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超聲波測量方法
閱讀：2910 發布時間：2010-10-8
| 超聲測厚是一種廣泛使用的無損檢測技術，它用來從材料一側測量材料厚度。在19世紀40年代后期，利用由聲納衍生的原理產生了*臺商業超聲測厚儀器。在19世紀70年代，小型便攜式儀器由于優化了大多數檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術上的發展使得如今的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個新的水平。 |
| 可測量什么？ |
| 幾乎任何一種普通工程材料都可以用超聲方法來測量。超聲測厚儀可用于金屬、塑料、復合材料、纖維玻璃、陶瓷和玻璃。在線或加工過程中的擠壓塑料和金屬的測量是可行的，同樣也可測量多層軋制冷作件或涂層。液面高度和生物學樣品也可測量。超聲測量一直是*無損的方法，它無需切開測量物。 常規的超聲測量一般不適用于包括木頭、紙、混凝土和泡沫產品的材料。 |
| 超聲測厚儀如何工作？ |
| 聲能能在一個很寬的頻譜范圍產生，能聽到的聲音存在在一個相當低的頻率范圍，其上限約為每秒20000個周期（20KHz）。頻率越高，我們感覺的音調越高。超聲是一個在很高頻率的聲能，超過了人類能聽到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實施的，但是某些特殊的儀器頻率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。無論是什么頻率，聲能都由根據物理學波的基本定律，通過空氣或鋼介質來傳播的機械振動模式組成。 所有的超聲測厚儀由稱之為超聲波換能器的探頭產生一個聲脈沖，能測量它通過測試塊的行程時間多長。因為聲波會在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波"模式下從一側來實施測量，這樣儀器測量了在試塊遠側或底面回波的反射脈沖之間的來回傳播時間。 探頭包含一個由短電脈沖激發來產生一個超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進入試塊并在其中傳播，直到遇到背壁面或其他邊界。反射信號會往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實上，儀器接收來自另一側的回波，時間間隔只有百萬分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進行編程，從而能夠使用簡單的數學關系式來計算厚度： T = V x t/2 此處：
 檢測材料中的聲速實計算中的一個基本組成部分，注意到這一點是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來說，在堅硬的材料中聲速更快而在柔軟的材料中聲速更慢，而且聲速會隨溫度明顯變化。因此，經常需要對超聲測厚儀校準被測材料的聲速，而且達到精度只能和校準的精度一樣好。 在MHz范圍的聲波不能有效地通過空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來獲得良好的聲波傳播。常用的耦合劑為甘油、丙二醇、水、油和凝膠體。只需要一點點量，就足夠填滿這極薄的空氣層，否則它就會在探頭和試塊間存在空隙。 常用的測量聲波在試塊中傳播的時間間隔的方法有三種。模式1是zui 常用的方法，只需簡單測量在產生聲波的激勵脈沖和*個回波之間的時間間隔，并減去用來補償儀器、電纜線和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來自試塊表面的回波和*個底面回波之間的時間間隔。模式3測量在兩個相繼底面回波之間的時間間隔。探頭類型和特定的應用要求通常會規定模式的選擇。 |
| 探頭類型 |
| 直接接觸式探頭：正如名稱所表明的那樣，直接接觸式探頭用于與試塊直接接觸。使用接觸式探頭的測量通常是zui容易實現的，對于非腐蝕測量的大多數常規測厚應用，它們經常是的方法。 |
| 延遲線探頭：延遲線探頭將一個由塑料、環氧或熔融硅作為一體的柱體作為在激發元件和試塊之間的延遲線。使用它們的主要原因是用于薄材料測量，在這種情況，將激發脈沖和底面回波分離開來是非常重要的。延遲塊可用作熱絕緣體，防止對熱敏感的探頭晶片直接和熱的工件接觸；同時延遲線也可為具有形狀或仿形狀用來改善對尖銳曲面或狹窄面上的聲能耦合。 |
| 水浸探頭：水浸探頭使用柱狀水或水池來將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動產品的在線或加工過程中的測量；是用于在小半徑、凹槽的掃描的測量或耦合優化。 |
