超声波测厚技术的应用

黄胜清(江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 泰州 214500)

1 超声波测厚仪原理

超声波测厚技术主要用于机械制造、工程建设、石油化工设备等领域的测厚。他由主机、探头、试块三部分组成。超声波测厚仪主机包括发射部份、接收部份、计数显示部份组成。其基本原理是通过超声波探头产生压电效应发射、接收超声波。(压电效应原理:某些晶体受到拉力或压力而产生变形时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性变形的现象，称为逆压力效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应)。探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。测厚仪发射产生的高频电发射的电脉冲施加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波，通过耦合层进入被测工件后，产生反射后被接收电路接收，通过单片机计数处理后，经液晶显示器显示厚度数值。超声波测厚仪主要根据声波在被测物体中的传播速度乘以通过被测物体中的时间乘积的一半而得到被测物体的厚度，即超声波测厚仪工作原理。从而使超声波测厚技术在工业生产中得到广泛的应用。

2 测厚仪的种类

测厚仪的种类有:X射线测厚仪、纸张测厚仪、薄膜测厚仪、涂层测厚仪、在线测厚仪、超声测厚仪、压力测厚仪、白光干涉测厚仪、电解式测厚仪、机械接触式测厚仪、涡流测厚仪等。测厚仪的种类有很多，其中我们常见的测厚仪有:超声波测厚仪、涂层测厚仪、薄膜测厚仪、纸张测厚仪、X射线测厚仪等。

3 实际测厚时造成超声波测厚示值失真的原因有哪些

超声波测厚在实际应用中会出现测厚仪显示示值偏大或偏小的现象，如果出现测厚仪显示示值失真，会给被检设备造成安全隐患，而如果根据测厚仪错误的数据更换了材料或设备的零部件，便会增加制造成本和使用成本，而造成大量的资源浪费。那么，超声波测厚示值失真是由什么造成的呢？我认为原因是多方面的，主要如下:

3.1 测厚仪检测的被测物体内有杂质物(不同声速的物质)，当杂质物声阻抗与被测物体声阻抗相差不大时，测厚仪器示值为壁厚加杂质物厚度；当杂质物的声阻抗大于被测物体的声阻抗时，测厚仪器显示值会出现增厚现象，如铸钢件中出现高密度物质。

3.2 测厚仪检测的被测物体材料内部存在缺陷(其大小、位置、方向等对测厚示值影响较大)，如钢板轧制过程产生的夹层，当夹层的直径小于或稍大于测厚仪探头直径时，围绕夹层边缘周围移动测量，可发现分层缺陷。当夹层直径远大于探头直径时，测厚仪器显示值失真。此时不能作为判断设备及材料示值的依据，而应用其它无损检测的方法进行检测，如用超声波探伤仪，查明夹层分布情况和面积大小及与母材表面的倾角，以确定其危害性。

3.3 温度也会影响测厚仪显示示值大小:在超声波测厚仪检测时，一般固体材料中的声速随温度升高而降低，对于被测物体处于高温状态，此时,应选用高温测厚专用探头，避免出现测量示值误差过大。

3.4 超声波测厚仪无法测量层叠材料、不完全复合材料厚度。因为超声波测厚仪的超声波无法穿透未经耦合的空间，此时测量的示值可能是单层示值。

3.5 耦合剂对测厚示值的影响。(耦合剂是一种媒介，是用来排除测厚仪探头与被测物体之间的空气，使测厚仪的超声波能有效的进入到被测物体内达到检测的目的)。所以选择耦合剂时，应尽可能考虑其声阻抗与被测物体的声阻抗一致、且粘度应当适中，无污染，对人体无影响。

3.6 被检工件的形状:如果被检工件检测面对应的面(一般称底面)不平行,存在夹角时,随着夹角的增大，反回接收到的超声波随之减小，示值显示失真或不能显示被测部位数值；再如被检测工件的曲率半径对测量结果有影响,这种影响将随曲率半径的减小明显地增大;,示值失真也随之增大。

