超聲波測厚儀精確測量鋼板厚度的方法

杜裕平

摘要：文章通過對脈沖反射式超聲波測厚儀進行鋼板測量時產生誤差的各種因素：晶粒度、內應力、組織、耦合劑、表面狀況、溫度、內部缺陷等進行分析，提出了精確測量鋼板厚度的方法。

關鍵詞：超聲波測厚儀；晶粒度；內應力；耦合劑

中圖分類號：TQ050 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）13-0052-03

在鋼板厚度的驗收過程中，由于千分尺和卡尺只能對鋼板邊部進行厚度測量，所以脈沖反射式超聲波測厚儀成為每個驗收單位用來測量鋼板內部厚度的工具，供需雙方就厚度公差測量數值的爭論從未間斷過，用戶在鋼板厚度的驗收時經常提出，鋼板內部厚度小于標準要求不予驗收。下面就超聲波測厚的工作原理、測量誤差產生的原因進行分析，同時提出精確測量鋼板厚度的方法。

1 工作原理

超聲波測厚儀主要由主機和探頭兩部分組成。主機電路包括發射電路、接收電路、計數顯示電路三部分，由發射電路產生的高壓沖擊波激勵探頭，產生超聲發射脈沖波，脈沖波經介質界面反射后被接收電路接收，通過單片機計數處理后，經液晶顯示器顯示厚度數值，它主要根據聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣時間的一半而得到試樣的厚度。縱波聲速與鐵素體含量和珠光體片層結構相關，鐵素體含量高，珠光體片層尺寸小，縱波聲速高。

分別采用油淬和水淬兩種工藝處理的材料，其組織應力也不同，油淬形成的組織中馬氏體含量較少，組織轉變應力小，縱波速度高。根據資料推薦，超聲縱波聲速由大到小排序為油淬、退火、正火、水淬。

3.4 探頭的影響

同樣參數（頻率、晶片直徑）的探頭，由于制作工藝的差異，性能也會不同，如探頭中的頻率、頻譜不同時，會對探頭聲場產生影響。

3.5 探頭磨損的影響

常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度增加，導致靈敏度降低，從而造成顯示不準確。

3.6 耦合劑的影響

耦合劑是用來排除探頭和被檢物體之間的空氣，使超聲波能有效地進入被檢測物達到被檢測的目的，如果選擇的種類或使用方法不當，將會造成測量誤差。

3.7 施加力的影響

超聲波測厚時，在探頭和被檢測的工件之間，要施加一層耦合劑，當測量時用力不均，會使耦合層的厚度有一定的影響，從而造成示值差異。用力較大，耦合效果好，耦合層厚度較薄，示值厚度就小。

3.8 鋼板溫度的影響

根據資料推薦，在-20℃～120℃范圍內，鋼中縱波聲速隨著溫度的上升而下降。

3.9 鋼板表面的影響

鋼板表面的灰塵、氧化皮、銹蝕、污垢和油漆等覆蓋物以及表面平整度和粗糙度都會造成耦合不良，對測厚造成影響。

3.10 材料內部缺陷的影響

當材料內部有嚴重的偏析、夾雜、分層、裂紋、白點等缺陷時，會造成聲速顯示值改變。

綜上所述，影響脈沖反射式超聲測厚的測量精度的因素有很多，怎樣才能減少這些不良因素，精確測量被檢物的厚度，是減少供需雙方爭議的必要措施，下面就具體的測量方法作進一步的介紹。

4 測量步驟

4.1 鋼板被檢部位的表面處理

清除鋼板所需檢測部位表面的灰塵、污垢、氧化皮、銹蝕物、油漆等覆蓋物，對于粗糙表面可以用400#砂紙打磨以露出金屬光澤

4.2 對比試塊的制作

4.2.1 對比試塊的選擇。對比試塊材料質量的關鍵是它的聲學特性必須與被檢工件基本一致，即材料的晶粒度、熱處理狀態、物理性能、化學成分等均需與被檢件一致。為此選用被檢測的鋼板本體來制作對比試塊，以保證試塊和被檢鋼板兩種材料的聲學性能一致。

4.2.4 探頭的選擇。根據工件厚度和精度要求來選擇探頭，工件較薄時選用頻率較高的雙晶探頭或帶延遲塊的探頭，工件較厚時選用頻率較低的單晶探頭，盡量選用寬帶探頭。

4.2.5 探頭的表面檢查。檢查探頭表面是否平整，如有影響測量精度的磨損，必須對探頭用500#金相砂紙打磨，使其表面平滑并保證平行度，否則更換新的探頭。

4.2.6 測厚儀零點的校準。將聲速調整到5900m/s后按ZERO鍵，進入校準狀態，在隨機試塊上涂耦合劑，將探頭和隨機試塊耦合，直到屏幕顯示試塊厚度示值為4.00mm，即校準完畢。

