超聲測厚介紹

發(fā)布時間： 2008-10-19　　點擊次數(shù)： 3489次

超聲測厚是一種廣泛使用的無損檢測技術，它用來從材料一側測量材料厚度。在19世紀40年代后期，利用由聲納衍生的原理產(chǎn)生了*臺商業(yè)超聲測厚儀器。在19世紀70年代，小型便攜式儀器由于優(yōu)化了大多數(shù)檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術上的發(fā)展使得如今的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個新的水平。

可測量什么？

幾乎任何一種普通工程材料都可以用超聲方法來測量。超聲測厚儀可用于金屬、塑料、復合材料、纖維玻璃、陶瓷和玻璃。在線或加工過程中的擠壓塑料和金屬的測量是可行的，同樣也可測量多層軋制冷作件或涂層。液面高度和生物學樣品也可測量。超聲測量一直是*無損的方法，它無需切開測量物。
常規(guī)的超聲測量一般不適用于包括木頭、紙、混凝土和泡沫產(chǎn)品的材料。

超聲測厚儀如何工作？

聲能能在一個很寬的頻譜范圍產(chǎn)生，能聽到的聲音存在在一個相當?shù)偷念l率范圍，其上限約為每秒20000個周期（20KHz）。頻率越高，我們感覺的音調越高。超聲是一個在很高頻率的聲能，超過了人類能聽到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實施的，但是某些特殊的儀器頻率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。無論是什么頻率，聲能都由根據(jù)物理學波的基本定律，通過空氣或鋼介質來傳播的機械振動模式組成。
所有的超聲測厚儀由稱之為超聲波換能器的探頭產(chǎn)生一個聲脈沖，能測量它通過測試塊的行程時間多長。因為聲波會在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波”模式下從一側來實施測量，這樣儀器測量了在試塊遠側或底面回波的反射脈沖之間的來回傳播時間。
探頭包含一個由短電脈沖激發(fā)來產(chǎn)生一個超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進入試塊并在其中傳播，直到遇到背壁面或其他邊界。反射信號會往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實上，儀器接收來自另一側的回波，時間間隔只有百萬分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進行編程，從而能夠使用簡單的數(shù)學關系式來計算厚度：
T = V x t/2
此處：

T=工件厚度
V=在檢測材料中的聲速
t =測量的來回傳播時間

檢測材料中的聲速實計算中的一個基本組成部分，注意到這一點是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來說，在堅硬的材料中聲速更快而在柔軟的材料中聲速更慢，而且聲速會隨溫度明顯變化。因此，經(jīng)常需要對超聲測厚儀校準被測材料的聲速，而且達到精度只能和校準的精度一樣好。
在MHz范圍的聲波不能有效地通過空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來獲得良好的聲波傳播。常用的耦合劑為甘油、丙二醇、水、油和凝膠體。只需要一點點量，就足夠填滿這極薄的空氣層，否則它就會在探頭和試塊間存在空隙。
常用的測量聲波在試塊中傳播的時間間隔的方法有三種。模式1是zui 常用的方法，只需簡單測量在產(chǎn)生聲波的激勵脈沖和*個回波之間的時間間隔，并減去用來補償儀器、電纜線和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來自試塊表面的回波和*個底面回波之間的時間間隔。模式3測量在兩個相繼底面回波之間的時間間隔。探頭類型和特定的應用要求通常會規(guī)定模式的選擇。

探頭類型

直接接觸式探頭：正如名稱所表明的那樣，直接接觸式探頭用于與試塊直接接觸。使用接觸式探頭的測量通常是zui容易實現(xiàn)的，對于非腐蝕測量的大多數(shù)常規(guī)測厚應用，它們經(jīng)常是的方法。

延遲線探頭：延遲線探頭將一個由塑料、環(huán)氧或熔融硅作為一體的柱體作為在激發(fā)元件和試塊之間的延遲線。使用它們的主要原因是用于薄材料測量，在這種情況，將激發(fā)脈沖和底面回波分離開來是非常重要的。延遲塊可用作熱絕緣體，防止對熱敏感的探頭晶片直接和熱的工件接觸；同時延遲線也可為具有形狀或仿形狀用來改善對尖銳曲面或狹窄面上的聲能耦合。

水浸探頭：水浸探頭使用柱狀水或水池來將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動產(chǎn)品的在線或加工過程中的測量；是用于在小半徑、凹槽的掃描的測量或耦合優(yōu)化。

雙晶探頭：雙晶片的探頭，或簡稱為雙晶探頭，主要用于粗糙、腐蝕表面的測量。它有獨立的發(fā)射晶片和接收晶片，以一個小角度安裝在延遲塊上從而將能量聚焦在試塊表面下的一個選定的距離上。雖然有時候雙晶探頭測量不如其他類型探頭，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著的良好的性能。

4.需考慮的事情

在任意超聲測厚應用中，儀器和探頭的選擇取決于被測材料、厚度范圍、幾何形狀、溫度、精度要求以及可能存在的一些特殊條件。下面列出了需要考慮的主要因素：

材料：被測的材料類型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時是zui重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數(shù)金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會更快地吸收超聲能量，因此其zui大厚度范圍有更多的限制，但是在許多制造業(yè)情況依然能夠很容易地完成測量。橡膠、纖維玻璃和許多復合材料衰減更大而且經(jīng)常需要具有優(yōu)化低頻操作的脈沖/接收的高穿透力儀器。

厚度：厚度范圍也影響該選擇的儀器和探頭類型。一般而言，薄材料用高頻探頭，厚的或衰減性材料用低頻探頭，延遲塊探頭用于非常薄的材料，雖然延遲塊探頭（和液浸探頭）由于多次界面回波的干擾在zui大可測厚度上會有更多的限制。在那些涉及到比較寬的厚度范圍并且/或者多層材料的情況下，可能需要不止一種類型的探頭。

幾何形狀：當工件表面曲率增加時，在探頭和試塊間的耦合效果會降低，因此當曲率增加時，探頭尺寸一般都要減小。在一個半徑極小，尤其是凹面時，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來達到適當?shù)穆曬詈稀Ｑ舆t式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類似區(qū)域。

溫度：常規(guī)接觸式探頭一般用于的表面溫度約為125° F或50° C。在更高溫度的材料上使用，大多數(shù)直接接觸式探頭可能會由于熱膨脹效應導致*性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線的延遲線探頭、液浸探頭或高溫雙晶探頭。

相位顛倒：由低聲阻抗材料（密度乘聲速）粘合到高聲阻抗材料的特殊應用，典型例子包括在鋼或其他金屬的上的塑料、橡膠、玻璃的覆蓋層、以及在纖維玻璃上的聚合體覆蓋層。在這些情況下來自兩種材料界間的回波將會相位顛倒，或相對于空氣邊界的回波相位反向。這種情況通常建議在儀器上做簡單的設置改變，但是如果不把這一點考慮進去，讀數(shù)將是不準確的。

精度：在一個給定的應用中，許多因素會影響測量的精度，包括正確的儀器校準、材料聲速的均勻性、聲衰減和散射、表面粗糙度、曲率、聲耦合不良、以及底面不平行度。在選擇儀器和探頭時所有這些因素都應該考慮進去。采用正確的校準，測量通常可達到精度為±0.001"或0.01mm，而且在某些應用中精度可達到0.0001"或0.001mm。在一個給定的應用中，精度通過使用知道厚度的參考試塊來確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來測量的儀器可zui地測得工件的厚度。

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