| 雙晶探頭：雙晶片的探頭，或簡稱為雙晶探頭，主要用于粗糙、腐蝕表面的測量。它有獨立的發射晶片和接收晶片，以一個小角度安裝在延遲塊上從而將能量聚焦在試塊表面下的一個選定的距離上。雖然有時候雙晶探頭測量不如其他類型探頭，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著的良好的性能。 |
| 4.需考慮的事情 |
| 在任意超聲測厚應用中，儀器和探頭的選擇取決于被測材料、厚度范圍、幾何形狀、溫度、精度要求以及可能存在的一些特殊條件。下面列出了需要考慮的主要因素： |
| 材料：被測的材料類型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時是zui重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會更快地吸收超聲能量，因此其zui大厚度范圍有更多的限制，但是在許多制造業情況依然能夠很容易地完成測量。橡膠、纖維玻璃和許多復合材料衰減更大而且經常需要具有優化低頻操作的脈沖/接收的高穿透力儀器。 |
| 厚度：厚度范圍也影響該選擇的儀器和探頭類型。一般而言，薄材料用高頻探頭，厚的或衰減性材料用低頻探頭，延遲塊探頭用于非常薄的材料，雖然延遲塊探頭（和液浸探頭）由于多次界面回波的干擾在zui大可測厚度上會有更多的限制。在那些涉及到比較寬的厚度范圍并且/或者多層材料的情況下，可能需要不止一種類型的探頭。 |
| 幾何形狀：當工件表面曲率增加時，在探頭和試塊間的耦合效果會降低，因此當曲率增加時，探頭尺寸一般都要減小。在一個半徑極小，尤其是凹面時，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來達到適當的聲耦合。延遲式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類似區域。 |
| 溫度：常規接觸式探頭一般用于的表面溫度約為125° F或50° C。在更高溫度的材料上使用，大多數直接接觸式探頭可能會由于熱膨脹效應導致*性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線的延遲線探頭、液浸探頭或高溫雙晶探頭。 |
| 相位顛倒：由低聲阻抗材料（密度乘聲速）粘合到高聲阻抗材料的特殊應用，典型例子包括在鋼或其他金屬的上的塑料、橡膠、玻璃的覆蓋層、以及在纖維玻璃上的聚合體覆蓋層。在這些情況下來自兩種材料界間的回波將會相位顛倒，或相對于空氣邊界的回波相位反向。這種情況通常建議在儀器上做簡單的設置改變，但是如果不把這一點考慮進去，讀數將是不準確的。 |
| 精度：在一個給定的應用中，許多因素會影響測量的精度，包括正確的儀器校準、材料聲速的均勻性、聲衰減和散射、表面粗糙度、曲率、聲耦合不良、以及底面不平行度。在選擇儀器和探頭時所有這些因素都應該考慮進去。采用正確的校準，測量通常可達到精度為±0.001"或0.01mm，而且在某些應用中精度可達到0.0001"或0.001mm。在一個給定的應用中，精度通過使用知道厚度的參考試塊來確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來測量的儀器可zui地測得工件的厚度。 |
| 超聲測厚是一種廣泛使用的無損檢測技術，它用來從材料一側測量材料厚度。在19世紀40年代后期，利用由聲納衍生的原理產生了*臺商業超聲測厚儀器。在19世紀70年代，小型便攜式儀器由于優化了大多數檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術上的發展使得如今的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個新的水平。 |
| 可測量什么？ |
| 幾乎任何一種普通工程材料都可以用超聲方法來測量。超聲測厚儀可用于金屬、塑料、復合材料、纖維玻璃、陶瓷和玻璃。在線或加工過程中的擠壓塑料和金屬的測量是可行的，同樣也可測量多層軋制冷作件或涂層。液面高度和生物學樣品也可測量。超聲測量一直是*無損的方法，它無需切開測量物。 常規的超聲測量一般不適用于包括木頭、紙、混凝土和泡沫產品的材料。 |
| 超聲測厚儀如何工作？ |
