技术文章

声波无处不在，是空气或水等介质所携带的一种机械振动。超声检测涉及的频率超出人类听力的上限，高于20 KHz。最常见的范围为500 KHz ～ 20 MHz，虽然有时也会使用更高或更低的频率。确切的检测频率要根据当前的特定应用来选择。所有超声测厚仪的工作原理都是非常精确地测量由超声探头产生的声波脉冲通过被测样件所需的时间。声波会从不同材料之间的边界反射回来，例如钢管内壁与空气或液体之间的界面，因此这种测量通常可以从材料一侧以“脉冲/回波”模式进行。

探头中装有一个压电晶片，晶片受到短的电脉冲激励，会产生一阵超声波。声波被耦合到被测材料中，并在材料中传播，直到碰上底面或其他边界。然后声波反射回到探头，探头再将声能转换为电能。从本质上讲，测厚仪倾听的是来自材料另一侧的回波。通常，声波在表面与底面之间传播所用时间只有几百万分之一秒。测厚仪的程序中包含了被测材料的声速，这样就可以通过简单的数学关系计算出厚度。

T = (V) × (t/2)
其中
T = 工件的厚度
V = 被测材料中的声速
t = 测量到的往返传播时间

在某些情况下，还会减去零位偏移值，以去除声波在仪器和声程中的某些固定延迟。

值得注意的是，被测材料中的声速是该计算中的重要部分。声波在不同材料中会以不同的速度传播，一般来说，在硬材料中声速较快，在软材料中声速较慢，而且声速会随着温度的变化而发生显著的变化。因此，一定要将超声测厚仪校准为被测材料的声速，而且校准时的准确度有多好，检测的准确度就会有多好。校准通常要使用一个厚度已知的参考标准试块完成。在高温测量的情况下，还需要记住，声速会随着温度的变化而变化，因此为了获得上佳精度，参考标准试块的温度应该与被测样件的温度相同。

声波频率越高，相关波长越短，越可以测量更薄的材料。频率越低，波长越长，在材料中穿透得更远，因此低频声波可以检测非常厚的样件或玻璃纤维和粗粒铸造金属等声波传输效率较低的材料。要选择一个适当的检测频率，通常需要平衡这些对分辨率和穿透力的要求。在超声频率范围内，声波具有很强的方向性，虽然声波可以自由穿过典型的金属、塑料和陶瓷，但也会从与空气交接的内壁或裂缝等边界反射。

兆赫范围内的声波不能有效地在空气中传播，因此要在探头和被测样件之间使用耦合液，帮助声波有效地传输到样件中。常见的耦合剂有甘油、丙二醇、水、油和凝胶。只需要少量的耦合剂，只要能够填充探头和被测样件之间原本存在的极薄空气间隙即可。

下面显示的是一个典型超声探伤仪的方框示意图。脉冲发生器在微处理器的控制下，向探头提供电压脉冲，生成向外发射的超声波。从被测样件返回的回波由探头接收，并转换为电信号，这些信号被送入接收器放大器，然后再被数字化处理。基于微处理器的控制和计时逻辑，既能与脉冲发生器同步，又能选择适当回波进行时间间隔测量。

如果探测到回波，计时电路将在第3节中讨论的一种模式下精确测量时间间隔，然后通常会多次重复这个过程，以获得一个平均读数。然后，微处理器使用这个时间间隔测量值，以及仪器中设置的声速和零位偏移值来计算材料的厚度。最后，厚度值会显示在屏幕上，并以选定的速率更新。

在声速校准过程中，测厚仪测量材料与被测样件相同的参考样件的声速，然后将声速值存储起来，以便在基于测到的时间间隔值计算厚度时使用。影响声速的主要因素如下：材料密度和弹性、材料的组成成分、晶粒结构和温度。

在零位校准过程中，测厚仪使用一个与被测样件材料相同、厚度已知的样件的测量值，计算零位偏移值，以补偿在整个脉冲发射时间中不是在被测样件中发生的实际声程的部分。造成零位偏移的主要因素包括测厚仪中的电子转换延迟、电缆延迟、探头延迟和耦合剂延迟。对于接触式探头，探头延迟包括声能通过其防磨板离开探头所需的时间。对于双晶探头，探头延迟是声能通过探头的延迟块或隔板所需的时间。（在模式2和模式3测量中，计时从代表声能进入被测样件位置的界面回波开始，零位偏移值中的探头分量一般为零。）

推荐使用的声速和零位校准程序是“两点校准”，这种校准需要两个具有不同厚度、与被测样件材料相同的校准试块，试块的厚度需处于待测厚度范围内，且要精确已知。不一定要用商业试块，只要试块的厚度已知即可。更重要的是，用于校准的材料要与被测材料相同，表面处理情况最好也相同。两个试块的厚度比应为2:1或更大，最好是5:1或更大。

常见的校准序列如下：
(1) 将探头耦合到较厚的参考样件上。
(2) 使用键区中的按键输入“校准声速”指令。
(3) 厚度读数稳定后，按“确定”键。
(4) 使用键区中的按键，调整显示的值，使其对应于较厚参考样件的实际厚度。
(5) 将探头耦合到较薄的参考样件上。
(6) 使用键区中的按键，输入“校准零位”。
(7) 厚度读数稳定后，按“确定”键。
(8) 使用键区中的按键，调整显示的值，使其对应于较薄参考样件的实际厚度。
(9) 按“测量”键，完成校准过程。

测厚仪使用这4个数据点，即两个输入的厚度值加上测量到的与每个厚度值相关的声波传播时间值，计算出声速值和零位值，从而解开这个方程。然后，计算的声速值和零位值会用于测量，并作为设置的一部分存储起来。

在两点校准之后，一个不错的做法是使用一个或多个额外的参考校准试块核查读数，所用标准试块的厚度需介于校准所用的两个厚度值之间。耦合方法不正确，或输入了不正确的数字值会导致测量错误，所用校准试块的厚度如果超出了给定测厚仪、探头和设置的有效测量范围，也会导致测量错误。如果厚度读数不正确，而且误差随着厚度的增加而增加，那么错误原因很可能出在声速值上。如果在多个步骤中测量的厚度值出现固定的误差，则错误原因很可能出在零位校准上。如果出现上述任一种情况，都应该重新完成两点校准过程。

超声测厚仪通过对回波进行非常精确的计时，获得被测样件的厚度读数。为了将这些时间测量值转换为厚度测量值，必须要根据被测材料的声速、仪器所要求的各种必要零位偏移值、探头类型或回波形状，对仪器进行预设。这个过程通常被称为测厚仪校准。任何超声测量的准确度都取决于校准时是否准确、仔细。不正确的校准会导致不准确的厚度读数。好在校准过程通常比较简单。

针对各种材料和探头进行的许多不同的校准可被存储在测厚仪中，并被快速调用。当被测材料或探头改变时，或者被测材料的温度发生显著变化时，一定要记得重新进行校准，或调用适当的预设校准。此外，我们建议使用厚度已知的样件进行定期核查，以验证测厚仪是否运行正常，特别是在关键应用中。

下表列出了可以使用超声测厚仪测量的各种常见材料的典型纵波超声速度。请注意，这只是一般性的指导。这些材料的实际声速可能会因各种不同的原因而发生显著的变化，如：特定的成分或微观结构、晶粒或纤维取向、多孔性和温度等。对于铸造金属、玻璃纤维、塑料和复合材料，更是如此。为了完成准确度很高的厚度测量，具体被测材料的声速应该始终通过在厚度已知的样品上进行声速校准的方法获得。

常见材料的超声声速值