超聲測厚儀

用超聲波得到若干信息，獲得通信應用，稱檢測超聲。超聲測厚儀則是用超聲波在介質中的脈衝反射對物體進行厚度測試。超聲波測厚儀可以測量金屬或非金屬材料的厚度，也可以測定材料的聲速，藉以判斷材料的性質，還可以檢查較近且平行於表面的缺陷，一般壁厚10mm以下的測量精度可達0.01mm。超聲測厚儀按工作原理分：有共振法、干涉法及脈衝反射法等。 ^[1] 

由於超聲波處理方便，並有良好的指向性，超聲技術測量金屬、非金屬材料的厚度，既快又準確，無污染，尤其是在只許可一個側面可按觸的場合，更能顯示其優越性，廣泛用於各種板材、管材壁厚、鍋爐容器壁厚及其局部腐蝕、鏽蝕的情況，因此對冶金、造船、機械、化工、電力、原子能等各工業部門的產品檢驗，對設備安全運行及現代化管理起着主要的作用。 ^[2] 

超聲測厚儀的工作原理如下：它的脈衝發生器以一個窄電脈衝激勵專用高阻尼壓電換能器，此脈衝為始脈衝，一部分由始脈衝激勵產生的超聲信號在材料界面反射，這信號稱為始波。其餘部分透入材料，並從平行對面反射回來。這一返回信號稱為背面回波。始波與背面回波之間的時間間隔代表了超聲信號穿過被測件的聲程時間。 如測得聲程時間則可由下式確定被測件厚度，測厚時聲速是確定的。

d=2ct

式中d為被測件厚度，C為超聲波在被測件中的傳播速度（即聲速），t為聲程時間。

反之由上式可知，如測得工件厚度和聲程時間則可求出被測工件中的聲速，聲速是描述超聲波在介質中傳播特性的基本物理量，它的大小由傳播介質決定，即與材料的彈性模量、密度、超聲波波型和泊松比有關。金屬材料的彈性模量儘管對組織結構不敏感，但由於它與原子間作用力和原子間距有關，而原子間距與晶體結構有關，所以它還是受到組織結構的影響。此外金屬材料的密度從微觀上來講也與組織結構有關，而晶胞的體積則與組織結構有關，所以聲速與金屬材料內部的組織結構有必然的聯繫，這樣使用超聲波測厚儀測出被測件中的聲速變化，可判斷被測件中內部組織結構的異常。 ^[3] 

超聲波測厚儀主要有主機和探頭兩部分組成。

主機電路包括髮射電路、接收電路、計數顯示電路三部分，由發射電路產生的高壓衝擊波激勵探頭，產生超聲發射脈衝波，脈衝波經介質介面反射後被接收電路接收，通過單片機計數處理後，經液晶顯示器顯示厚度數值，它主要根據聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣的時間的一半而得到試樣的厚度。超聲波測厚儀在採用國內外先進技術的基礎上，運用單片機技術研製的一種低功耗低下限袖珍式的智能測量儀器，不僅有測量不同材質厚度的儀器，而且有單測鋼，超薄型的，同時均可配套高温測厚探頭。 ^[2] 

超聲波測厚儀有脈衝反射式、共振式及干涉式三 種。共振式及蘭姆波式可測厚度為0.1mm以上的材料，精度也較高，可達0.1%，但對工件表面光潔度要求較高，脈衝式只能測量厚度為1mm以上的材料（採用特殊電路可測厚度為0.2mm的材料），精度較差，約1%，但對工件的表面光潔度要求不高，可測表面略粗糙的材料。脈衝反射式適用於測量船體、鍋爐及壓力容器壁厚等表面被腐蝕的材料；共振式及蘭姆波式則適宜於測量飛機及導彈等表面光潔的材料。

共振式超聲波測厚儀採用連續波。當工件的厚度為超聲波波長的1/2或其整倍數時，入射波與反射波同相，在工件內產生駐波，引起共振，這時探頭的負載阻抗減小，振盪器的屏流（或集電極電流）增加，以此指示共振，記下兩個相鄰的共振頻率，即可求出工件的厚度

：

式中C為超聲波在工件中的傳播速度，

為共振頻率。

蘭姆波測厚的原理是當超聲波頻率及入射角度與工件厚度成一定關係時，方產生蘭姆波。因而可以改變探頭的角度或頻率，使熒光屏上出現蘭姆波，以探頭的角度或頻率來度量厚度，它適於測薄板，特別是測小直徑薄壁管的厚度。

脈衝反射式超聲波測厚儀的原理為：超聲波在工件中的傳播時間與工件厚度成正比。 當將時間以不同的方式換算出來後，即可得到厚度

：

式中t為超聲波在工件中傳播的往返時間。

脈衝反射式超聲測厚儀按電路型式可分為聲速預置型和時間放大型兩類。由於後者的時間放大器存在着漂移和非線性，所以電路的穩定性和線性不易保證。目前國內外製造的超聲波測厚儀多采用聲速預置型電路。超聲波 在工件中的傳播時間可以用示波管、電流表、數字管或液晶顯示。現在使用的測厚儀大多用液晶顯示。 ^[1] 

超聲波測厚儀的主要特點如下所示：

（1）測量範圍寬，誤差小；

（2）已知材料的聲速，可以測量工件的厚度；已知工件的厚度，可以測量材料的聲速；

（3）可以從工件的一面測量；

（4）對聲衰減不太大的各種材料均能測量；

（5）工件表面帶有漆皮、鏽層和腐蝕坑，通常不打磨也能測量；

（6） 操作簡單，測量迅速，攜帶方便。 ^[1] 

（1）測曲面工件時，採用曲面探頭護套或選用小管徑專用探頭（φ6mm），可較精確的測量管道等曲面材料。

（2）對於晶粒粗大的鑄件和奧氏體不鏽鋼等，應選用頻率較低的粗晶專用探頭（2.5MHz）。

（3）測高温工件時，應選用高温專用探頭（300－600°C），切勿使用普通探頭。

（4）探頭表面有劃傷時，可選用500#砂紙打磨，使其平滑並保證平行度。如仍不穩定，則考慮更換探頭。

通過砂、磨、挫等方法對錶面進行處理，降低粗糙度，同時也可以將氧化物及油漆層去掉，露出金屬光澤，使探頭與被檢物通過耦合劑能達到很好的耦合效果。

在測量前一定要查清被測物是哪種材料，正確預置聲速。對於高温工件，根據實際温度，按修正後的聲速預置或按常温測量後，將厚度值予以修正。此步很關鍵，現場檢測中經常因忽視這方面的影響而出錯。

首先根據使用情況選擇合適的種類，當使用在光滑材料表面時，可以使用低粘度的耦合劑；當使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時，應使用粘度高的耦合劑。高温工件應選用高温耦合劑。其次，耦合劑應適量使用，塗抹均勻，一般應將耦合劑塗在被測材料的表面，但當測量温度較高時，耦合劑應塗在探頭上。