| 聲能能在一個很寬的頻譜范圍產生，能聽到的聲音存在在一個相當低的頻率范圍，其上限約為每秒20000個周期（20KHz）。頻率越高，我們感覺的音調越高。超聲是一個在很高頻率的聲能，超過了人類能聽到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實施的，但是某些特殊的儀器頻率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。無論是什么頻率，聲能都由根據物理學波的基本定律，通過空氣或鋼介質來傳播的機械振動模式組成。 所有的超聲測厚儀由稱之為超聲波換能器的探頭產生一個聲脈沖，能測量它通過測試塊的行程時間多長。因為聲波會在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波"模式下從一側來實施測量，這樣儀器測量了在試塊遠側或底面回波的反射脈沖之間的來回傳播時間。 探頭包含一個由短電脈沖激發來產生一個超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進入試塊并在其中傳播，直到遇到背壁面或其他邊界。反射信號會往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實上，儀器接收來自另一側的回波，時間間隔只有百萬分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進行編程，從而能夠使用簡單的數學關系式來計算厚度： T = V x t/2 此處：
檢測材料中的聲速實計算中的一個基本組成部分，注意到這一點是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來說，在堅硬的材料中聲速更快而在柔軟的材料中聲速更慢，而且聲速會隨溫度明顯變化。因此，經常需要對超聲測厚儀校準被測材料的聲速，而且達到精度只能和校準的精度一樣好。 在MHz范圍的聲波不能有效地通過空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來獲得良好的聲波傳播。常用的耦合劑為甘油、丙二醇、水、油和凝膠體。只需要一點點量，就足夠填滿這極薄的空氣層，否則它就會在探頭和試塊間存在空隙。 常用的測量聲波在試塊中傳播的時間間隔的方法有三種。模式1是zui 常用的方法，只需簡單測量在產生聲波的激勵脈沖和*個回波之間的時間間隔，并減去用來補償儀器、電纜線和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來自試塊表面的回波和*個底面回波之間的時間間隔。模式3測量在兩個相繼底面回波之間的時間間隔。探頭類型和特定的應用要求通常會規定模式的選擇。 |
| 探頭類型 |
| 直接接觸式探頭：正如名稱所表明的那樣，直接接觸式探頭用于與試塊直接接觸。使用接觸式探頭的測量通常是zui容易實現的，對于非腐蝕測量的大多數常規測厚應用，它們經常是的方法。 |
| 延遲線探頭：延遲線探頭將一個由塑料、環氧或熔融硅作為一體的柱體作為在激發元件和試塊之間的延遲線。使用它們的主要原因是用于薄材料測量，在這種情況，將激發脈沖和底面回波分離開來是非常重要的。延遲塊可用作熱絕緣體，防止對熱敏感的探頭晶片直接和熱的工件接觸；同時延遲線也可為具有形狀或仿形狀用來改善對尖銳曲面或狹窄面上的聲能耦合。 |
| 水浸探頭：水浸探頭使用柱狀水或水池來將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動產品的在線或加工過程中的測量；是用于在小半徑、凹槽的掃描的測量或耦合優化。 |
| 雙晶探頭：雙晶片的探頭，或簡稱為雙晶探頭，主要用于粗糙、腐蝕表面的測量。它有獨立的發射晶片和接收晶片，以一個小角度安裝在延遲塊上從而將能量聚焦在試塊表面下的一個選定的距離上。雖然有時候雙晶探頭測量不如其他類型探頭，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著的良好的性能。 |
| 4.需考慮的事情 |
| 在任意超聲測厚應用中，儀器和探頭的選擇取決于被測材料、厚度范圍、幾何形狀、溫度、精度要求以及可能存在的一些特殊條件。下面列出了需要考慮的主要因素： |
| 材料：被測的材料類型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時是zui重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會更快地吸收超聲能量，因此其zui大厚度范圍有更多的限制，但是在許多制造業情況依然能夠很容易地完成測量。橡膠、纖維玻璃和許多復合材料衰減更大而且經常需要具有優化低頻操作的脈沖/接收的高穿透力儀器。 |
| 厚度：厚度范圍也影響該選擇的儀器和探頭類型。一般而言，薄材料用高頻探頭，厚的或衰減性材料用低頻探頭，延遲塊探頭用于非常薄的材料，雖然延遲塊探頭（和液浸探頭）由于多次界面回波的干擾在zui大可測厚度上會有更多的限制。在那些涉及到比較寬的厚度范圍并且/或者多層材料的情況下，可能需要不止一種類型的探頭。 |
