超聲波測(cè)厚儀準(zhǔn)確度的影響因素及解決辦法

超聲波測(cè)厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測(cè)量。按此原理設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀可對(duì)各種板材和各種加工零件作精確測(cè)量，也可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)它們?cè)谑褂眠^(guò)程中受腐蝕后的減薄程度。可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域。

1、超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚原理

超聲波是一種頻率高，方向性好，穿透能力強(qiáng)的聲波，其易于獲得較集中的聲能，而且在均勻介質(zhì)中傳播速度相同。超聲波在傳播過(guò)程中如果遇到另一種介質(zhì)時(shí)將產(chǎn)生反射現(xiàn)象，從被測(cè)材料表面發(fā)出超聲波到接收底面(或缺陷)反射波的時(shí)間間隔與材料厚度成正比，由傳播時(shí)間和聲速便可確定材料的厚度。基于此原理，超聲波測(cè)厚儀可用于進(jìn)行測(cè)厚。

2、超聲波測(cè)厚儀

超聲波測(cè)厚儀主要由主機(jī)和探頭兩部分組成。主機(jī)電路包括發(fā)射電路、接收電路、計(jì)數(shù)顯示電路三部分，由發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓沖擊波激勵(lì)探頭，產(chǎn)生超聲發(fā)射脈沖波，超聲波透過(guò)有機(jī)玻璃延遲塊和耦合劑到達(dá)工件表面。其中一部分超聲波被工件前表面反射回接收晶片形成界面反射波，剩余部分則穿過(guò)工件在底面發(fā)生反射，反射波的一部分又穿過(guò)工件表面和延遲塊到達(dá)接收晶片形成底面反射波。因?yàn)榻缑娣瓷洳ǖ牟ǚ苄。灰讬z測(cè)到，因此測(cè)厚儀一般都設(shè)置了調(diào)零旋鈕來(lái)減小其產(chǎn)生的影響。

在實(shí)際壁厚測(cè)定時(shí)，超聲波測(cè)厚儀上均帶有標(biāo)準(zhǔn)厚度的試塊，檢測(cè)前先進(jìn)行調(diào)零操作，保證標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度與測(cè)厚儀上顯示的厚度相一致，這樣便間接地消除了界面反射波帶來(lái)的誤差。脈沖波經(jīng)介質(zhì)底面反射后被接收電路接收，工件的厚度與脈沖的寬度(通過(guò)工件時(shí)間)成正比，根據(jù)聲波在工件中的傳播速度乘以通過(guò)工件時(shí)間的一半而得到工件的厚度，通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)處理后，經(jīng)液晶顯示器顯示厚度數(shù)值。

3、影響超聲波測(cè)厚儀測(cè)量準(zhǔn)確度的因素及解決辦法

超聲波測(cè)厚儀在使用過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)該注意分析引起測(cè)量誤差的原因，有針對(duì)性的進(jìn)行處理，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。下面筆者就將超聲波測(cè)厚儀實(shí)際使用中經(jīng)常遇到的可能影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素及解決辦法進(jìn)行總結(jié)。

(1)被測(cè)工件表面粗糙度過(guò)大，造成探頭與接觸面耦合效果差，反射回波低，甚至無(wú)法接收到回波信號(hào)。對(duì)于表面銹蝕，耦合效果極差的在役設(shè)備、管道等可通過(guò)砂、磨、挫等方法對(duì)表面進(jìn)行處理，降低粗糙度，同時(shí)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(guò)耦合劑能達(dá)到很好的耦合效果。

(2)被測(cè)工件曲率半徑太小，尤其是小徑管測(cè)厚時(shí)，因常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，聲強(qiáng)透射率低(耦合不好)。可選用小管徑專用探頭(6mm)，能較精確的測(cè)量管道等曲面材料。

(3)檢測(cè)面與底面不平行，聲波遇到底面產(chǎn)生散射，探頭無(wú)法接受到底波信號(hào)。

(4)鑄件、奧氏體鋼因組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播，有可能使回波湮沒(méi)，造成不顯示。可選用頻率較低的粗晶專用探頭(2.5MHz)。

