測厚儀操作理論

聲波無處不在，是空氣或水等介質(zhì)所攜帶的一種機械振動。超聲檢測涉及的頻率超出人類聽力的上限，高于20 KHz。最常見的范圍為500 KHz ～ 20 MHz，雖然有時也會使用更高或更低的頻率。確切的檢測頻率要根據(jù)當前的特定應用來選擇。所有超聲測厚儀的工作原理都是非常精確地測量由超聲探頭產(chǎn)生的聲波脈沖通過被測樣件所需的時間。聲波會從不同材料之間的邊界反射回來，例如鋼管內(nèi)壁與空氣或液體之間的界面，因此這種測量通?？梢詮牟牧弦粋?cè)以“脈沖/回波"模式進行。

探頭中裝有一個壓電晶片，晶片受到短的電脈沖激勵，會產(chǎn)生一陣超聲波。聲波被耦合到被測材料中，并在材料中傳播，直到碰上底面或其他邊界。然后聲波反射回到探頭，探頭再將聲能轉(zhuǎn)換為電能。從本質(zhì)上講，測厚儀傾聽的是來自材料另一側(cè)的回波。通常，聲波在表面與底面之間傳播所用時間只有幾百萬分之一秒。測厚儀的程序中包含了被測材料的聲速，這樣就可以通過簡單的數(shù)學關(guān)系計算出厚度。

T = (V) × (t/2)
其中
T = 工件的厚度
V = 被測材料中的聲速
t = 測量到的往返傳播時間

在某些情況下，還會減去零位偏移值，以去除聲波在儀器和聲程中的某些固定延遲。

值得注意的是，被測材料中的聲速是該計算中的重要部分。聲波在不同材料中會以不同的速度傳播，一般來說，在硬材料中聲速較快，在軟材料中聲速較慢，而且聲速會隨著溫度的變化而發(fā)生顯著的變化。因此，一定要將超聲測厚儀校準為被測材料的聲速，而且校準時的準確度有多好，檢測的準確度就會有多好。校準通常要使用一個厚度已知的參考標準試塊完成。在高溫測量的情況下，還需要記住，聲速會隨著溫度的變化而變化，因此為了獲得上佳精度，參考標準試塊的溫度應該與被測樣件的溫度相同。

聲波頻率越高，相關(guān)波長越短，越可以測量更薄的材料。頻率越低，波長越長，在材料中穿透得更遠，因此低頻聲波可以檢測非常厚的樣件或玻璃纖維和粗粒鑄造金屬等聲波傳輸效率較低的材料。要選擇一個適當?shù)臋z測頻率，通常需要平衡這些對分辨率和穿透力的要求。在超聲頻率范圍內(nèi)，聲波具有很強的方向性，雖然聲波可以自由穿過典型的金屬、塑料和陶瓷，但也會從與空氣交接的內(nèi)壁或裂縫等邊界反射。

兆赫范圍內(nèi)的聲波不能有效地在空氣中傳播，因此要在探頭和被測樣件之間使用耦合液，幫助聲波有效地傳輸?shù)綐蛹?。常見的耦合劑有甘油、丙二醇、水、油和凝膠。只需要少量的耦合劑，只要能夠填充探頭和被測樣件之間原本存在的極薄空氣間隙即可。

下面顯示的是一個典型超聲探傷儀的方框示意圖。脈沖發(fā)生器在微處理器的控制下，向探頭提供電壓脈沖，生成向外發(fā)射的超聲波。從被測樣件返回的回波由探頭接收，并轉(zhuǎn)換為電信號，這些信號被送入接收器放大器，然后再被數(shù)字化處理?；谖⑻幚砥鞯目刂坪陀嫊r邏輯，既能與脈沖發(fā)生器同步，又能選擇適當回波進行時間間隔測量。

如果探測到回波，計時電路將在第3節(jié)中討論的一種模式下精確測量時間間隔，然后通常會多次重復這個過程，以獲得一個平均讀數(shù)。然后，微處理器使用這個時間間隔測量值，以及儀器中設置的聲速和零位偏移值來計算材料的厚度。最后，厚度值會顯示在屏幕上，并以選定的速率更新。

在聲速校準過程中，測厚儀測量材料與被測樣件相同的參考樣件的聲速，然后將聲速值存儲起來，以便在基于測到的時間間隔值計算厚度時使用。影響聲速的主要因素如下：材料密度和彈性、材料的組成成分、晶粒結(jié)構(gòu)和溫度。

