超聲波測量方法

　　檢測材料中的聲速實(shí)計算中的一個(gè)基本組成部分，注意到這一點(diǎn)是重要的。不同的材料以不同的聲速傳播聲波，一般來(lái)說(shuō)，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(huì )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(guò)空氣傳播，因此在探頭和試塊之間常用一滴液體耦合劑來(lái)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(diǎn)點(diǎn)量，就足夠填滿(mǎn)這極薄的空氣層，否則它就會(huì )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(shí)間間隔的方法有三種。模式1是最 常用的方法，只需簡(jiǎn)單測量在產(chǎn)生聲波的激勵脈沖和第一個(gè)回波之間的時(shí)間間隔，并減去用來(lái)補償儀器、電纜線(xiàn)和探頭延遲的微小的零位偏移值即可。模式2測量來(lái)自試塊表面的回波和第一個(gè)底面回波之間的時(shí)間間隔。模式3測量在兩個(gè)相繼底面回波之間的時(shí)間間隔。探頭類(lèi)型和特定的應用要求通常會(huì )規定模式的選擇。

　　探頭類(lèi)型

　　直接接觸式探頭：正如名稱(chēng)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最容易實(shí)現的，對于非腐蝕測量的大多數常規測厚應用，它們經(jīng)常是首選的方法。

　　延遲線(xiàn)探頭：延遲線(xiàn)探頭將一個(gè)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(xiàn)。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(kāi)來(lái)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(shí)延遲線(xiàn)也可為具有形狀或仿形狀用來(lái)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(lái)將聲能耦合入試塊，它們也可用于移動(dòng)產(chǎn)品的在線(xiàn)或加工過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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(gè)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(gè)選定的距離上。雖然有時(shí)候雙晶探頭測量不如其他類(lèi)型探頭精確，在腐蝕測量應用中它們通常能提供顯著(zhù)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(lèi)型和厚度范圍在選擇儀器和探頭時(shí)是最重要的因素。許多普通工程材料，包括大多數金屬、陶瓷和玻璃能夠很有效地傳播超聲，因此有一個(gè)很廣的厚度范圍可以很容易地被測量。大部分塑料會(huì )更快地吸收超聲能量，因此其最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(lèi)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最大可測厚度上會(huì )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(lèi)型的探頭。

　　幾何形狀：當工件表面曲率增加時(shí)，在探頭和試塊間的耦合效果會(huì )降低，因此當曲率增加時(shí)，探頭尺寸一般都要減小。在一個(gè)半徑極小，尤其是凹面時(shí)，可能需要特殊的仿型延遲塊探頭或非接觸液浸探頭來(lái)達到適當的聲耦合。延遲式探頭和液浸式探頭也可用于凹槽、孔和限制性接觸的類(lèi)似區域。

　　溫度：常規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，大多數直接接觸式探頭可能會(huì )由于熱膨脹效應導致永久性損壞。在那些應用中，應該一直使用帶有耐熱延遲線(xiàn)的延遲線(xiàn)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(lái)自?xún)煞N材料界間的回波將會(huì )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(jiǎn)單的設置改變，但是如果不把這一點(diǎn)考慮進(jìn)去，讀數將是不準確的。

　　精度：在一個(gè)給定的應用中，許多因素會(huì )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(shí)所有這些因素都應該考慮進(jìn)去。采用正確的校準，測量通�？蛇_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(gè)給定的應用中，精度最好通過(guò)使用精確知道厚度的參考試塊來(lái)確定。通常，使用延遲塊或液浸探頭的模式3來(lái)測量的儀器可最精確地測得工件的厚度。

　　超聲測厚是一種廣泛使用的無(wú)損檢測技術(shù)，它用來(lái)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)生了第一臺商業(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)化了大多數檢測應用而被廣泛應用。之后，在微處理技術(shù)上的發(fā)展使得如今高端的、便于使用的小型儀器的性能達到了一個(gè)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(lái)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(xiàn)或加工過(guò)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(xué)樣品也可測量。超聲測量一直是完全無(wú)損的方法，它無(wú)需切開(kāi)測量物。

　　常規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(gè)很寬的頻譜范圍產(chǎn)生，能聽(tīng)到的聲音存在在一個(gè)相當低的頻率范圍，其上限約為每秒20000個(gè)周期(20KHz)。頻率越高，我們感覺(jué)的音調越高。超聲是一個(gè)在很高頻率的聲能，超過(guò)了人類(lèi)能聽(tīng)到的界限。大部分超聲測試是在頻率范圍從500KHz到20MHz之間實(shí)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(wú)論是什么頻率，聲能都由根據物理學(xué)波的基本定律，通過(guò)空氣或鋼介質(zhì)來(lái)傳播的機械振動(dòng)模式組成。

　　所有的超聲測厚儀由稱(chēng)之為超聲波換能器的探頭產(chǎn)生一個(gè)聲脈沖，能精確測量它通過(guò)測試塊的行程時(shí)間多長(cháng)。因為聲波會(huì )在不同的材料邊界反射，一般在“脈沖/回波"模式下從一側來(lái)實(shí)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(lái)回傳播時(shí)間。

　　探頭包含一個(gè)由短電脈沖激發(fā)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)超聲波脈沖的壓電晶片。聲波耦合進(jìn)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(huì )往回傳播到探頭，將聲能轉換為電能。事實(shí)上，儀器接收來(lái)自另一側的回波，時(shí)間間隔只有百萬(wàn)分之幾秒。儀器用在測試材料中的聲速進(jìn)行編程，從而能夠使用簡(jiǎn)單的數學(xué)關(guān)系式來(lái)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(lái)回傳播時(shí)間