| 幾何形狀：當工件表面曲率增加時，在探頭和試塊間的耦合效果會降低，因此當曲率增加時，探頭尺寸一般都要減小。在一個半徑極小，尤其是凹面時，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來達到適當的聲耦合。延遲式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類似區域。 |
| 溫度：常規接觸式探頭一般用于的表面溫度約為125° F或50° C。在更高溫度的材料上使用，大多數直接接觸式探頭可能會由于熱膨脹效應導致*性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線的延遲線探頭、液浸探頭或高溫雙晶探頭。 |
| 相位顛倒：由低聲阻抗材料（密度乘聲速）粘合到高聲阻抗材料的特殊應用，典型例子包括在鋼或其他金屬的上的塑料、橡膠、玻璃的覆蓋層、以及在纖維玻璃上的聚合體覆蓋層。在這些情況下來自兩種材料界間的回波將會相位顛倒，或相對于空氣邊界的回波相位反向。這種情況通常建議在儀器上做簡單的設置改變，但是如果不把這一點考慮進去，讀數將是不準確的。 |
| 精度：在一個給定的應用中，許多因素會影響測量的精度，包括正確的儀器校準、材料聲速的均勻性、聲衰減和散射、表面粗糙度、曲率、聲耦合不良、以及底面不平行度。在選擇儀器和探頭時所有這些因素都應該考慮進去。采用正確的校準，測量通常可達到精度為±0.001"或0.01mm，而且在某些應用中精度可達到0.0001"或0.001mm。在一個給定的應用中，精度通過使用知道厚度的參考試塊來確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來測量的儀器可zui地測得工件的厚度。 |
| 超聲測厚是一種廣泛使用的無損檢測技術，它用來從材料一側測量材料厚度。在19世紀40年代后期，利用由聲納衍生的原理產生了*臺商業超聲測厚儀器。在19世紀70年代，小型便攜式儀器由于優化了大多數檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術上的發展使得如今的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個新的水平。 |
| 可測量什么？ |
| 幾乎任何一種普通工程材料都可以用超聲方法來測量。超聲測厚儀可用于金屬、塑料、復合材料、纖維玻璃、陶瓷和玻璃。在線或加工過程中的擠壓塑料和金屬的測量是可行的，同樣也可測量多層軋制冷作件或涂層。液面高度和生物學樣品也可測量。超聲測量一直是*無損的方法，它無需切開測量物。 常規的超聲測量一般不適用于包括木頭、紙、混凝土和泡沫產品的材料。 |
| 超聲測厚儀如何工作？ |
| 聲能能在一個很寬的頻譜范圍產生，能聽到的聲音存在在一個相當低的頻率范圍，其上限約為每秒20000個周期（20KHz）。頻率越高，我們感覺的音調越高。超聲是一個在很高頻率的聲能，超過了人類能聽到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實施的，但是某些特殊的儀器頻率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。無論是什么頻率，聲能都由根據物理學波的基本定律，通過空氣或鋼介質來傳播的機械振動模式組成。 所有的超聲測厚儀由稱之為超聲波換能器的探頭產生一個聲脈沖，能測量它通過測試塊的行程時間多長。因為聲波會在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波"模式下從一側來實施測量，這樣儀器測量了在試塊遠側或底面回波的反射脈沖之間的來回傳播時間。 探頭包含一個由短電脈沖激發來產生一個超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進入試塊并在其中傳播，直到遇到背壁面或其他邊界。反射信號會往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實上，儀器接收來自另一側的回波，時間間隔只有百萬分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進行編程，從而能夠使用簡單的數學關系式來計算厚度： T = V x t/2 此處：
