无损检测中超声波测厚方法浅析

无损检测中测厚的方法很多，相应的仪器也很多，除一般机械法测厚外，常用的测厚仪从原理上有：射线测厚仪、超声波测厚仪、磁性测厚仪、电流法测厚仪等。超声波测厚仪与利用其他原理制作的测厚仪相比，有小型、轻便、测量速度快、精度高、电池供电、容器内积累成污垢不影响测量精度等优点。因此，近年来工业上测厚所使用的测厚仪大部分都是超声波测厚仪。

超声波测厚仪我国应用的比较早，早在60年代，我国就自行设计制成表头式CCH-J-1型脉冲反射式测厚仪，并大量生产供用户使用。现在已应用数字技术制成UTM-101H型数字式测厚仪。

近年来脉冲反射式测厚仪发展非常快。由于采用集成电路，数字式测厚仪小到可以握在手掌之中重量不超过一市斤。测量下限降至0.25毫米，上限一般为几百毫米，精度可达到0.01毫米。

超声波测厚仪从原理上分有共振式、脉冲式两种，下面重点讨论脉冲反射式测厚仪。

(一)基本原理

脉冲反射式测厚仪从原理上来说是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间t，即：d=c*t/2

如果声速c已知，那么，测得超声波脉冲在材料中的往返传播时间t，就可求得材料厚度d。这种测厚仪可利用表头或数字管直接表示厚度，使用极为方便。

测厚仪电路工件原理方框图示于右图。发射电路输出一个上升时间很短，脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激发压电片产生脉冲超声波，探头发出的超声波进入工件，在工件上下两面形成多次反射。反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，由计算电路测出声波在两面间的传播时间t，最后再换算成厚度显示出来。

(二)脉冲反射式测厚仪电路概述

脉冲反射式测厚仪电路主要是由于主控器、发射电路、接收放大电路、计算电路、厚度显示等几部分组成。

下面就其中几个主要部分讨论如下。

1、发射电路

该电路是经主控器发出的脉冲触发后，产生一窄的发射脉冲信号，使换能器(探头)发射超声脉冲。从提高分辨能力和降低测厚仪范围的下限考虑，发射脉动冲要上升时间短，脉冲宽度窄，这里需要指出。影响发射脉冲宽度的因素既有电路上的问题，也有探头的制作问题。从提高灵敏度和扩大测量范围上限考虑，要求发射功率大。

目前脉冲式超声波测厚仪均采用晶体管电路和集成电路，为了提高发射强度，需将几伏电源电压通过直流变换器升到几十伏至几百伏的电压，供给发射管，借以提高发射强度。

2、接收放大电路

它主要是接收放大工件的底面反射信号。底面反射信号的幅度除受发射脉冲强度影响外，还受被测工件表面光洁度、藕合、材质以及工件底面情况等影响，因此反射信号的幅度变化范围很大，为使仪器有足够的灵敏度，要求放大电路有较高的增益。但过分提高增益会使脉冲宽度变宽而影响测量精度。

3、计算电路和厚度显示

数字式测厚仪测读最方便，测量精度也高，精度可达±0.01毫米，目前国内外生产的脉冲式超声波测厚仪主要是数字式的。下面讨论一下数字式测厚仪的计算电路和厚度显示。

发射脉冲和经过放大的底面反射信号(或相邻两个底面反射信号)触发厚度闸门控制电路，输出一个宽度与被测工件中超声波传播时间成正比的方波。用这方波来控制闸门电路启闭。

高频振荡器输出一系列高频振荡信号。在闸门电路开启期间，这些高频信号通过闸门进入计算器而被计数，最后数字管显示出开门时间内的高频振荡次数。计数与开门方波宽度成正比，方波宽度又正比于工件厚度，因此，计数正比于厚度。高频振荡器的频率是可调的，根据不同的材料可调节振荡频率，使之开门时间内振荡次数等于工件厚度，这样数字管就直接显示出厚度来。

国产UTM-101H型数字式超声波测厚仪精度为±0.1毫米，测量范围是1.2-220毫米。

测量精度为0.1毫米时对于钢来说，相应的声波传播时间约0.03微秒，也就是要求高频振荡的一个周期为0.03微秒，即振荡频率调整约为30 兆赫左右，这时计数器就显示以0.1毫米为单位的厚度值。如要让测量精度达到0.01毫米，则高频振荡频率约为300兆赫左右。但制作在这样高频率下工作的数字电路太困难了。实际解决办法是在计数电路之前加一级方波信号扩展电路，使开门时间准确扩大10倍，这样用30兆赫左右的振荡频率也可使测量精度达到 0.01毫米。

(三)测厚仪的使用及注意事项

首先是选择探头。测厚用探头一般要根据测厚范围，测量精度和工件条件来选择。双晶片探头比较好，它的测量范围较宽，下限较低。

测厚时被测工件的表面处理与探伤时的要求相同。对粗糙表面测厚，要求打磨的面积不大，关键在于平整。

藕合剂选用也同探伤时一样，对小径管管壁和坚立的壁等的测厚，采用甘油或水玻璃为宜。

测量时，为避免耦合剂薄膜的多次反射或其他杂波信号引起的假读数，一定要指示稳定且能重复呈现后再读取数据。假读数在绝大多数情况中指示是不稳定的。使用双晶探头时，对于一般无方向性问题的工件。探头放置方向无关，并且每个测点测一次即可。对于管道测厚，探头的放置方向要使其隔声层垂直于管道轴线，对于其他与探头放置方向有关的测厚，各测点应测量二次(先测一次，然后将探头旋转90°再测一次)，并做好标记和记录。

测量管材，尤其是测小径管时，要细心左右摆动探头，使其与管壁正交，这样才能获得稳定准确的厚度指示。如仪器工作正常，但测不出厚度时，首先要检查工件光洁度是否合格。耦合剂好不好，光洁度不够再打磨一下，耦合剂太稀，应换粘度大一些的。如果仍然测不出来，这可能是内部腐蚀严重引起的，可把探头稍移动一点再测。

测厚中要注意成倍读数或缺陷反射两种情况，当读数与预想值相差很多时，应该分析是什么原因引起的，看是出现了成倍读数(读数过大)还是缺陷反射(读数过小);这时如有其他种类测厚仪或探伤仪，应辅助测量一下，辨明原因。

对运行中高温工件的测量，要使用高温探头和特殊的耦合剂。

通常管道中沉积物的声阻抗与管材的声阻抗相差很大，所以对厚度测量没有影响。但在个别情况下，如炼油厂中提炼含硫量较高的天然石油时，管道和容器里形成一种剧铁盐沉积物，其声阻抗与钢的声阻抗相近，这时测得的壁厚有可能是管壁厚与沉积物厚度之和。所以测量时要特别小心，当对所测得厚度有怀疑时，用小锤敲打几下管壁，然后再测量一次。