4.2.7 測量鋼板的聲速。

（1）將探頭與對比試塊中央的千分尺測量部位耦合，顯示出厚度值，然后將探頭轉動90度，使探頭串音隔聲板與前一次垂直，再次測量試塊厚度，以2次測量中數值小的作為試塊的厚度。如2次測量示值分別為24.88mm和24.90mm，則以第1次的24.88mm作為此區域的厚度值，檢測時探頭要放置平穩，壓力要適當。

4.2.8 鋼板實際厚度的測量。在此聲速條件下，對鋼板表面已清理的被檢測部位進行測量記錄，每個測厚位置在相互垂直的方向各測量1次，厚度以小的值為準。

5 鋼板厚度的驗收

鋼板的所有測試點檢測完畢后，對數據進行整理，以數據最小的值作為此鋼板的驗收厚度，如符合訂貨標準要求則視為厚度合格。

6 結語

通過上述的檢測方法，可以將影響脈沖反射式超聲波測厚中，測量精度的各種不良因素降到最小，從而精確測量出鋼板的實際厚度，消除供需雙方對鋼板厚度的爭議，在實際工作中都取得了滿意的結果。

參考文獻

[1] 鄢國強.材料質量檢測與分析技術[M].北京：中國計量出版社，2005.

[2] 劉天佑.鋼材質量檢驗[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4] 鄔亞華.45#鋼熱處理狀態對超聲縱波聲速的影響

[J].高新技術產業發展.

[5] 陳建忠，史耀武.低碳鋼晶粒尺寸的超聲無損評價技術[J].無損檢測，2002.

（責任編輯：周 瓊）

摘要：文章通過對脈沖反射式超聲波測厚儀進行鋼板測量時產生誤差的各種因素：晶粒度、內應力、組織、耦合劑、表面狀況、溫度、內部缺陷等進行分析，提出了精確測量鋼板厚度的方法。

關鍵詞：超聲波測厚儀；晶粒度；內應力；耦合劑

中圖分類號：TQ050 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）13-0052-03

在鋼板厚度的驗收過程中，由于千分尺和卡尺只能對鋼板邊部進行厚度測量，所以脈沖反射式超聲波測厚儀成為每個驗收單位用來測量鋼板內部厚度的工具，供需雙方就厚度公差測量數值的爭論從未間斷過，用戶在鋼板厚度的驗收時經常提出，鋼板內部厚度小于標準要求不予驗收。下面就超聲波測厚的工作原理、測量誤差產生的原因進行分析，同時提出精確測量鋼板厚度的方法。

1 工作原理

超聲波測厚儀主要由主機和探頭兩部分組成。主機電路包括發射電路、接收電路、計數顯示電路三部分，由發射電路產生的高壓沖擊波激勵探頭，產生超聲發射脈沖波，脈沖波經介質界面反射后被接收電路接收，通過單片機計數處理后，經液晶顯示器顯示厚度數值，它主要根據聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣時間的一半而得到試樣的厚度。縱波聲速與鐵素體含量和珠光體片層結構相關，鐵素體含量高，珠光體片層尺寸小，縱波聲速高。

分別采用油淬和水淬兩種工藝處理的材料，其組織應力也不同，油淬形成的組織中馬氏體含量較少，組織轉變應力小，縱波速度高。根據資料推薦，超聲縱波聲速由大到小排序為油淬、退火、正火、水淬。

3.4 探頭的影響

同樣參數（頻率、晶片直徑）的探頭，由于制作工藝的差異，性能也會不同，如探頭中的頻率、頻譜不同時，會對探頭聲場產生影響。

3.5 探頭磨損的影響

常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度增加，導致靈敏度降低，從而造成顯示不準確。

3.6 耦合劑的影響

耦合劑是用來排除探頭和被檢物體之間的空氣，使超聲波能有效地進入被檢測物達到被檢測的目的，如果選擇的種類或使用方法不當，將會造成測量誤差。

3.7 施加力的影響

超聲波測厚時，在探頭和被檢測的工件之間，要施加一層耦合劑，當測量時用力不均，會使耦合層的厚度有一定的影響，從而造成示值差異。用力較大，耦合效果好，耦合層厚度較薄，示值厚度就小。

3.8 鋼板溫度的影響

根據資料推薦，在-20℃～120℃范圍內，鋼中縱波聲速隨著溫度的上升而下降。

3.9 鋼板表面的影響

鋼板表面的灰塵、氧化皮、銹蝕、污垢和油漆等覆蓋物以及表面平整度和粗糙度都會造成耦合不良，對測厚造成影響。

3.10 材料內部缺陷的影響

當材料內部有嚴重的偏析、夾雜、分層、裂紋、白點等缺陷時，會造成聲速顯示值改變。

綜上所述，影響脈沖反射式超聲測厚的測量精度的因素有很多，怎樣才能減少這些不良因素，精確測量被檢物的厚度，是減少供需雙方爭議的必要措施，下面就具體的測量方法作進一步的介紹。