檢測材料中的聲速實計算中的一個基本組成部分，注意到這一點是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來說，在堅硬的材料中聲速更快而在柔軟的材料中聲速更慢，而且聲速會隨溫度明顯變化。因此，經常需要對超聲測厚儀校準被測材料的聲速，而且達到精度只能和校準的精度一樣好。 在MHz范圍的聲波不能有效地通過空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來獲得良好的聲波傳播。常用的耦合劑為甘油、丙二醇、水、油和凝膠體。只需要一點點量，就足夠填滿這極薄的空氣層，否則它就會在探頭和試塊間存在空隙。 常用的測量聲波在試塊中傳播的時間間隔的方法有三種。模式1是zui 常用的方法，只需簡單測量在產生聲波的激勵脈沖和*個回波之間的時間間隔，并減去用來補償儀器、電纜線和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來自試塊表面的回波和*個底面回波之間的時間間隔。模式3測量在兩個相繼底面回波之間的時間間隔。探頭類型和特定的應用要求通常會規定模式的選擇。 |
| 探頭類型 |
| 直接接觸式探頭：正如名稱所表明的那樣，直接接觸式探頭用于與試塊直接接觸。使用接觸式探頭的測量通常是zui容易實現的，對于非腐蝕測量的大多數常規測厚應用，它們經常是的方法。 |
| 延遲線探頭：延遲線探頭將一個由塑料、環氧或熔融硅作為一體的柱體作為在激發元件和試塊之間的延遲線。使用它們的主要原因是用于薄材料測量，在這種情況，將激發脈沖和底面回波分離開來是非常重要的。延遲塊可用作熱絕緣體，防止對熱敏感的探頭晶片直接和熱的工件接觸；同時延遲線也可為具有形狀或仿形狀用來改善對尖銳曲面或狹窄面上的聲能耦合。 |
| 水浸探頭：水浸探頭使用柱狀水或水池來將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動產品的在線或加工過程中的測量；是用于在小半徑、凹槽的掃描的測量或耦合優化。 |
| 雙晶探頭：雙晶片的探頭，或簡稱為雙晶探頭，主要用于粗糙、腐蝕表面的測量。它有獨立的發射晶片和接收晶片，以一個小角度安裝在延遲塊上從而將能量聚焦在試塊表面下的一個選定的距離上。雖然有時候雙晶探頭測量不如其他類型探頭，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著的良好的性能。 |
| 4.需考慮的事情 |
| 在任意超聲測厚應用中，儀器和探頭的選擇取決于被測材料、厚度范圍、幾何形狀、溫度、精度要求以及可能存在的一些特殊條件。下面列出了需要考慮的主要因素： |
| 材料：被測的材料類型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時是zui重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會更快地吸收超聲能量，因此其zui大厚度范圍有更多的限制，但是在許多制造業情況依然能夠很容易地完成測量。橡膠、纖維玻璃和許多復合材料衰減更大而且經常需要具有優化低頻操作的脈沖/接收的高穿透力儀器。 |
| 厚度：厚度范圍也影響該選擇的儀器和探頭類型。一般而言，薄材料用高頻探頭，厚的或衰減性材料用低頻探頭，延遲塊探頭用于非常薄的材料，雖然延遲塊探頭（和液浸探頭）由于多次界面回波的干擾在zui大可測厚度上會有更多的限制。在那些涉及到比較寬的厚度范圍并且/或者多層材料的情況下，可能需要不止一種類型的探頭。 |
| 幾何形狀：當工件表面曲率增加時，在探頭和試塊間的耦合效果會降低，因此當曲率增加時，探頭尺寸一般都要減小。在一個半徑極小，尤其是凹面時，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來達到適當的聲耦合。延遲式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類似區域。 |
| 溫度：常規接觸式探頭一般用于的表面溫度約為125° F或50° C。在更高溫度的材料上使用，大多數直接接觸式探頭可能會由于熱膨脹效應導致*性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線的延遲線探頭、液浸探頭或高溫雙晶探頭。 |
| 相位顛倒：由低聲阻抗材料（密度乘聲速）粘合到高聲阻抗材料的特殊應用，典型例子包括在鋼或其他金屬的上的塑料、橡膠、玻璃的覆蓋層、以及在纖維玻璃上的聚合體覆蓋層。在這些情況下來自兩種材料界間的回波將會相位顛倒，或相對于空氣邊界的回波相位反向。這種情況通常建議在儀器上做簡單的設置改變，但是如果不把這一點考慮進去，讀數將是不準確的。 |
| 精度：在一個給定的應用中，許多因素會影響測量的精度，包括正確的儀器校準、材料聲速的均勻性、聲衰減和散射、表面粗糙度、曲率、聲耦合不良、以及底面不平行度。在選擇儀器和探頭時所有這些因素都應該考慮進去。采用正確的校準，測量通常可達到精度為±0.001"或0.01mm，而且在某些應用中精度可達到0.0001"或0.001mm。在一個給定的應用中，精度通過使用知道厚度的參考試塊來確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來測量的儀器可zui地測得工件的厚度。 |
