超声波测厚的基本概述

1、超声波测厚的基本概述测 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

2、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

3、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do 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、 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

9、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

10、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 °

11、;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