4 測量步驟

4.1 鋼板被檢部位的表面處理

清除鋼板所需檢測部位表面的灰塵、污垢、氧化皮、銹蝕物、油漆等覆蓋物，對于粗糙表面可以用400#砂紙打磨以露出金屬光澤

4.2 對比試塊的制作

4.2.1 對比試塊的選擇。對比試塊材料質量的關鍵是它的聲學特性必須與被檢工件基本一致，即材料的晶粒度、熱處理狀態、物理性能、化學成分等均需與被檢件一致。為此選用被檢測的鋼板本體來制作對比試塊，以保證試塊和被檢鋼板兩種材料的聲學性能一致。

4.2.4 探頭的選擇。根據工件厚度和精度要求來選擇探頭，工件較薄時選用頻率較高的雙晶探頭或帶延遲塊的探頭，工件較厚時選用頻率較低的單晶探頭，盡量選用寬帶探頭。

4.2.5 探頭的表面檢查。檢查探頭表面是否平整，如有影響測量精度的磨損，必須對探頭用500#金相砂紙打磨，使其表面平滑并保證平行度，否則更換新的探頭。

4.2.6 測厚儀零點的校準。將聲速調整到5900m/s后按ZERO鍵，進入校準狀態，在隨機試塊上涂耦合劑，將探頭和隨機試塊耦合，直到屏幕顯示試塊厚度示值為4.00mm，即校準完畢。

4.2.7 測量鋼板的聲速。

（1）將探頭與對比試塊中央的千分尺測量部位耦合，顯示出厚度值，然后將探頭轉動90度，使探頭串音隔聲板與前一次垂直，再次測量試塊厚度，以2次測量中數值小的作為試塊的厚度。如2次測量示值分別為24.88mm和24.90mm，則以第1次的24.88mm作為此區域的厚度值，檢測時探頭要放置平穩，壓力要適當。

4.2.8 鋼板實際厚度的測量。在此聲速條件下，對鋼板表面已清理的被檢測部位進行測量記錄，每個測厚位置在相互垂直的方向各測量1次，厚度以小的值為準。

5 鋼板厚度的驗收

鋼板的所有測試點檢測完畢后，對數據進行整理，以數據最小的值作為此鋼板的驗收厚度，如符合訂貨標準要求則視為厚度合格。

6 結語

通過上述的檢測方法，可以將影響脈沖反射式超聲波測厚中，測量精度的各種不良因素降到最小，從而精確測量出鋼板的實際厚度，消除供需雙方對鋼板厚度的爭議，在實際工作中都取得了滿意的結果。

參考文獻

[1] 鄢國強.材料質量檢測與分析技術[M].北京：中國計量出版社，2005.

[2] 劉天佑.鋼材質量檢驗[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4] 鄔亞華.45#鋼熱處理狀態對超聲縱波聲速的影響

[J].高新技術產業發展.

[5] 陳建忠，史耀武.低碳鋼晶粒尺寸的超聲無損評價技術[J].無損檢測，2002.

（責任編輯：周 瓊）

摘要：文章通過對脈沖反射式超聲波測厚儀進行鋼板測量時產生誤差的各種因素：晶粒度、內應力、組織、耦合劑、表面狀況、溫度、內部缺陷等進行分析，提出了精確測量鋼板厚度的方法。

關鍵詞：超聲波測厚儀；晶粒度；內應力；耦合劑

中圖分類號：TQ050 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）13-0052-03

在鋼板厚度的驗收過程中，由于千分尺和卡尺只能對鋼板邊部進行厚度測量，所以脈沖反射式超聲波測厚儀成為每個驗收單位用來測量鋼板內部厚度的工具，供需雙方就厚度公差測量數值的爭論從未間斷過，用戶在鋼板厚度的驗收時經常提出，鋼板內部厚度小于標準要求不予驗收。下面就超聲波測厚的工作原理、測量誤差產生的原因進行分析，同時提出精確測量鋼板厚度的方法。

1 工作原理

超聲波測厚儀主要由主機和探頭兩部分組成。主機電路包括發射電路、接收電路、計數顯示電路三部分，由發射電路產生的高壓沖擊波激勵探頭，產生超聲發射脈沖波，脈沖波經介質界面反射后被接收電路接收，通過單片機計數處理后，經液晶顯示器顯示厚度數值，它主要根據聲波在試樣中的傳播速度乘以通過試樣時間的一半而得到試樣的厚度。縱波聲速與鐵素體含量和珠光體片層結構相關，鐵素體含量高，珠光體片層尺寸小，縱波聲速高。

