超聲波測厚技術(shù)的應(yīng)用

黃勝清(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 泰州 214500)

1 超聲波測厚儀原理

超聲波測厚技術(shù)主要用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、石油化工設(shè)備等領(lǐng)域的測厚。他由主機(jī)、探頭、試塊三部分組成。超聲波測厚儀主機(jī)包括發(fā)射部份、接收部份、計(jì)數(shù)顯示部份組成。其基本原理是通過超聲波探頭產(chǎn)生壓電效應(yīng)發(fā)射、接收超聲波。(壓電效應(yīng)原理:某些晶體受到拉力或壓力而產(chǎn)生變形時(shí)，在晶體的界面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。而在電場的作用下，晶體發(fā)生彈性變形的現(xiàn)象，稱為逆壓力效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng))。探頭的核心元件是薄片狀壓電晶體，通常稱為壓電晶片。測厚儀發(fā)射產(chǎn)生的高頻電發(fā)射的電脈沖施加于探頭時(shí)，激勵壓電晶片發(fā)生高頻振動，產(chǎn)生超聲波，通過耦合層進(jìn)入被測工件后，產(chǎn)生反射后被接收電路接收，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)處理后，經(jīng)液晶顯示器顯示厚度數(shù)值。超聲波測厚儀主要根據(jù)聲波在被測物體中的傳播速度乘以通過被測物體中的時(shí)間乘積的一半而得到被測物體的厚度，即超聲波測厚儀工作原理。從而使超聲波測厚技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

2 測厚儀的種類

測厚儀的種類有:X射線測厚儀、紙張測厚儀、薄膜測厚儀、涂層測厚儀、在線測厚儀、超聲測厚儀、壓力測厚儀、白光干涉測厚儀、電解式測厚儀、機(jī)械接觸式測厚儀、渦流測厚儀等。測厚儀的種類有很多，其中我們常見的測厚儀有:超聲波測厚儀、涂層測厚儀、薄膜測厚儀、紙張測厚儀、X射線測厚儀等。

3 實(shí)際測厚時(shí)造成超聲波測厚示值失真的原因有哪些

超聲波測厚在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)測厚儀顯示示值偏大或偏小的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)測厚儀顯示示值失真，會給被檢設(shè)備造成安全隱患，而如果根據(jù)測厚儀錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)更換了材料或設(shè)備的零部件，便會增加制造成本和使用成本，而造成大量的資源浪費(fèi)。那么，超聲波測厚示值失真是由什么造成的呢？我認(rèn)為原因是多方面的，主要如下:

3.1 測厚儀檢測的被測物體內(nèi)有雜質(zhì)物(不同聲速的物質(zhì))，當(dāng)雜質(zhì)物聲阻抗與被測物體聲阻抗相差不大時(shí)，測厚儀器示值為壁厚加雜質(zhì)物厚度；當(dāng)雜質(zhì)物的聲阻抗大于被測物體的聲阻抗時(shí)，測厚儀器顯示值會出現(xiàn)增厚現(xiàn)象，如鑄鋼件中出現(xiàn)高密度物質(zhì)。

3.2 測厚儀檢測的被測物體材料內(nèi)部存在缺陷(其大小、位置、方向等對測厚示值影響較大)，如鋼板軋制過程產(chǎn)生的夾層，當(dāng)夾層的直徑小于或稍大于測厚儀探頭直徑時(shí)，圍繞夾層邊緣周圍移動測量，可發(fā)現(xiàn)分層缺陷。當(dāng)夾層直徑遠(yuǎn)大于探頭直徑時(shí)，測厚儀器顯示值失真。此時(shí)不能作為判斷設(shè)備及材料示值的依據(jù)，而應(yīng)用其它無損檢測的方法進(jìn)行檢測，如用超聲波探傷儀，查明夾層分布情況和面積大小及與母材表面的傾角，以確定其危害性。

3.3 溫度也會影響測厚儀顯示示值大小:在超聲波測厚儀檢測時(shí)，一般固體材料中的聲速隨溫度升高而降低，對于被測物體處于高溫狀態(tài)，此時(shí),應(yīng)選用高溫測厚專用探頭，避免出現(xiàn)測量示值誤差過大。

3.4 超聲波測厚儀無法測量層疊材料、不完全復(fù)合材料厚度。因?yàn)槌暡y厚儀的超聲波無法穿透未經(jīng)耦合的空間，此時(shí)測量的示值可能是單層示值。

3.5 耦合劑對測厚示值的影響。(耦合劑是一種媒介，是用來排除測厚儀探頭與被測物體之間的空氣，使測厚儀的超聲波能有效的進(jìn)入到被測物體內(nèi)達(dá)到檢測的目的)。所以選擇耦合劑時(shí)，應(yīng)盡可能考慮其聲阻抗與被測物體的聲阻抗一致、且粘度應(yīng)當(dāng)適中，無污染，對人體無影響。

