影響超聲波測厚儀準確度的因素

優(yōu)質(zhì)超聲測厚儀可以對金屬、塑料和其他材料進(jìn)行高度準確的檢測。 但是，與被測材料、檢測設備、工件幾何形狀，以及用戶(hù)技能和用心程度相關(guān)的多種因素都會(huì )影響某個(gè)具體的檢測應用所能達到的準確程度。請繼續閱讀，了解可能會(huì )影響超聲檢測結果的因素。

與材料相關(guān)的因素

被測材料的物理特性是一個(gè)會(huì )影響超聲測厚儀的測量范圍和準確度的一個(gè)因素。其中包括聲學(xué)和幾何學(xué)方面的因素。

1. 被測材料的聲學(xué)特性

某些工程材料的多種條件可能會(huì )限制超聲厚度測量的準確度和范圍。

• 聲波散射：在鑄造不銹鋼、鑄鐵、玻璃纖維和復合材料中，聲能會(huì )從鑄件中的單個(gè)晶粒邊界，或玻璃纖維和復合材料中的纖維與基體之間的邊界散射開(kāi)來(lái)。各種材料中的孔隙也會(huì )具有同樣的效應。為防止探測到這些無(wú)用的散射回波，需確保對儀器的靈敏度進(jìn)行調整。但這種補償也會(huì )削弱儀器探測來(lái)自材料底面的有效回波的能力，從而會(huì )限制測量范圍。

• 聲衰減或聲吸收：在許多如低密度塑料的聚合物和大多數類(lèi)型的橡膠中，聲能在超聲測量所用的頻率下，衰減得非?？?。這種衰減通常隨著(zhù)溫度的升高而增加。這些材料的可測最大厚度往往受到聲衰減的限制。

• 聲速變化：只有在材料聲速與儀器校準的聲速一致的情況下，超聲厚度測量才會(huì )準確。在某些材料中，聲速在不同的位置（一點(diǎn)到另一點(diǎn)）會(huì )表現出很大的變化。這種情況會(huì )出現在某些鑄造金屬中，因為這些材料的晶粒結構會(huì )因不同的冷卻速度發(fā)生變化，而晶粒結構的變化會(huì )使聲速產(chǎn)生各向異性現象。玻璃纖維由于樹(shù)脂/纖維比率的變化會(huì )產(chǎn)生局部聲速變化。許多塑料和橡膠在受到溫度影響時(shí)，聲速會(huì )快速發(fā)生變化，因此針對這些材料，要在實(shí)際測量時(shí)的溫度條件下進(jìn)行聲速校準。

• 相位顛倒或相位失真：回波的相位或極性由邊界材料的相對聲阻抗（密度 × 聲速）決定。超聲測厚儀假設在通常情況下，被測工件與空氣或液體交界，而空氣和液體的聲阻抗都低于金屬、陶瓷或塑料。但是，在某些特殊情況下，如在測量金屬表面上的玻璃或塑料襯層，或測量鋼表面上的銅鍍層時(shí)，這種阻抗關(guān)系便顛倒過(guò)來(lái)，回波也會(huì )出現相位顛倒。為了在這種情況下保持測量的準確性，需確保將回波探測極性更改為適當的選項。更為復雜的情況會(huì )發(fā)生在各向異性或均質(zhì)材料中，如粗粒金屬鑄件或某些復合材料，這些材料的材質(zhì)條件會(huì )導致在聲束區域內出現多重聲程。在這些情況下，相位失真會(huì )產(chǎn)生一個(gè)無(wú)法清晰界定正負的回波。在這些情況下，需要細心使用參考標準試塊進(jìn)行實(shí)驗，以確定影響測量準確度的因素。

2. 被測材料的物理特性

要確定測量范圍和準確度，還必須考慮被測樣件的尺寸、形狀和表面光潔度。

• 被測樣件的表面粗糙度：當被測樣件的表面和底面都很光滑時(shí)，可以獲得很高的測量準確度。如果接觸面很粗糙，則所能測到的最小厚度值會(huì )因為增厚的耦合層中出現聲反響而增大。低效耦合可能會(huì )降低回波波幅。此外，如果被測樣件的表面或底面非常粗糙，由于探頭看到的多個(gè)聲程略有不同，可能會(huì )出現回波失真情況，進(jìn)而導致測量不準確。

