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烫金    
2019年08月22日

超声波测量方法

检测材料中的声速实计算中的一个基本组成部分,注意到这一点是重要的。不同的材料以不同的声速传播声波,一般来说,在坚硬的材料中声速更快而在柔软的材料中声速更慢,而且声速会随温度明显变化。因此,经常需要对超声测厚仪校准被测材料的声速,而且达到精度只能和校准的精度一样好。

在MHz范围的声波不能有效地通过空气传播,因此在探头和试块之间常用一滴液体耦合剂来获得良好的声波传播。常用的耦合剂为甘油、丙二醇、水、油和凝胶体。只需要一点点量,就足够填满这极薄的空气层,否则它就会在探头和试块间存在空隙。

常用的测量声波在试块中传播的时间间隔的方法有三种。模式1是最常用的方法,只需简单测量在产生声波的激励脉冲和第一个回波之间的时间间隔,并减去用来补偿仪器、电缆线和探头延迟的微小的零位偏移值即可。模式2测量来自试块表面的回波和第一个底面回波之间的时间间隔。模式3测量在两个相继底面回波之间的时间间隔。探头类型和特定的应用要求通常会规定模式的选择。

探头类型

直接接触式探头:正如名称所表明的那样,直接接触式探头用于与试块直接接触。使用接触式探头的测量通常是最容易实现的,对于非腐蚀测量的大多数常规测厚应用,它们经常是首选的方法。

延迟线探头:延迟线探头将一个由塑料、环氧或熔融硅作为一体的柱体作为在激发元件和试块之间的延迟线。使用它们的主要原因是用于薄材料测量,在这种情况,将激发脉冲和底面回波分离开来是非常重要的。延迟块可用作热绝缘体,防止对热敏感的探头晶片直接和热的工件接触;同时延迟线也可为具有形状或仿形状用来改善对尖锐曲面或狭窄面上的声能耦合。

水浸探头:水浸探头使用柱状水或水池来将声能耦合入试块,它们也可用于移动产品的在线或加工过程中的测量;是用于在小半径、凹槽的扫描的测量或耦合优化。

双晶探头:双晶片的探头,或简称为双晶探头,主要用于粗糙、腐蚀表面的测量。它有独立的发射晶片和接收晶片,以一个小角度安装在延迟块上从而将能量聚焦在试块表面下的一个选定的距离上。虽然有时候双晶探头测量不如其他类型探头精确,在腐蚀测量应用中它们通常能提供显著的良好的性能。

4.需考虑的事情

在任意超声测厚应用中,仪器和探头的选择取决于被测材料、厚度范围、几何形状、温度、精度要求以及可能存在的一些特殊条件。下面列出了需要考虑的主要因素:

材料:被测的材料类型和厚度范围在选择仪器和探头时是最重要的因素。许多普通工程材料,包括大多数金属、陶瓷和玻璃能够很有效地传播超声,因此有一个很广的厚度范围可以很容易地被测量。大部分塑料会更快地吸收超声能量,因此其最大厚度范围有更多的限制,但是在许多制造业情况依然能够很容易地完成测量。橡胶、纤维玻璃和许多复合材料衰减更大而且经常需要具有优化低频操作的脉冲/接收的高穿透力仪器。

厚度:厚度范围也影响该选择的仪器和探头类型。一般而言,薄材料用高频探头,厚的或衰减性材料用低频探头,延迟块探头用于非常薄的材料,虽然延迟块探头(和液浸探头)由于多次界面回波的干扰在最大可测厚度上会有更多的限制。在那些涉及到比较宽的厚度范围并且/或者多层材料的情况下,可能需要不止一种类型的探头。

几何形状:当工件表面曲率增加时,在探头和试块间的耦合效果会降低,因此当曲率增加时,探头尺寸一般都要减小。在一个半径极小,尤其是凹面时,可能需要特殊的仿型延迟块探头或非接触液浸探头来达到适当的声耦合。延迟式探头和液浸式探头也可用于凹槽、孔和限制性接触的类似区域。

温度:常规接触式探头一般用于的表面温度约为125°F或50°C。在更高温度的材料上使用,大多数直接接触式探头可能会由于热膨胀效应导致永久性损坏。在那些应用中,应该一直使用带有耐热延迟线的延迟线探头、液浸探头或高温双晶探头。

相位颠倒:由低声阻抗材料(密度乘声速)粘合到高声阻抗材料的特殊应用,典型例子包括在钢或其他金属的上的塑料、橡胶、玻璃的覆盖层、以及在纤维玻璃上的聚合体覆盖层。在这些情况下来自两种材料界间的回波将会相位颠倒,或相对于空气边界的回波相位反向。这种情况通常建议在仪器上做简单的设置改变,但是如果不把这一点考虑进去,读数将是不准确的。

精度:在一个给定的应用中,许多因素会影响测量的精度,包括正确的仪器校准、材料声速的均匀性、声衰减和散射、表面粗糙度、曲率、声耦合不良、以及底面不平行度。在选择仪器和探头时所有这些因素都应该考虑进去。采用正确的校准,测量通常可达到精度为±0.001"或0.01mm,而且在某些应用中精度可达到0.0001"或0.001mm。在一个给定的应用中,精度最好通过使用精确知道厚度的参考试块来确定。通常,使用延迟块或液浸探头的模式3来测量的仪器可最精确地测得工件的厚度。

超声测厚是一种广泛使用的无损检测技术,它用来从材料一侧测量材料厚度。在19世纪40年代后期,利用由声纳衍生的原理产生了第一台商业超声测厚仪器。在19世纪70年代,小型便携式仪器由于优化了大多数检测应用而被广泛应用。之后,在微处理技术上的发展使得如今高端的、便于使用的小型仪器的性能达到了一个新的水平。

可测量什么?

几乎任何一种普通工程材料都可以用超声方法来测量。超声测厚仪可用于金属、塑料、复合材料、纤维玻璃、陶瓷和玻璃。在线或加工过程中的挤压塑料和金属的测量是可行的,同样也可测量多层轧制冷作件或涂层。液面高度和生物学样品也可测量。超声测量一直是完全无损的方法,它无需切开测量物。

常规的超声测量一般不适用于包括木头、纸、混凝土和泡沫产品的材料。

超声测厚仪如何工作?

声能能在一个很宽的频谱范围产生,能听到的声音存在在一个相当低的频率范围,其上限约为每秒20000个周期(20KHz)。频率越高,我们感觉的音调越高。超声是一个在很高频率的声能,超过了人类能听到的界限。大部分超声测试是在频率范围从500KHz到20MHz之间实施的,但是某些特殊的仪器频率低至50KHz甚至更低并且高至225MHz。无论是什么频率,声能都由根据物理学波的基本定律,通过空气或钢介质来传播的机械振动模式组成。

所有的超声测厚仪由称之为超声波换能器的探头产生一个声脉冲,能精确测量它通过测试块的行程时间多长。因为声波会在不同的材料边界反射,一般在“脉冲/回波"模式下从一侧来实施测量,这样仪器测量了在试块远侧或底面回波的反射脉冲之间的来回传播时间。

探头包含一个由短电脉冲激发来产生一个超声波脉冲的压电晶片。声波耦合进入试块并在其中传播,直到遇到背壁面或其他边界。反射信号会往回传播到探头,将声能转换为电能。事实上,仪器接收来自另一侧的回波,时间间隔只有百万分之几秒。仪器用在测试材料中的声速进行编程,从而能够使用简单的数学关系式来计算厚度:

T=Vxt/2

此处:

T=工件厚度

V=在检测材料中的声速

t=测量的来回传播时间

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