無(wú)損檢測(cè)中超聲波測(cè)厚方法淺析

無(wú)損檢測(cè)中測(cè)厚的方法很多，相應(yīng)的儀器也很多，除一般機(jī)械法測(cè)厚外，常用的測(cè)厚儀從原理上有：射線測(cè)厚儀、超聲波測(cè)厚儀、磁性測(cè)厚儀、電流法測(cè)厚儀等。超聲波測(cè)厚儀與利用其他原理制作的測(cè)厚儀相比，有小型、輕便、測(cè)量速度快、精度高、電池供電、容器內(nèi)積累成污垢不影響測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)工業(yè)上測(cè)厚所使用的測(cè)厚儀大部分都是超聲波測(cè)厚儀。

超聲波測(cè)厚儀我國(guó)應(yīng)用的比較早，早在60年代，我國(guó)就自行設(shè)計(jì)制成表頭式CCH-J-1型脈沖反射式測(cè)厚儀，并大量生產(chǎn)供用戶(hù)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(cè)厚儀。

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

超聲波測(cè)厚儀從原理上分有共振式、脈沖式兩種，下面重點(diǎn)討論脈沖反射式測(cè)厚儀。

(一)基本原理

脈沖反射式測(cè)厚儀從原理上來(lái)說(shuō)是測(cè)量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時(shí)間t，即：d=c*t/2

如果聲速c已知，那么，測(cè)得超聲波脈沖在材料中的往返傳播時(shí)間t，就可求得材料厚度d。這種測(cè)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(cè)厚儀電路工件原理方框圖示于右圖。發(fā)射電路輸出一個(gè)上升時(shí)間很短，脈沖很窄的周期性電脈沖，通過(guò)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(jìn)入工件，在工件上下兩面形成多次反射。反射波經(jīng)過(guò)壓電片再變成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大，由計(jì)算電路測(cè)出聲波在兩面間的傳播時(shí)間t，最后再換算成厚度顯示出來(lái)。

(二)脈沖反射式測(cè)厚儀電路概述

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

下面就其中幾個(gè)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(hào)，使換能器(探頭)發(fā)射超聲脈沖。從提高分辨能力和降低測(cè)厚儀范圍的下限考慮，發(fā)射脈動(dòng)沖要上升時(shí)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(wèn)題，也有探頭的制作問(wèn)題。從提高靈敏度和擴(kuò)大測(cè)量范圍上限考慮，要求發(fā)射功率大。

目前脈沖式超聲波測(cè)厚儀均采用晶體管電路和集成電路，為了提高發(fā)射強(qiáng)度，需將幾伏電源電壓通過(guò)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(qiáng)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(hào)。底面反射信號(hào)的幅度除受發(fā)射脈沖強(qiáng)度影響外，還受被測(cè)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(hào)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(guò)分提高增益會(huì)使脈沖寬度變寬而影響測(cè)量精度。

3、計(jì)算電路和厚度顯示

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

發(fā)射脈沖和經(jīng)過(guò)放大的底面反射信號(hào)(或相鄰兩個(gè)底面反射信號(hào))觸發(fā)厚度閘門(mén)控制電路，輸出一個(gè)寬度與被測(cè)工件中超聲波傳播時(shí)間成正比的方波。用這方波來(lái)控制閘門(mén)電路啟閉。

高頻振蕩器輸出一系列高頻振蕩信號(hào)。在閘門(mén)電路開(kāi)啟期間，這些高頻信號(hào)通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)算器而被計(jì)數(shù)，最后數(shù)字管顯示出開(kāi)門(mén)時(shí)間內(nèi)的高頻振蕩次數(shù)。計(jì)數(shù)與開(kāi)門(mén)方波寬度成正比，方波寬度又正比于工件厚度，因此，計(jì)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(kāi)門(mén)時(shí)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(lái)。

國(guó)產(chǎn)UTM-101H型數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀精度為±0.1毫米，測(cè)量范圍是1.2-220毫米。

測(cè)量精度為0.1毫米時(shí)對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的聲波傳播時(shí)間約0.03微秒，也就是要求高頻振蕩的一個(gè)周期為0.03微秒，即振蕩頻率調(diào)整約為30 兆赫左右，這時(shí)計(jì)數(shù)器就顯示以0.1毫米為單位的厚度值。如要讓測(cè)量精度達(dá)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(shí)際解決辦法是在計(jì)數(shù)電路之前加一級(jí)方波信號(hào)擴(kuò)展電路，使開(kāi)門(mén)時(shí)間準(zhǔn)確擴(kuò)大10倍，這樣用30兆赫左右的振蕩頻率也可使測(cè)量精度達(dá)到 0.01毫米。

(三)測(cè)厚儀的使用及注意事項(xiàng)

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

測(cè)厚時(shí)被測(cè)工件的表面處理與探傷時(shí)的要求相同。對(duì)粗糙表面測(cè)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(shí)一樣，對(duì)小徑管管壁和堅(jiān)立的壁等的測(cè)厚，采用甘油或水玻璃為宜。

測(cè)量時(shí)，為避免耦合劑薄膜的多次反射或其他雜波信號(hào)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(shí)，對(duì)于一般無(wú)方向性問(wèn)題的工件。探頭放置方向無(wú)關(guān)，并且每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)一次即可。對(duì)于管道測(cè)厚，探頭的放置方向要使其隔聲層垂直于管道軸線，對(duì)于其他與探頭放置方向有關(guān)的測(cè)厚，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)測(cè)量二次(先測(cè)一次，然后將探頭旋轉(zhuǎn)90°再測(cè)一次)，并做好標(biāo)記和記錄。

測(cè)量管材，尤其是測(cè)小徑管時(shí)，要細(xì)心左右擺動(dòng)探頭，使其與管壁正交，這樣才能獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的厚度指示。如儀器工作正常，但測(cè)不出厚度時(shí)，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(cè)不出來(lái)，這可能是內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重引起的，可把探頭稍移動(dòng)一點(diǎn)再測(cè)。

測(cè)厚中要注意成倍讀數(shù)或缺陷反射兩種情況，當(dāng)讀數(shù)與預(yù)想值相差很多時(shí)，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(guò)大)還是缺陷反射(讀數(shù)過(guò)小);這時(shí)如有其他種類(lèi)測(cè)厚儀或探傷儀，應(yīng)輔助測(cè)量一下，辨明原因。

對(duì)運(yùn)行中高溫工件的測(cè)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(duì)厚度測(cè)量沒(méi)有影響。但在個(gè)別情況下，如煉油廠中提煉含硫量較高的天然石油時(shí)，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(shí)測(cè)得的壁厚有可能是管壁厚與沉積物厚度之和。所以測(cè)量時(shí)要特別小心，當(dāng)對(duì)所測(cè)得厚度有懷疑時(shí)，用小錘敲打幾下管壁，然后再測(cè)量一次。