超声波测厚仪基本原理_测厚

根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，沧州欧谱当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。按此原理设计的可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。

使用技巧：

1、一般测量方法：

（1）在一点处用探头进行两次测厚，在两次测量中探头的分割面要互为90°，取较小值为被测工件厚度值。

（2）30mm 多点测量法：当测量值不稳定时，以一个测定点为中心，在直径约为30mm 的圆内进行多次测量，取最小值为被测工件厚度值。

2、精确测量法：在规定的测量点周围增加测量数目，厚度变化用等厚线表示。

3、连续测量法：用单点测量法沿指定路线连续测量，模具硬度计 http://www.mojuyingduji.com间隔不大于5mm。

4、网格测量法：在指定区域划上网格，按点测厚记录。此方法在高压设备、不锈钢衬里腐蚀监测中广泛使用。

影响超声波测厚仪示值的因素：

[/b]（1）工件表面粗糙度过大，造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚至无法接收到回波信号。对于表面锈蚀，耦合效果极差的在役设备、管道等可通过砂、磨、挫等方法对表面进行处理，降低粗糙度，同时也可以将氧化物及油漆层去掉，露出金属光泽，使探头与被检物通过耦合剂能达到很好的耦合效果。

（2）工件曲率半径太小，尤其是小径管测厚时，因常用探头表面为平面，与曲面接触为点接触或线接触，声强透射率低（耦合不好）。可选用小管径专用探头（6mm ,能较精确的测量管道等曲面材料。

（3）检测面与底面不平行，声波遇到底面产生散射，探头无法接受到底波信号。

（4）铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声波在其中穿过时产生严重的散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波湮没，造成不显示。可选用频率较低的粗晶专用探头（2.5MHz。

（5）探头接触面有一定磨损。常用测厚探头表面为丙烯树脂，长期使用会使其表面粗糙度增加，导致灵敏度下降，从而造成显示不正确。可选用500#砂纸打磨，使其平滑并保证平行度。如仍不稳定，则考虑更换探头。

（6）被测物背面有大量腐蚀坑。由于被测物另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。

（7）被测物体（如管道）内有沉积物，当沉积物与工件声阻抗相差不大时，测厚仪显示值为壁厚加沉积物厚度。

（8）当材料内部存在缺陷（如夹杂、夹层等）时，显示值约为公称厚度的70%，此时可用超声波探伤仪进一步进行缺陷检测。

（9）温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试验数据表明，热态材料每增加100°C，声速下降1%。对于高温在役设备常常碰到这种情况。应选用高温专用探头（300－600°C，切勿使用普通探头。

（10）层叠材料、复合（非均质）材料。要测量未经耦沧州欧谱?

（12）耦合剂的影响。耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。因根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。

（13）声速选择错误。测量工件前，根据材料种类预置其声速或根据标准块反测出声速。当用一种材料校正仪器后（常用试块为钢）又去测量另一种材料时，将产生错误的结果。要求在测量前一定要正确识别材料，选择合适声速。

（14）应力的影响。在役设备、管道大部分有应力存在，固体材料的应力状况对声速有一定的影响，当应力方向与传播方向一致时，若应力为压应力，则应力作用使工件弹性增加，声速加快；反之，若应力为拉应力，则声速减慢。当应力与波的传播方向不一至时，波动过程中质点振动轨迹受应力干扰，波的传播方向产生偏离。根据资料表明，一般应力增加，声速缓慢增加。

（15）金属表面氧化物或油漆覆盖层的影响。金属表面产生的致密氧化物或油漆防腐层，虽与基体材料结合紧密，无名显界面，但声速在两种物质中的传播速度是不同的，从而造成误差，且随覆盖物厚度不同，误差大小也不同。

1．2多功能原理

的原理主要采用脉冲反射式超声波测厚的原理，如图1所示。

其方法是将超声波短脉冲送入物体，当遇到物体的边果界时返回，得到回波，测量超声波脉冲通过被测件所需的时间间隔，然后根据脉冲在被测件中的传播速度求出被测件厚度。被测件厚度D可用下式求出：