  在腐蝕測量中，被測樣件外表面松動(dòng)或剝落的結垢、銹蝕、腐蝕或污垢會(huì )影響從探頭向被測材料發(fā)出的聲能的耦合效果。因此，在測量之前，要用鋼絲刷或銼刀清除樣件上任何松散的碎屑。一般來(lái)說(shuō)，只要銹蝕區域光滑，且仍然附著(zhù)在下面的金屬上，測厚儀就可以透過(guò)較薄的銹蝕層完成腐蝕區域的厚度測量。請切記，某些非常粗糙的鑄件或銹蝕的表面可能需要使用銼刀或砂紙打磨成平滑的狀態(tài)，以確保獲得適當的聲耦合。如果漆層從金屬上剝落，則可能還需要去除漆層。

• 被測樣件的曲率：與被測樣件曲率相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是探頭與被測樣件的對直情況。在曲面上進(jìn)行測量時(shí)，一定要將探頭放置在樣件曲面的中心線(xiàn)附近，并盡可能使探頭穩定地貼附在表面上。使用一個(gè)裝有彈簧的V型探頭支架有助于保持探頭與樣件的對直狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)曲率半徑的減小，探頭的尺寸也應減小，而探頭與樣件的對直狀態(tài)也會(huì )逐漸變得更加重要。對于曲率半徑非常小的工件，需要使用聚焦探頭進(jìn)行水浸檢測。在某些情況下，觀(guān)察顯示的波形有助于保持探頭與樣件的對直狀態(tài)。此外，在曲面上測量時(shí)，一定不要使用過(guò)多的耦合劑量，只要能夠獲取讀數即可。過(guò)多的耦合劑會(huì )在探頭和被測表面之間形成圓角，聲波會(huì )在此處回響，并可能產(chǎn)生虛假信號，生成錯誤讀數。

• 錐度或偏心度：如果被測樣件的接觸面和底面呈錐形、偏心或以其他方式相互傾斜或錯位，則回波的波幅會(huì )降低，并可能會(huì )由于聲程在整個(gè)聲束寬度上的變化而失真，進(jìn)而會(huì )降低測量的準確度。通常情況下，測得的厚度代表聲束直徑中變化厚度的近似積分平均值。如果錯位嚴重，則無(wú)法進(jìn)行測量，因為反射聲束會(huì )形成一個(gè)遠離探頭的V形聲程，無(wú)法被探頭接收。這種影響會(huì )隨著(zhù)材料厚度的增加而變得更大。

與操作人員相關(guān)的因素

校準：任何超聲測量的準確度都取決于校準時(shí)是否準確、用心。需確保在更換被測材料或探頭時(shí)，進(jìn)行第4節中所述的聲速校準和零位校準。此外，我們建議使用厚度已知的樣件進(jìn)行定期核查，以驗證測厚儀是否運行正常。

• 聲束對直：在平面上進(jìn)行檢測時(shí)，始終要將探頭平放在被測表面上；在曲面上進(jìn)行檢測時(shí)，始終要使探頭保持與曲率半徑垂直的狀態(tài)。在曲面上進(jìn)行檢測時(shí)，始終要使探頭處于曲線(xiàn)的中心。否則會(huì )導致回波失真，對準確度產(chǎn)生負面影響。

• 耦合技術(shù)：在使用接觸式探頭的模式1測量中，所測的厚度值包含耦合層的厚度，耦合層厚度會(huì )通過(guò)零位偏移得到補償。要獲得很高的準確度，耦合技術(shù)一定要可靠穩定。為了獲得穩定的測量結果，耦合劑量不要太多，能獲得穩定讀數就行，而且要對探頭施加均勻的壓力。實(shí)踐證明，適中到較強的力度可生成具有可重復性的讀數。此外，不可在粗糙的表面上刮擦、拉動(dòng)探頭。一般來(lái)說(shuō)，對于小直徑探頭，施予較輕的力度便可擠出多余的耦合劑，而大直徑探頭則需更大的力度達到相同的效果。在所有模式中，探頭傾斜了，回波就會(huì )失真，產(chǎn)生不準確的讀數。