3.7 被测面的表面质量:在进行测厚前应对被测物体表面金属氧化物、油漆覆盖层、涂层、粗糙的表面进行打磨，露出金属光泽或本色，否则会影响测厚仪示值显示失真。即使被测物体表面产生的金属氧化物、油漆覆盖层、涂层与被测物体表面结合紧密，此时由于它们声速不同，而导致测厚仪检测示值失真。资料显示，覆盖层厚度大于25μm时,其误差与覆盖层厚度近似成正比。

3.8 操作不当,也会造成测厚示值误差:如声速的选择,应根据不同的材质选择不同的声速等。在测厚前、测厚中及测厚结束，应及时用标准试块进行校正，误差是否在允许范围内，否则应重新测厚。

3.9 临界厚度，任何一种测厚仪都要求基体金属有一个临界厚度,只有大于这个厚度,测量才不会受基体金属厚度的影响。因此在使用超声波测厚仪检测时，要正确选择测厚仪及探头、对被检物表面进行处理、正确使用耦合剂，积极预防超声波测厚仪示值失真，避免造成事故隐患或不必要的浪费。

4 测厚仪的选择

以上我们介绍了超声波测厚的原理、种类及测厚过程的注意点，工作中如何选择测厚仪？下面作一简单介绍:

4.1 超声波测厚仪:一是由于其体积小、重量轻、便于携带且价格便宜、无污染、不受使用场地环境限制等优点；二是有良好的指向性:对金属、非金属材料的厚度测量，既快又准确，尤其是在只许可一个侧面可接触的场合，更能显示其优越性。它广泛应用于特种设备(锅炉、压力容器、压力管道、起重机械、大型游乐设施等)物流仓储、船舶、化工设备、桥梁等行业的各种板材、管材、半成品、零部件壁厚测定及其局部腐蚀、锈蚀的情况检测。因此它广泛使用在冶金、造船、机械、化工、电力、交通、原子能等领域的材料及设备检测，对设备安全运行及降低制造成本起着主要的作用。

4.2 涂层测厚仪:用于测量铁及非铁金属基体上涂层的厚度；

4.3 薄膜测厚仪:用于测定薄膜、薄片等材料的厚度，测量范围宽、测量精度高，具有数据输出、任意位置置零、公英制转换、自动断电等特点；

4.4 纸张测厚仪:适用于4mm以下的各种薄膜、纸张、纸板以及其他片状材料厚度的测量；

4.5 X射线测厚仪:利用X射线穿透被测材料时衰减原理，其强度的变化与材料的厚度相关的特性，从而测定材料的厚度，是一种非接触式的动态计量仪器。它以PLC和工业计算机为核心，采集计算数据并输出目标偏差值给轧机厚度控制系统，达到要求的轧制厚度。缺点是对人体有伤害，使用场地要防护。对环境有污染，投资成本大。主要应用行业，有色金属的板带箔加工、冶金行业的板带加工。

5 测厚部位的选择

测厚部位的选择，直接影晌检测结果的准确性和客观性，准确客观的评介被检材料及设备，可避免材料的浪费和提高设备的安全运行。所以选择检测部位很重要，原材料、零部件一般应选择在制造成型时，壁厚减薄部位和可能产生缺陷的部位；在役设备除选择在加工过程中易减薄部位外，还应选择使用过程中被冲刷部位、使用中产生的变形部位、腐蚀部位、磨损部位、积液部位、物料的进出口部位、液位波动部位、不等厚连接部位等。

超声波测厚技术看似简单，但从以上五个方面可以看出，要做到超声波测厚数据的准确，还要根据被检对象选择合适的测厚方法、测厚仪器、耦合剂、被测对象表面质量及可能出现的影晌因素，以免产生误判现象，造成设备不必要的浪费或者产生安全事故。