| 超聲測厚是一種廣泛使用的無損檢測技術，它用來從材料一側測量材料厚度。在19世紀40年代后期，利用由聲納衍生的原理產生了*臺商業超聲測厚儀器。在19世紀70年代，小型便攜式儀器由于優化了大多數檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術上的發展使得如今的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個新的水平。 |
| 可測量什么？ |
| 幾乎任何一種普通工程材料都可以用超聲方法來測量。超聲測厚儀可用于金屬、塑料、復合材料、纖維玻璃、陶瓷和玻璃。在線或加工過程中的擠壓塑料和金屬的測量是可行的，同樣也可測量多層軋制冷作件或涂層。液面高度和生物學樣品也可測量。超聲測量一直是*無損的方法，它無需切開測量物。 常規的超聲測量一般不適用于包括木頭、紙、混凝土和泡沫產品的材料。 |
| 超聲測厚儀如何工作？ |
| 聲能能在一個很寬的頻譜范圍產生，能聽到的聲音存在在一個相當低的頻率范圍，其上限約為每秒20000個周期（20KHz）。頻率越高，我們感覺的音調越高。超聲是一個在很高頻率的聲能，超過了人類能聽到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實施的，但是某些特殊的儀器頻率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。無論是什么頻率，聲能都由根據物理學波的基本定律，通過空氣或鋼介質來傳播的機械振動模式組成。 所有的超聲測厚儀由稱之為超聲波換能器的探頭產生一個聲脈沖，能測量它通過測試塊的行程時間多長。因為聲波會在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波"模式下從一側來實施測量，這樣儀器測量了在試塊遠側或底面回波的反射脈沖之間的來回傳播時間。 探頭包含一個由短電脈沖激發來產生一個超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進入試塊并在其中傳播，直到遇到背壁面或其他邊界。反射信號會往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實上，儀器接收來自另一側的回波，時間間隔只有百萬分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進行編程，從而能夠使用簡單的數學關系式來計算厚度： T = V x t/2 此處：
檢測材料中的聲速實計算中的一個基本組成部分，注意到這一點是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來說，在堅硬的材料中聲速更快而在柔軟的材料中聲速更慢，而且聲速會隨溫度明顯變化。因此，經常需要對超聲測厚儀校準被測材料的聲速，而且達到精度只能和校準的精度一樣好。 在MHz范圍的聲波不能有效地通過空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來獲得良好的聲波傳播。常用的耦合劑為甘油、丙二醇、水、油和凝膠體。只需要一點點量，就足夠填滿這極薄的空氣層，否則它就會在探頭和試塊間存在空隙。 常用的測量聲波在試塊中傳播的時間間隔的方法有三種。模式1是zui 常用的方法，只需簡單測量在產生聲波的激勵脈沖和*個回波之間的時間間隔，并減去用來補償儀器、電纜線和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來自試塊表面的回波和*個底面回波之間的時間間隔。模式3測量在兩個相繼底面回波之間的時間間隔。探頭類型和特定的應用要求通常會規定模式的選擇。 |
| 探頭類型 |
| 直接接觸式探頭：正如名稱所表明的那樣，直接接觸式探頭用于與試塊直接接觸。使用接觸式探頭的測量通常是zui容易實現的，對于非腐蝕測量的大多數常規測厚應用，它們經常是的方法。 |
| 延遲線探頭：延遲線探頭將一個由塑料、環氧或熔融硅作為一體的柱體作為在激發元件和試塊之間的延遲線。使用它們的主要原因是用于薄材料測量，在這種情況，將激發脈沖和底面回波分離開來是非常重要的。延遲塊可用作熱絕緣體，防止對熱敏感的探頭晶片直接和熱的工件接觸；同時延遲線也可為具有形狀或仿形狀用來改善對尖銳曲面或狹窄面上的聲能耦合。 |
| 水浸探頭：水浸探頭使用柱狀水或水池來將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動產品的在線或加工過程中的測量；是用于在小半徑、凹槽的掃描的測量或耦合優化。 |