  對小直徑管道和管子進(jìn)行腐蝕測量時(shí)，要以如下方式放置探頭：探頭面上可見(jiàn)的聲障材料要與管道的中心軸垂直對齊，如下圖所示。

與設備相關(guān)的因素

雖然數字采樣率等儀器設計因素會(huì )設定超聲測量?jì)x的可測厚度范圍和測量準確度，但具體應用中的厚度范圍和測量準確度最終要取決于測厚儀、探頭、設置以及與材料相關(guān)因素的綜合考量。

在高溫或水下等特殊條件下進(jìn)行超聲測量需要考慮更多的因素。如果您計劃在以下情況下使用超聲測厚儀，請遵循這些建議，以確保檢測安全并獲得準確的結果。

高溫超聲檢測

在高溫（約50 °C以上）下進(jìn)行測量需要細心做好規劃。用于腐蝕應用的許多雙晶探頭可以承受高溫，在某些情況下，可短暫接觸高達500 °C的高溫表面。而標準接觸式探頭如果暴露在約50 °C以上的高溫環(huán)境中， 就會(huì )損壞或損毀，因為用于制造探頭的材料的熱膨脹系數不同，會(huì )在高溫下出現脫粘現象。千萬(wàn)不要在溫度過(guò)高、無(wú)法用手指舒適觸摸的表面上使用接觸式探頭。此外，一定要在模式2或模式3中使用單晶探頭進(jìn)行高溫測量，探頭可以是延遲塊式探頭（裝有適當的高溫延遲塊），也可以是水浸探頭。

所有材料的聲速都隨溫度而變化，通常會(huì )隨著(zhù)材料變冷而增加，隨著(zhù)材料變熱而減小，在冰點(diǎn)或熔點(diǎn)會(huì )出現急劇變化。這種影響在塑料和橡膠中要比在金屬或陶瓷中大得多。為獲得更好的準確度，要在與測量溫度相同的溫度下校準測厚儀的聲速設置。請注意，使用設置為室溫聲速的測厚儀測量高溫材料通常會(huì )導致結果出現重大錯誤。最后，在溫度高于約100 °C時(shí)，我們建議使用特殊的高溫耦合劑。

使用超聲測厚儀進(jìn)行在線(xiàn)測量

在生產(chǎn)線(xiàn)上或處理過(guò)程中進(jìn)行的超聲厚度測量可以持續對移動(dòng)的產(chǎn)品進(jìn)行測量，如擠壓成型塑料管道和管子、電纜護套和鈑金等。多通道儀器可以在管狀產(chǎn)品圓周上或板材整個(gè)寬度上的不同位置進(jìn)行測量。在線(xiàn)測量通常使用水浸式探頭進(jìn)行，這種探頭通過(guò)水槽或水層耦合聲能，以避免與產(chǎn)品直接接觸。對于擠壓成型管道、管子和電纜護套，通?？梢詫⒗鋮s水作為耦合劑，在現有冷卻槽內進(jìn)行測量。為了保持探頭與被測材料正確對直的狀態(tài)，需要將探頭固定住。

使用長(cháng)探頭電纜進(jìn)行超聲檢測

超聲測厚儀最常使用的是約1米長(cháng)的探頭電纜。除非檢測條件所需，一般不建議使用很長(cháng)的電纜。在常見(jiàn)檢測頻率下，如果電纜長(cháng)度超過(guò)約3米，則應考慮電纜效應，因為可能會(huì )出現負面影響。在特定情況下，可使用的最大電纜長(cháng)度取決于探頭類(lèi)型和要測量的最小厚度。請注意，雙晶探頭可以使用比單晶探頭長(cháng)得多的電纜；在適當儀器設置下，可能長(cháng)達100米。要特別注意探頭與電纜的電氣匹配問(wèn)題，考慮到電纜中信號的衰減，并補償脈沖通過(guò)電纜的傳輸時(shí)間。