3.6 被檢工件的形狀:如果被檢工件檢測面對應(yīng)的面(一般稱底面)不平行,存在夾角時(shí),隨著夾角的增大，反回接收到的超聲波隨之減小，示值顯示失真或不能顯示被測部位數(shù)值；再如被檢測工件的曲率半徑對測量結(jié)果有影響,這種影響將隨曲率半徑的減小明顯地增大;,示值失真也隨之增大。

3.7 被測面的表面質(zhì)量:在進(jìn)行測厚前應(yīng)對被測物體表面金屬氧化物、油漆覆蓋層、涂層、粗糙的表面進(jìn)行打磨，露出金屬光澤或本色，否則會影響測厚儀示值顯示失真。即使被測物體表面產(chǎn)生的金屬氧化物、油漆覆蓋層、涂層與被測物體表面結(jié)合緊密，此時(shí)由于它們聲速不同，而導(dǎo)致測厚儀檢測示值失真。資料顯示，覆蓋層厚度大于25μm時(shí),其誤差與覆蓋層厚度近似成正比。

3.8 操作不當(dāng),也會造成測厚示值誤差:如聲速的選擇,應(yīng)根據(jù)不同的材質(zhì)選擇不同的聲速等。在測厚前、測厚中及測厚結(jié)束，應(yīng)及時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校正，誤差是否在允許范圍內(nèi)，否則應(yīng)重新測厚。

3.9 臨界厚度，任何一種測厚儀都要求基體金屬有一個(gè)臨界厚度,只有大于這個(gè)厚度,測量才不會受基體金屬厚度的影響。因此在使用超聲波測厚儀檢測時(shí)，要正確選擇測厚儀及探頭、對被檢物表面進(jìn)行處理、正確使用耦合劑，積極預(yù)防超聲波測厚儀示值失真，避免造成事故隱患或不必要的浪費(fèi)。

4 測厚儀的選擇

以上我們介紹了超聲波測厚的原理、種類及測厚過程的注意點(diǎn)，工作中如何選擇測厚儀？下面作一簡單介紹:

4.1 超聲波測厚儀:一是由于其體積小、重量輕、便于攜帶且價(jià)格便宜、無污染、不受使用場地環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)；二是有良好的指向性:對金屬、非金屬材料的厚度測量，既快又準(zhǔn)確，尤其是在只許可一個(gè)側(cè)面可接觸的場合，更能顯示其優(yōu)越性。它廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備(鍋爐、壓力容器、壓力管道、起重機(jī)械、大型游樂設(shè)施等)物流倉儲、船舶、化工設(shè)備、橋梁等行業(yè)的各種板材、管材、半成品、零部件壁厚測定及其局部腐蝕、銹蝕的情況檢測。因此它廣泛使用在冶金、造船、機(jī)械、化工、電力、交通、原子能等領(lǐng)域的材料及設(shè)備檢測，對設(shè)備安全運(yùn)行及降低制造成本起著主要的作用。

4.2 涂層測厚儀:用于測量鐵及非鐵金屬基體上涂層的厚度；

4.3 薄膜測厚儀:用于測定薄膜、薄片等材料的厚度，測量范圍寬、測量精度高，具有數(shù)據(jù)輸出、任意位置置零、公英制轉(zhuǎn)換、自動斷電等特點(diǎn)；

4.4 紙張測厚儀:適用于4mm以下的各種薄膜、紙張、紙板以及其他片狀材料厚度的測量；

4.5 X射線測厚儀:利用X射線穿透被測材料時(shí)衰減原理，其強(qiáng)度的變化與材料的厚度相關(guān)的特性，從而測定材料的厚度，是一種非接觸式的動態(tài)計(jì)量儀器。它以PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，采集計(jì)算數(shù)據(jù)并輸出目標(biāo)偏差值給軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)，達(dá)到要求的軋制厚度。缺點(diǎn)是對人體有傷害，使用場地要防護(hù)。對環(huán)境有污染，投資成本大。主要應(yīng)用行業(yè)，有色金屬的板帶箔加工、冶金行業(yè)的板帶加工。

5 測厚部位的選擇

測厚部位的選擇，直接影晌檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性，準(zhǔn)確客觀的評介被檢材料及設(shè)備，可避免材料的浪費(fèi)和提高設(shè)備的安全運(yùn)行。所以選擇檢測部位很重要，原材料、零部件一般應(yīng)選擇在制造成型時(shí)，壁厚減薄部位和可能產(chǎn)生缺陷的部位；在役設(shè)備除選擇在加工過程中易減薄部位外，還應(yīng)選擇使用過程中被沖刷部位、使用中產(chǎn)生的變形部位、腐蝕部位、磨損部位、積液部位、物料的進(jìn)出口部位、液位波動部位、不等厚連接部位等。

超聲波測厚技術(shù)看似簡單，但從以上五個(gè)方面可以看出，要做到超聲波測厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，還要根據(jù)被檢對象選擇合適的測厚方法、測厚儀器、耦合劑、被測對象表面質(zhì)量及可能出現(xiàn)的影晌因素，以免產(chǎn)生誤判現(xiàn)象，造成設(shè)備不必要的浪費(fèi)或者產(chǎn)生安全事故。