在零位校準過程中，測厚儀使用一個與被測樣件材料相同、厚度已知的樣件的測量值，計算零位偏移值，以補償在整個脈沖發(fā)射時間中不是在被測樣件中發(fā)生的實際聲程的部分。造成零位偏移的主要因素包括測厚儀中的電子轉(zhuǎn)換延遲、電纜延遲、探頭延遲和耦合劑延遲。對于接觸式探頭，探頭延遲包括聲能通過其防磨板離開探頭所需的時間。對于雙晶探頭，探頭延遲是聲能通過探頭的延遲塊或隔板所需的時間。（在模式2和模式3測量中，計時從代表聲能進入被測樣件位置的界面回波開始，零位偏移值中的探頭分量一般為零。）

推薦使用的聲速和零位校準程序是“兩點校準"，這種校準需要兩個具有不同厚度、與被測樣件材料相同的校準試塊，試塊的厚度需處于待測厚度范圍內(nèi)，且要精確已知。不一定要用商業(yè)試塊，只要試塊的厚度已知即可。更重要的是，用于校準的材料要與被測材料相同，表面處理情況最好也相同。兩個試塊的厚度比應為2:1或更大，最好是5:1或更大。

常見的校準序列如下：
(1) 將探頭耦合到較厚的參考樣件上。
(2) 使用鍵區(qū)中的按鍵輸入“校準聲速"指令。
(3) 厚度讀數(shù)穩(wěn)定后，按“確定"鍵。
(4) 使用鍵區(qū)中的按鍵，調(diào)整顯示的值，使其對應于較厚參考樣件的實際厚度。
(5) 將探頭耦合到較薄的參考樣件上。
(6) 使用鍵區(qū)中的按鍵，輸入“校準零位"。
(7) 厚度讀數(shù)穩(wěn)定后，按“確定"鍵。
(8) 使用鍵區(qū)中的按鍵，調(diào)整顯示的值，使其對應于較薄參考樣件的實際厚度。
(9) 按“測量"鍵，完成校準過程。

測厚儀使用這4個數(shù)據(jù)點，即兩個輸入的厚度值加上測量到的與每個厚度值相關(guān)的聲波傳播時間值，計算出聲速值和零位值，從而解開這個方程。然后，計算的聲速值和零位值會用于測量，并作為設置的一部分存儲起來。

在兩點校準之后，一個不錯的做法是使用一個或多個額外的參考校準試塊核查讀數(shù)，所用標準試塊的厚度需介于校準所用的兩個厚度值之間。耦合方法不正確，或輸入了不正確的數(shù)字值會導致測量錯誤，所用校準試塊的厚度如果超出了給定測厚儀、探頭和設置的有效測量范圍，也會導致測量錯誤。如果厚度讀數(shù)不正確，而且誤差隨著厚度的增加而增加，那么錯誤原因很可能出在聲速值上。如果在多個步驟中測量的厚度值出現(xiàn)固定的誤差，則錯誤原因很可能出在零位校準上。如果出現(xiàn)上述任一種情況，都應該重新完成兩點校準過程。

超聲測厚儀通過對回波進行非常精確的計時，獲得被測樣件的厚度讀數(shù)。為了將這些時間測量值轉(zhuǎn)換為厚度測量值，必須要根據(jù)被測材料的聲速、儀器所要求的各種必要零位偏移值、探頭類型或回波形狀，對儀器進行預設。這個過程通常被稱為測厚儀校準。任何超聲測量的準確度都取決于校準時是否準確、仔細。不正確的校準會導致不準確的厚度讀數(shù)。好在校準過程通常比較簡單。

針對各種材料和探頭進行的許多不同的校準可被存儲在測厚儀中，并被快速調(diào)用。當被測材料或探頭改變時，或者被測材料的溫度發(fā)生顯著變化時，一定要記得重新進行校準，或調(diào)用適當?shù)念A設校準。此外，我們建議使用厚度已知的樣件進行定期核查，以驗證測厚儀是否運行正常，特別是在關(guān)鍵應用中。

下表列出了可以使用超聲測厚儀測量的各種常見材料的典型縱波超聲速度。請注意，這只是一般性的指導。這些材料的實際聲速可能會因各種不同的原因而發(fā)生顯著的變化，如：特定的成分或微觀結(jié)構(gòu)、晶?；蚶w維取向、多孔性和溫度等。對于鑄造金屬、玻璃纖維、塑料和復合材料，更是如此。為了完成準確度很高的厚度測量，具體被測材料的聲速應該始終通過在厚度已知的樣品上進行聲速校準的方法獲得。

常見材料的超聲聲速值