D＝VT／2（1）

式中V为被测材料中的声速，T为超声脉冲在被测件两表面之间往返一次的时间。

脉冲反射式超声波测厚的原理简单，以脉冲方式工作，使它在仪器上更容易实现，且易做到体积小、速度快、精度高、耗电少。

2　脉冲反射式的实现

实现原理及框图如图2所示。该系统主要由超声波发射电路及接收电路、单片机控制电路、显示驱动电路等组成。由单片机控制发射电路输出宽度很窄，前沿很陡的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励压电晶片产生脉冲超声波，超声波在被测件上下两面形成多次反射，反射波经过压电晶片转变成电信号，经放大滤波后，由计时电路测出声波在被测件上下两面之间的传播时间t，送入单片机，然后通过单片机计算处理后，换算成厚度，送入驱动电路，由驱动电路输出信号给LCD显示器进行厚度显示。

3　测厚仪研制中几个关键问题的讨论

3．1　往返时间的测量

往返时间的测量有以下三种方法：

（1）测量发射波T与第一次底波B1之间的时间；

（2）测量第一次底波B1与第二次底波B2之间的时间；

（3）测量其后任意两相邻波之间的时间。

以上三种测量方式的选择可以通过不同的电路来实现，但它们对仪器的性能有很大的影响。如果选择第一种测量方法，则因发射脉冲幅度特别大，且种测量方法，由于脉宽窄，能探测薄的材料，此时若用高频探头（10MHz），就能探测更薄的材料，因而拓宽了仪器测量下限。如果选择第三种测量方法，效果和第二种不相上下，但数据采集较困难，且杂波较多。第二和第三种测量方法的测量电路较复杂，成本较高。我们在研制过程中，考虑到量程要求，采用了第二种测量方法。为了方便实现电路，我们在发射超声波的同时设计了一个计数门，由门脉冲控制计数的起始位置。

3．2　高速数据采集

由于探头工作频率最高为5MHz，按照采样定理，数据采集速度需在10MHz以上，通常选择为工作最高频率的4～5倍最好，本系统中使用的采样频率为50MHz。仪器的精度也和数据采集速度密切相关，例如，钢在声波纵波的传播速度为5900m／s，在一个周期内通过的折反距离为147（mm）（2）

所以仪器的测量精度基本能满足要求，然后再采取一些其它补偿措施，例如自动校准补偿、软件补偿等，使仪器的精度达到0．01mm。

3．3　计数问题

在硬件设计中，我们始终以小型化为标准，尽量减少硬件数量，所以单片机选用美国ATMEL公司生产的高性能AT89C51－20PC的单片机，片内有E2PROM，采用电擦除方式，程序修改方便，内存容量足够，不增加任何外围设备。而计数器采用三态输出的8位二进制计数器74HC590一片。但仪器要求测量上限为200mm，因此计数上限为：

通过计算发现只用一片8位二进制计数器74HC590是不能满足计数要求的。所以在设计中为了避免74HC590的级联，设计中用单片机内部计数器T0也参与计数。但单片机的计数器的最高频率一般仅为振荡频率的1／24，即在单片机外接12MHz晶振时，计数的最高频率为0．5MHz，而74HC590的进位信号为一个与计数时钟同频的脉冲，因此单片机无法对其进行计数。为了解决这个问题，把T0脚接到74HC590的最高输出端，对计数时钟进行28分频后计数，这样，当T0工作于方式1，则总计数值可以到2 8＋16 ＝2 24 。

3．4　多功能的体现

多功能主要由AT89C51－20PC的软件处理的实现及更换不同探头及达到不同测量范围来体现。主要表现在以下几个方面：

（1）体积小，便于携带

在电路中的除了选用低功耗的单片机外，器件尽量使用CMOS集成电路。由于仪器中很多元件都有特殊要求，特别是高频、高压、低噪等的特殊器件，尽量使用MAXIM公司贴片式芯片。

（2）操作简单

整个操作键仅五个，不需任何操作训练。

（3）自动校准

如（1）式所示，要想得到精确的测量结果还必须修正由于探头接触测试件所引起的接触滞后及其它装配所引起的滞后，我们采用下列公式来进行修正：

D＝V（t－Tn）／2（4）

式中，Tn为初值补偿系数。我们在仪器中采用自动设置补偿系数达到自动校准目的。

（4）测量状态显示

可由仪器提示是测材料厚度还是测声速。如测声速则输入厚度值；如测厚度则首先进行自动校准后即可测量。还可通过显示屏上的显示符号可知当前测厚仪是处于哪一种测量状态，提示操作者。