| 雙晶探頭：雙晶片的探頭，或簡稱為雙晶探頭，主要用于粗糙、腐蝕表面的測量。它有獨立的發射晶片和接收晶片，以一個小角度安裝在延遲塊上從而將能量聚焦在試塊表面下的一個選定的距離上。雖然有時候雙晶探頭測量不如其他類型探頭，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著的良好的性能。 |
| 4.需考慮的事情 |
| 在任意超聲測厚應用中，儀器和探頭的選擇取決于被測材料、厚度范圍、幾何形狀、溫度、精度要求以及可能存在的一些特殊條件。下面列出了需要考慮的主要因素： |
| 材料：被測的材料類型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時是zui重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會更快地吸收超聲能量，因此其zui大厚度范圍有更多的限制，但是在許多制造業情況依然能夠很容易地完成測量。橡膠、纖維玻璃和許多復合材料衰減更大而且經常需要具有優化低頻操作的脈沖/接收的高穿透力儀器。 |
| 厚度：厚度范圍也影響該選擇的儀器和探頭類型。一般而言，薄材料用高頻探頭，厚的或衰減性材料用低頻探頭，延遲塊探頭用于非常薄的材料，雖然延遲塊探頭（和液浸探頭）由于多次界面回波的干擾在zui大可測厚度上會有更多的限制。在那些涉及到比較寬的厚度范圍并且/或者多層材料的情況下，可能需要不止一種類型的探頭。 |
| 幾何形狀：當工件表面曲率增加時，在探頭和試塊間的耦合效果會降低，因此當曲率增加時，探頭尺寸一般都要減小。在一個半徑極小，尤其是凹面時，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來達到適當的聲耦合。延遲式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類似區域。 |
| 溫度：常規接觸式探頭一般用于的表面溫度約為125° F或50° C。在更高溫度的材料上使用，大多數直接接觸式探頭可能會由于熱膨脹效應導致*性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線的延遲線探頭、液浸探頭或高溫雙晶探頭。 |
| 相位顛倒：由低聲阻抗材料（密度乘聲速）粘合到高聲阻抗材料的特殊應用，典型例子包括在鋼或其他金屬的上的塑料、橡膠、玻璃的覆蓋層、以及在纖維玻璃上的聚合體覆蓋層。在這些情況下來自兩種材料界間的回波將會相位顛倒，或相對于空氣邊界的回波相位反向。這種情況通常建議在儀器上做簡單的設置改變，但是如果不把這一點考慮進去，讀數將是不準確的。 |
| 精度：在一個給定的應用中，許多因素會影響測量的精度，包括正確的儀器校準、材料聲速的均勻性、聲衰減和散射、表面粗糙度、曲率、聲耦合不良、以及底面不平行度。在選擇儀器和探頭時所有這些因素都應該考慮進去。采用正確的校準，測量通常可達到精度為±0.001"或0.01mm，而且在某些應用中精度可達到0.0001"或0.001mm。在一個給定的應用中，精度通過使用知道厚度的參考試塊來確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來測量的儀器可zui地測得工件的厚度。 |
超聲波測量方法
一、一般測量方法：
1、（1）在一點處用探頭進行兩次測厚，在兩次測量中探頭的分割面要互為90°，取較小值為被測工件厚度值。（2）30mm多點測量法：當測量值不穩定時，以一個測定點為中心，在直徑約φ30mm的圓內進行多次測量，取zui小值為被測工件厚度值。
2、測量法：在規定的測量點周圍增加測量數目，厚度變化用等厚線表示。
3、連續測量法：用單點測量法沿路線連續測量，間隔不大于5mm。
4、網格測量法：在區域劃上網格，按點測厚記錄。此方法在尿素高壓設備、不銹鋼襯里腐蝕監測中廣泛使用。
二、超聲波測厚示值失真原因分析：
超聲波測厚在實際應用中，尤其是在役設備的監測中，如果出現示值失真，偏離實際厚度的現象，結果造成管線（設備）隱患存在，就是依據錯誤的數據更換了管件，造成大量材料浪費。根據我公司幾年來超聲波測厚的跟蹤使用情況，將示值失真現象及原因分析如下：
1、無示值顯示或示值閃爍不穩原因分析：這種現象在現場設備和管道檢測中時常出現，經過大量現象和數據分析，歸納原因如下：
（1）工件表面粗糙度過大，造成探頭與接觸面耦合效果差，反射回波低，甚至無法接收到回波信號。在役設備、管道大部分是表面銹蝕，耦合效果極差。
（2）工件曲率半徑太小，尤其是小徑管測厚時，因常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點接觸或線接觸，聲強透射率低（耦合不好）。
（3）檢測面與底面不平行，聲波遇到底面產生散射，探頭無法接受到底波信號。
