無損檢測中超聲波測厚方法淺析

超聲波測厚儀我國應(yīng)用的比較早，早在60年代，我國就自行設(shè)計制成表頭式CCH-J-1型脈沖反射式測厚儀，并大量生產(chǎn)供用戶使用?，F(xiàn)在已應(yīng)用數(shù)字技術(shù)制成UTM-101H型數(shù)字式測厚儀。

近年來脈沖反射式測厚儀發(fā)展非?？?。由于采用集成電路，數(shù)字式測厚儀小到可以握在手掌之中重量不超過一市斤。測量下限降至0.25毫米，上限一般為幾百毫米，精度可達到0.01毫米。

超聲波測厚儀從原理上分有共振式、脈沖式兩種，下面重點討論脈沖反射式測厚儀。

(一)基本原理

脈沖反射式測厚儀從原理上來說是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間t，即：d=c*t/2

如果聲速c已知，那么，測得超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間t，就可求得材料厚度d。這種測厚儀可利用表頭或數(shù)字管直接表示厚度，使用極為方便。

測厚儀電路工件原理方框圖示于右圖。發(fā)射電路輸出一個上升時間很短，脈沖很窄的周期性電脈沖，通過電纜加到探頭上，激發(fā)壓電片產(chǎn)生脈沖超聲波，探頭發(fā)出的超聲波進入工件，在工件上下兩面形成多次反射。反射波經(jīng)過壓電片再變成電信號，經(jīng)放大器放大，由計算電路測出聲波在兩面間的傳播時間t，最后再換算成厚度顯示出來。

(二)脈沖反射式測厚儀電路概述

脈沖反射式測厚儀電路主要是由于主控器、發(fā)射電路、接收放大電路、計算電路、厚度顯示等幾部分組成。

下面就其中幾個主要部分討論如下。

1、發(fā)射電路

該電路是經(jīng)主控器發(fā)出的脈沖觸發(fā)后，產(chǎn)生一窄的發(fā)射脈沖信號，使換能器(探頭)發(fā)射超聲脈沖。從提高分辨能力和降低測厚儀范圍的下限考慮，發(fā)射脈動沖要上升時間短，脈沖寬度窄，這里需要指出。影響發(fā)射脈沖寬度的因素既有電路上的問題，也有探頭的制作問題。從提高靈敏度和擴大測量范圍上限考慮，要求發(fā)射功率大。

目前脈沖式超聲波測厚儀均采用晶體管電路和集成電路，為了提高發(fā)射強度，需將幾伏電源電壓通過直流變換器升到幾十伏至幾百伏的電壓，供給發(fā)射管，借以提高發(fā)射強度。

2、接收放大電路

它主要是接收放大工件的底面反射信號。底面反射信號的幅度除受發(fā)射脈沖強度影響外，還受被測工件表面光潔度、藕合、材質(zhì)以及工件底面情況等影響，因此反射信號的幅度變化范圍很大，為使儀器有足夠的靈敏度，要求放大電路有較高的增益。但過分提高增益會使脈沖寬度變寬而影響測量精度。

3、計算電路和厚度顯示

數(shù)字式測厚儀測讀最方便，測量精度也高，精度可達±0.01毫米，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的脈沖式超聲波測厚儀主要是數(shù)字式的。下面討論一下數(shù)字式測厚儀的計算電路和厚度顯示。

發(fā)射脈沖和經(jīng)過放大的底面反射信號(或相鄰兩個底面反射信號)觸發(fā)厚度閘門控制電路，輸出一個寬度與被測工件中超聲波傳播時間成正比的方波。用這方波來控制閘門電路啟閉。