(5)探頭接觸面有一定磨損。常用測(cè)厚探頭表面為丙烯樹脂，長(zhǎng)期使用會(huì)使其表面粗糙度增加，導(dǎo)致靈敏度下降，從而造成顯示不正確。可選用500#砂紙打磨，使其平滑并保證平行度。如仍不穩(wěn)定，則考慮更換探頭。

(6)被測(cè)物背面有大量腐蝕坑。由于被測(cè)物另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導(dǎo)致讀數(shù)無(wú)規(guī)則變化，在極端情況下甚至無(wú)讀數(shù)。

(7)被測(cè)物體(如管道)內(nèi)有沉積物，當(dāng)沉積物與工件聲阻抗相差不大時(shí)，測(cè)厚儀顯示值為壁厚加沉積物厚度。

(8)當(dāng)材料內(nèi)部存在缺陷(如夾雜、夾層等)時(shí)，顯示值約為公稱厚度的70%，此時(shí)可用超聲波探傷儀進(jìn)一步進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

(9)溫度的影響。一般固體材料中的聲速隨其溫度升高而降低，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，熱態(tài)材料每增加100℃，聲速下降1%。對(duì)于高溫在役設(shè)備常常碰到這種情況。應(yīng)選用高溫專用探頭(300-600℃)，切勿使用普通探頭。

(10)層疊材料、復(fù)合(非均質(zhì))材料。要測(cè)量未經(jīng)耦合的層疊材料是不可能的，因超聲波無(wú)法穿透未經(jīng)耦合的空間，而且不能在復(fù)合(非均質(zhì))材料中勻速傳播。對(duì)于由多層材料包扎制成的設(shè)備(像尿素高壓設(shè)備)，測(cè)厚時(shí)要特別注意，測(cè)厚儀的示值僅表示與探頭接觸的那層材料厚度。

(11)耦合劑的影響。耦合劑是用來(lái)排除探頭和被測(cè)物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測(cè)目的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，將造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無(wú)法測(cè)量。因根據(jù)使用情況選擇合適的種類，當(dāng)使用在光滑材料表面時(shí)，可以使用低粘度的耦合劑;當(dāng)使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時(shí)，應(yīng)使用粘度高的耦合劑。高溫工件應(yīng)選用高溫耦合劑。其次，耦合劑應(yīng)適量使用，涂抹均勻，一般應(yīng)將耦合劑涂在被測(cè)材料的表面，但當(dāng)測(cè)量溫度較高時(shí)，耦合劑應(yīng)涂在探頭上。

(12)聲速選擇錯(cuò)誤。測(cè)量工件前，根據(jù)材料種類預(yù)置其聲速或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塊反測(cè)出聲速。當(dāng)用一種材料校正儀器后(常用試塊為鋼)又去測(cè)量另一種材料時(shí)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。要求在測(cè)量前一定要正確識(shí)別材料，選擇合適聲速。

(13)應(yīng)力的影響。在役設(shè)備、管道大部分有應(yīng)力存在，固體材料的應(yīng)力狀況對(duì)聲速有一定的影響，當(dāng)應(yīng)力方向與傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓應(yīng)力，則應(yīng)力作用使工件彈性增加，聲速加快;反之，若應(yīng)力為拉應(yīng)力，則聲速減慢。當(dāng)應(yīng)力與波的傳播方向不一至?xí)r，波動(dòng)過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡受應(yīng)力干擾，波的傳播方向產(chǎn)生偏離。根據(jù)資料表明，一般應(yīng)力增加，聲速緩慢增加。

(14)金屬表面氧化物或油漆覆蓋層的影響。金屬表面產(chǎn)生的致密氧化物或油漆防腐層，雖與基體材料結(jié)合緊密，無(wú)名顯界面，但聲速在兩種物質(zhì)中的傳播速度是不同的，從而造成誤差，且隨覆蓋物厚度不同，誤差大小也不同。