（4）鑄件、奧氏體鋼因組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過時產生嚴重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播，有可能使回波湮沒，造成不顯示。
（5）探頭接觸面有一定磨損。常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度嶒加，導致靈敏度下降，從而造成不顯示或閃爍。
（6）被測物背面有大量腐蝕坑。由于被測物另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導致讀數無規則變化，在情況下甚至無讀數。
2、示值過大或過小原因分析 在實際檢測工作中，經常碰到測厚儀示值與設計值（或預期值）相比，明顯偏大或偏小，原因分析如下：
（1）被測物體（如管道）內有沉積物，當沉積物與工件聲阻抗相差不大時，測厚儀顯示值為壁厚加沉積物厚度。 （2）當材料內部存在缺陷（如夾雜、夾層等）時，顯示值約為公稱厚度的70%（此時要用超聲波探傷儀進一步進行缺陷檢測）。
（3）溫度的影響。一般固體材料中的聲速隨其溫度升高而降低，有試驗數據表明，熱態材料每增加100°C，聲速下降1%。對于高溫在役設備常常碰到這種情況。
（4）層疊材料、復合（非均質）材料。要測量未經耦合的層疊材料是不可能的，因超聲波無法穿透未經耦合的空間，而且不能在復合（非均質）材料中勻速傳播。對于由多層材料包扎制成的設備（像尿素高壓設備），測厚時要特別注意，測厚儀的示值僅表示與探頭接觸的那層材料厚度。
（5）耦合劑的影響。耦合劑是用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當，將造成誤差或耦合標志閃爍，無法測量。實際使用中由于耦合劑使用過多，造成探頭離開工件時，儀器示值為耦合劑層厚度值。
（6）聲速選擇錯誤。測量工件前，根據材料種類預置其聲速或根據標準塊反測出聲速。當用一種材料校正儀器后（常用試塊為鋼）又去測量另一種材料時，將產生錯誤的結果。
7）應力的影響。在役設備、管道大部分有應力存在，固體材料的應力狀況對聲速有一定的影響，當應力方向與傳播方向一致時，若應力為壓應力，則應力作用使工件彈性增加，聲速加快；反之，若應力為拉應力，則聲速減慢。當應力與波的傳播方向不一至時，波動過程中質點振動軌跡受應力干擾，波的傳播方向產生偏離。根據資料表明，一般應力增加，聲速緩慢增加。
（8）金屬表面氧化物或油漆覆蓋層的影響。金屬表面產生的致密氧化物或油漆防腐層，雖與基體材料結合緊密，無名顯界面，但聲速在兩種物質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。
三、超聲波測厚示值失真的預防措施及注意事項：由以上產生示值失真的原因分析，在現場檢測中就應采取相應措施，進行事前積極預防，避免造成事故隱患或不必要的浪費。為此，根據幾年來的跟蹤檢測經驗，歸納總結如下幾點，作為預防超聲測厚示值失真的預防措施。
1、正確選用測厚探頭
（1）測曲面工件時，采用曲面探頭護套或選用小管徑探頭（φ6mm,可較的測量管道等曲面材料。（2）對 于 晶 粒 粗 大 的 鑄 件 和 奧 氏 體 不 銹 鋼 等，應 選 用 頻 率 較 低 的 粗 晶 專 用 探 頭（2.5MHz.
（3）測高溫工件時，應選用高溫探頭（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，使其平滑并保證平行度。如仍不穩定，則考慮更換探頭。
2、對被檢物表面進行處理。通過砂、磨、挫等方法對表面進行處理，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。
3、正確識別材料，選擇合適聲速。在測量前一定要查清被測物是哪種材料，正確預置聲速。對于高溫工件，根據實際溫度，按修正后的聲速預置或按常溫測量后，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。
4、正確使用耦合劑。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。高溫工件應選用高溫耦合劑。其次，耦合劑應適量使用，涂抹均勻，一般應將耦合劑涂在被測材料的表面，但當測量溫度較高時，耦合劑應涂在探頭上。
5、特殊情況的處理
（1）檢測時發現數值明顯偏離預期值，應用超聲波探傷儀進行輔助判斷。當發現背面有腐蝕凹坑時，這個區域測量就得十分小心，可選擇變換分割面角度作多次測量。
（2）當測量復合外形的工件（如管子彎頭處）時，可采用〔一、1、（1）〕介紹的方法，選較小的數據作為該工件在測量點處的厚度。
（3）被測工件的另一表面必須與被測面平行，否則得不到滿意的超聲響應，將引起測量誤差或根本無讀數顯示。
（4）對于層疊材料、復合材料以及內部結構特異的，常見的應用超聲反射原理測量厚度的儀器就不適用。