分別采用油淬和水淬兩種工藝處理的材料，其組織應力也不同，油淬形成的組織中馬氏體含量較少，組織轉變應力小，縱波速度高。根據資料推薦，超聲縱波聲速由大到小排序為油淬、退火、正火、水淬。

3.4 探頭的影響

同樣參數（頻率、晶片直徑）的探頭，由于制作工藝的差異，性能也會不同，如探頭中的頻率、頻譜不同時，會對探頭聲場產生影響。

3.5 探頭磨損的影響

常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度增加，導致靈敏度降低，從而造成顯示不準確。

3.6 耦合劑的影響

耦合劑是用來排除探頭和被檢物體之間的空氣，使超聲波能有效地進入被檢測物達到被檢測的目的，如果選擇的種類或使用方法不當，將會造成測量誤差。

3.7 施加力的影響

超聲波測厚時，在探頭和被檢測的工件之間，要施加一層耦合劑，當測量時用力不均，會使耦合層的厚度有一定的影響，從而造成示值差異。用力較大，耦合效果好，耦合層厚度較薄，示值厚度就小。

3.8 鋼板溫度的影響

根據資料推薦，在-20℃～120℃范圍內，鋼中縱波聲速隨著溫度的上升而下降。

3.9 鋼板表面的影響

鋼板表面的灰塵、氧化皮、銹蝕、污垢和油漆等覆蓋物以及表面平整度和粗糙度都會造成耦合不良，對測厚造成影響。

3.10 材料內部缺陷的影響

當材料內部有嚴重的偏析、夾雜、分層、裂紋、白點等缺陷時，會造成聲速顯示值改變。

綜上所述，影響脈沖反射式超聲測厚的測量精度的因素有很多，怎樣才能減少這些不良因素，精確測量被檢物的厚度，是減少供需雙方爭議的必要措施，下面就具體的測量方法作進一步的介紹。

4 測量步驟

4.1 鋼板被檢部位的表面處理

清除鋼板所需檢測部位表面的灰塵、污垢、氧化皮、銹蝕物、油漆等覆蓋物，對于粗糙表面可以用400#砂紙打磨以露出金屬光澤

4.2 對比試塊的制作

4.2.1 對比試塊的選擇。對比試塊材料質量的關鍵是它的聲學特性必須與被檢工件基本一致，即材料的晶粒度、熱處理狀態、物理性能、化學成分等均需與被檢件一致。為此選用被檢測的鋼板本體來制作對比試塊，以保證試塊和被檢鋼板兩種材料的聲學性能一致。

4.2.4 探頭的選擇。根據工件厚度和精度要求來選擇探頭，工件較薄時選用頻率較高的雙晶探頭或帶延遲塊的探頭，工件較厚時選用頻率較低的單晶探頭，盡量選用寬帶探頭。

4.2.5 探頭的表面檢查。檢查探頭表面是否平整，如有影響測量精度的磨損，必須對探頭用500#金相砂紙打磨，使其表面平滑并保證平行度，否則更換新的探頭。

4.2.6 測厚儀零點的校準。將聲速調整到5900m/s后按ZERO鍵，進入校準狀態，在隨機試塊上涂耦合劑，將探頭和隨機試塊耦合，直到屏幕顯示試塊厚度示值為4.00mm，即校準完畢。

4.2.7 測量鋼板的聲速。

（1）將探頭與對比試塊中央的千分尺測量部位耦合，顯示出厚度值，然后將探頭轉動90度，使探頭串音隔聲板與前一次垂直，再次測量試塊厚度，以2次測量中數值小的作為試塊的厚度。如2次測量示值分別為24.88mm和24.90mm，則以第1次的24.88mm作為此區域的厚度值，檢測時探頭要放置平穩，壓力要適當。

4.2.8 鋼板實際厚度的測量。在此聲速條件下，對鋼板表面已清理的被檢測部位進行測量記錄，每個測厚位置在相互垂直的方向各測量1次，厚度以小的值為準。

5 鋼板厚度的驗收

鋼板的所有測試點檢測完畢后，對數據進行整理，以數據最小的值作為此鋼板的驗收厚度，如符合訂貨標準要求則視為厚度合格。

6 結語

通過上述的檢測方法，可以將影響脈沖反射式超聲波測厚中，測量精度的各種不良因素降到最小，從而精確測量出鋼板的實際厚度，消除供需雙方對鋼板厚度的爭議，在實際工作中都取得了滿意的結果。

參考文獻

[1] 鄢國強.材料質量檢測與分析技術[M].北京：中國計量出版社，2005.

[2] 劉天佑.鋼材質量檢驗[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4] 鄔亞華.45#鋼熱處理狀態對超聲縱波聲速的影響

[J].高新技術產業發展.

[5] 陳建忠，史耀武.低碳鋼晶粒尺寸的超聲無損評價技術[J].無損檢測，2002.

（責任編輯：周 瓊）