水下超聲檢測

一些腐蝕測量應用涉及到諸如測量浸在水中的支撐樁或船體的厚度等情況。雖然大多數標準接觸式、延遲塊式和雙晶探頭可以短暫浸入淺水中而不會(huì )出現問(wèn)題，但長(cháng)期浸泡或深度浸泡（深度超過(guò)約2米）最終會(huì )使探頭因腐蝕和水的侵入而出現故障，尤其是在鹽水中。對于深水海洋應用，通常使用防水雙晶探頭，這種探頭經(jīng)過(guò)密封可防止在高壓下水的侵入。如上所述，這類(lèi)探頭可用于大約100米的深度。

在通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂漆等涂層或其他保護性表面進(jìn)行測量時(shí)，有一些因素需要考慮。

鋼材料上的油漆、環(huán)氧樹(shù)脂和類(lèi)似的保護涂層通常會(huì )在腐蝕測量應用中引發(fā)潛在的問(wèn)題。由于非金屬涂層的聲速通常約為鋼的一半，因此涂層可能會(huì )給測量結果增加兩倍于其實(shí)際厚度的誤差。

為什么準確測量涂層很重要?

涂層厚度對產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制和成本控制有著(zhù)重大影響。有助于確保涂層發(fā)揮其預期功能的兩個(gè)因素是涂料的質(zhì)量和涂層的厚度。準確測量涂層可以保證滿(mǎn)足各行業(yè)的要求。超聲測厚儀是一種無(wú)損檢測儀器，只需接觸到被測材料表面的一側，就可以準確地測量涂層的厚度。

超聲涂層厚度測量技術(shù)

用于測量涂層管道和工件厚度的兩種技術(shù)是回波到回波測量和穿透涂層（THRU-COAT）測量。每種技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

回波到回波測量：

回波到回波測量技術(shù)，奧林巴斯38DL PLUS和45MG測厚儀（可選）都提供，這種技術(shù)在測量管道或其他金屬結構的剩余壁厚時(shí)不會(huì )測量涂層的厚度。這種技術(shù)對兩個(gè)連續底面回波之間的間隔計時(shí)，以獲得不含涂層的金屬材料的準確厚度（因為多重底面回波出現在金屬中，而一般不會(huì )出現在涂層中）。

回波到回波技術(shù)的優(yōu)勢特性如下：

• 可以使用各種普通探頭

• 通?？梢酝高^(guò)粗糙表面的涂層對材料進(jìn)行測量

• 如果使用適當的探頭，可對溫度高達500 ℃左右的材料進(jìn)行測量

回波到回波技術(shù)的局限性如下：

• 需要多重底面回波，但是在嚴重腐蝕的金屬中可能無(wú)法獲得這些回波

• 與穿透涂層技術(shù)相比，有時(shí)可測厚度范圍會(huì )更有限

穿透涂層（THRU-COAT）測量：

穿透涂層（THRU-COAT）測量技術(shù)可以分開(kāi)測量金屬厚度和金屬上薄薄的非金屬涂層（如漆層）的厚度。這種技術(shù)使用軟件識別聲束在涂層中完成一個(gè)往返聲程所代表的時(shí)間段。從總測量值中減去這個(gè)時(shí)間段，可以計算出金屬基底的厚度。如果涂層厚度低于0.125 毫米，或外部涂層表面粗糙或不規則，則穿透涂層（THRU-COAT） 測量可能無(wú)法正常完成。

穿透涂層技術(shù)優(yōu)于回波到回波技術(shù)的特性如下：

• 金屬材料的可測厚度范圍寬泛：在鋼材料中，一般從1毫米到50毫米（2英寸）以上。

• 只需要一個(gè)底面回波

• 測量帶有點(diǎn)蝕缺陷的金屬材料時(shí)，可以更準確地測量金屬的最小剩余厚度

穿透涂層技術(shù)的局限性如下：

• 涂層必須為非金屬材料，且厚度至少為0.125毫米

• 涂層表面必須相對光滑

• 要求使用兩種特殊探頭的一種

• 被測材料表面的溫度不得超過(guò)50 °C