jīng)過密封可防止在高壓下水的侵入。如上所述，這類探頭可用于大約100米的深度。

在通過環(huán)氧樹脂漆等涂層或其他保護(hù)性表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有一些因素需要考慮。

鋼材料上的油漆、環(huán)氧樹脂和類似的保護(hù)涂層通常會(huì)在腐蝕測(cè)量應(yīng)用中引發(fā)潛在的問題。由于非金屬涂層的聲速通常約為鋼的一半，因此涂層可能會(huì)給測(cè)量結(jié)果增加兩倍于其實(shí)際厚度的誤差。

為什么準(zhǔn)確測(cè)量涂層很重要?

涂層厚度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制和成本控制有著重大影響。有助于確保涂層發(fā)揮其預(yù)期功能的兩個(gè)因素是涂料的質(zhì)量和涂層的厚度。準(zhǔn)確測(cè)量涂層可以保證滿足各行業(yè)的要求。超聲測(cè)厚儀是一種無損檢測(cè)儀器，只需接觸到被測(cè)材料表面的一側(cè)，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量涂層的厚度。

超聲涂層厚度測(cè)量技術(shù)

用于測(cè)量涂層管道和工件厚度的兩種技術(shù)是回波到回波測(cè)量和穿透涂層（THRU-COAT）測(cè)量。每種技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

回波到回波測(cè)量：

回波到回波測(cè)量技術(shù)，奧林巴斯38DL PLUS和45MG測(cè)厚儀（可選）都提供，這種技術(shù)在測(cè)量管道或其他金屬結(jié)構(gòu)的剩余壁厚時(shí)不會(huì)測(cè)量涂層的厚度。這種技術(shù)對(duì)兩個(gè)連續(xù)底面回波之間的間隔計(jì)時(shí)，以獲得不含涂層的金屬材料的準(zhǔn)確厚度（因?yàn)槎嘀氐酌婊夭ǔ霈F(xiàn)在金屬中，而一般不會(huì)出現(xiàn)在涂層中）。

回波到回波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特性如下：

• 可以使用各種普通探頭

• 通常可以透過粗糙表面的涂層對(duì)材料進(jìn)行測(cè)量

• 如果使用適當(dāng)?shù)奶筋^，可對(duì)溫度高達(dá)500 ℃左右的材料進(jìn)行測(cè)量

回波到回波技術(shù)的局限性如下：

• 需要多重底面回波，但是在嚴(yán)重腐蝕的金屬中可能無法獲得這些回波

• 與穿透涂層技術(shù)相比，有時(shí)可測(cè)厚度范圍會(huì)更有限

穿透涂層（THRU-COAT）測(cè)量：

穿透涂層（THRU-COAT）測(cè)量技術(shù)可以分開測(cè)量金屬厚度和金屬上薄薄的非金屬涂層（如漆層）的厚度。這種技術(shù)使用軟件識(shí)別聲束在涂層中完成一個(gè)往返聲程所代表的時(shí)間段。從總測(cè)量值中減去這個(gè)時(shí)間段，可以計(jì)算出金屬基底的厚度。如果涂層厚度低于0.125 毫米，或外部涂層表面粗糙或不規(guī)則，則穿透涂層（THRU-COAT） 測(cè)量可能無法正常完成。

穿透涂層技術(shù)優(yōu)于回波到回波技術(shù)的特性如下：

• 金屬材料的可測(cè)厚度范圍寬泛：在鋼材料中，一般從1毫米到50毫米（2英寸）以上。

• 只需要一個(gè)底面回波

• 測(cè)量帶有點(diǎn)蝕缺陷的金屬材料時(shí)，可以更準(zhǔn)確地測(cè)量金屬的最小剩余厚度

穿透涂層技術(shù)的局限性如下：

• 涂層必須為非金屬材料，且厚度至少為0.125毫米

• 涂層表面必須相對(duì)光滑

• 要求使用兩種特殊探頭的一種

• 被測(cè)材料表面的溫度不得超過50 °C