高頻振蕩器輸出一系列高頻振蕩信號。在閘門電路開啟期間，這些高頻信號通過閘門進入計算器而被計數(shù)，最后數(shù)字管顯示出開門時間內(nèi)的高頻振蕩次數(shù)。計數(shù)與開門方波寬度成正比，方波寬度又正比于工件厚度，因此，計數(shù)正比于厚度。高頻振蕩器的頻率是可調(diào)的，根據(jù)不同的材料可調(diào)節(jié)振蕩頻率，使之開門時間內(nèi)振蕩次數(shù)等于工件厚度，這樣數(shù)字管就直接顯示出厚度來。

國產(chǎn)UTM-101H型數(shù)字式超聲波測厚儀精度為±0.1毫米，測量范圍是1.2-220毫米。

測量精度為0.1毫米時對于鋼來說，相應(yīng)的聲波傳播時間約0.03微秒，也就是要求高頻振蕩的一個周期為0.03微秒，即振蕩頻率調(diào)整約為30 兆赫左右，這時計數(shù)器就顯示以0.1毫米為單位的厚度值。如要讓測量精度達到0.01毫米，則高頻振蕩頻率約為300兆赫左右。但制作在這樣高頻率下工作的數(shù)字電路太困難了。實際解決辦法是在計數(shù)電路之前加一級方波信號擴展電路，使開門時間準確擴大10倍，這樣用30兆赫左右的振蕩頻率也可使測量精度達到 0.01毫米。

(三)測厚儀的使用及注意事項

首先是選擇探頭。測厚用探頭一般要根據(jù)測厚范圍，測量精度和工件條件來選擇。雙晶片探頭比較好，它的測量范圍較寬，下限較低。

測厚時被測工件的表面處理與探傷時的要求相同。對粗糙表面測厚，要求打磨的面積不大，關(guān)鍵在于平整。

藕合劑選用也同探傷時一樣，對小徑管管壁和堅立的壁等的測厚，采用甘油或水玻璃為宜。

測量時，為避免耦合劑薄膜的多次反射或其他雜波信號引起的假讀數(shù)，一定要指示穩(wěn)定且能重復(fù)呈現(xiàn)后再讀取數(shù)據(jù)。假讀數(shù)在絕大多數(shù)情況中指示是不穩(wěn)定的。使用雙晶探頭時，對于一般無方向性問題的工件。探頭放置方向無關(guān)，并且每個測點測一次即可。對于管道測厚，探頭的放置方向要使其隔聲層垂直于管道軸線，對于其他與探頭放置方向有關(guān)的測厚，各測點應(yīng)測量二次(先測一次，然后將探頭旋轉(zhuǎn)90°再測一次)，并做好標記和記錄。

測量管材，尤其是測小徑管時，要細心左右擺動探頭，使其與管壁正交，這樣才能獲得穩(wěn)定準確的厚度指示。如儀器工作正常，但測不出厚度時，首先要檢查工件光潔度是否合格。耦合劑好不好，光潔度不夠再打磨一下，耦合劑太稀，應(yīng)換粘度大一些的。如果仍然測不出來，這可能是內(nèi)部腐蝕嚴重引起的，可把探頭稍移動一點再測。

測厚中要注意成倍讀數(shù)或缺陷反射兩種情況，當讀數(shù)與預(yù)想值相差很多時，應(yīng)該分析是什么原因引起的，看是出現(xiàn)了成倍讀數(shù)(讀數(shù)過大)還是缺陷反射(讀數(shù)過小);這時如有其他種類測厚儀或探傷儀，應(yīng)輔助測量一下，辨明原因。

對運行中高溫工件的測量，要使用高溫探頭和特殊的耦合劑。

通常管道中沉積物的聲阻抗與管材的聲阻抗相差很大，所以對厚度測量沒有影響。但在個別情況下，如煉油廠中提煉含硫量較高的天然石油時，管道和容器里形成一種劇鐵鹽沉積物，其聲阻抗與鋼的聲阻抗相近，這時測得的壁厚有可能是管壁厚與沉積物厚度之和。所以測量時要特別小心，當對所測得厚度有懷疑時，用小錘敲打幾下管壁，然后再測量一次。