根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。按此原理設(shè)計(jì)的可對各種板材和各種加工零件作測量，也可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度。可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域。
使用技巧：
1、一般測量方法：
（1）在一點(diǎn)處用探頭進(jìn)行兩次測厚，在兩次測量中探頭的分割面要互為90°，取較小值為被測工件厚度值。
（2）30mm 多點(diǎn)測量法：當(dāng)測量值不穩(wěn)定時(shí)，以一個(gè)測定點(diǎn)為中心，在直徑約為30mm 的圓內(nèi)進(jìn)行多次測量，取小值為被測工件厚度值。
2、測量法：在規(guī)定的測量點(diǎn)周圍增加測量數(shù)目，厚度變化用等厚線表示。
3、連續(xù)測量法：用單點(diǎn)測量法沿路線連續(xù)測量，間隔不大于5mm。
4、網(wǎng)格測量法：在區(qū)域劃上網(wǎng)格，按點(diǎn)測厚記錄。此方法在高壓設(shè)備、不銹鋼襯里腐蝕監(jiān)測中廣泛使用。
影響超聲波測厚儀示值的因素：
[/b]（1）工件表面粗糙度過大，造成探頭與接觸面耦合效果差，反射回波低，甚至無法接收到回波信號。對于表面銹蝕，耦合效果極差的在役設(shè)備、管道等可通過砂、磨、挫等方法對表面進(jìn)行處理，降低粗糙度，同時(shí)也可以將氧化物及油漆層去掉，露出金屬光澤，使探頭與被檢物通過耦合劑能達(dá)到很好的耦合效果。
（2）工件曲率半徑太小，尤其是小徑管測厚時(shí)，因常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，聲強(qiáng)透射率低（耦合不好）。可選用小管徑探頭（6mm ,能較的測量管道等曲面材料。
（3）檢測面與底面不平行，聲波遇到底面產(chǎn)生散射，探頭無法接受到底波信號。
（4）鑄件、奧氏體鋼因組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播，有可能使回波湮沒，造成不顯示。可選用頻率較低的粗晶探頭（2.5MHz。
（5）探頭接觸面有一定磨損。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(dǎo)致靈敏度下降，從而造成顯示不正確。可選用500#砂紙打磨，使其平滑并保證平行度。如仍不穩(wěn)定，則考慮更換探頭。
（6）被測物背面有大量腐蝕坑。由于被測物另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導(dǎo)致讀數(shù)無規(guī)則變化，在情況下甚至無讀數(shù)。
（7）被測物體（如管道）內(nèi)有沉積物，當(dāng)沉積物與工件聲阻抗相差不大時(shí)，測厚儀顯示值為壁厚加沉積物厚度。
（8）當(dāng)材料內(nèi)部存在缺陷（如夾雜、夾層等）時(shí)，顯示值約為公稱厚度的70%，此時(shí)可用超聲波探傷儀進(jìn)一步進(jìn)行缺陷檢測。
（9） 溫度的影響。一般固體材料中的聲速隨其溫度升高而降低，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，熱態(tài)材料每增加100°C，聲速下降1%。對于高溫在役設(shè)備常常碰到這種情況。應(yīng)選用高溫探頭（300－600°C，切勿使用普通探頭。
（10）層疊材料、復(fù)合（非均質(zhì)）材料。要測量未經(jīng)耦系牟愕牧鮮遣豢贍艿模虺ㄎ薹ù┩肝淳詈系目占洌也荒茉詬春希ǚ薔剩┎牧現(xiàn)性人俅ァ６雜謨啥嗖悴牧習(xí)瞥傻納璞福ㄏ衲蛩馗哐股璞福夂袷幣乇鹱⒁猓夂褚塹氖局到霰硎居胩酵方喲サ哪遣悴牧蝦穸取?
（12）耦合劑的影響。耦合劑是用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，將造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無法測量。因根據(jù)使用情況選擇合適的種類，當(dāng)使用在光滑材料表面時(shí)，可以使用低粘度的耦合劑；當(dāng)使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時(shí)，應(yīng)使用粘度高的耦合劑。高溫工件應(yīng)選用高溫耦合劑。其次，耦合劑應(yīng)適量使用，涂抹均勻，一般應(yīng)將耦合劑涂在被測材料的表面，但當(dāng)測量溫度較高時(shí)，耦合劑應(yīng)涂在探頭上。
（13）聲速選擇錯誤。測量工件前，根據(jù)材料種類預(yù)置其聲速或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塊反測出聲速。當(dāng)用一種材料校正儀器后（常用試塊為鋼）又去測量另一種材料時(shí)，將產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。要求在測量前一定要正確識別材料，選擇合適聲速。
（14）應(yīng)力的影響。在役設(shè)備、管道大部分有應(yīng)力存在，固體材料的應(yīng)力狀況對聲速有一定的影響，當(dāng)應(yīng)力方向與傳播方向一致時(shí)，若應(yīng)力為壓應(yīng)力，則應(yīng)力作用使工件彈性增加，聲速加快；反之，若應(yīng)力為拉應(yīng)力，則聲速減慢。當(dāng)應(yīng)力與波的傳播方向不一至?xí)r，波動過程中質(zhì)點(diǎn)振動軌跡受應(yīng)力干擾，波的傳播方向產(chǎn)生偏離。根據(jù)資料表明，一般應(yīng)力增加，聲速緩慢增加。
（15）金屬表面氧化物或油漆覆蓋層的影響。金屬表面產(chǎn)生的致密氧化物或油漆防腐層，雖與基體材料結(jié)合緊密，無名顯界面，但聲速在兩種物質(zhì)中的傳播速度是不同的，從而造成誤差，且隨覆蓋物厚度不同，誤差大小也不同。
1．2多功能原理
的原理主要采用脈沖反射式超聲波測厚的原理，如圖1所示。
其方法是將超聲波短脈沖送入物體，當(dāng)遇到物體的邊果界時(shí)返回，得到回波，測量超聲波脈沖通過被測件所需的時(shí)間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測件中的傳播速度求出被測件厚度。被測件厚度D可用下式求出：
D＝VT／2（1）
式中V為被測材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測件兩表面之間往返一次的時(shí)間。
脈沖反射式超聲波測厚的原理簡單，以脈沖方式工作，使它在儀器上更容易實(shí)現(xiàn)，且易做到體積小、速度快、精度高、耗電少。
2 脈沖反射式的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)原理及框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路及接收電路、單片機(jī)控制電路、顯示驅(qū)動電路等組成。由單片機(jī)控制發(fā)射電路輸出寬度很窄，前沿很陡的周期性電脈沖，通過電纜加到探頭上，激勵壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波，超聲波在被測件上下兩面形成多次反射，反射波經(jīng)過壓電晶片轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大濾波后，由計(jì)時(shí)電路測出聲波在被測件上下兩面之間的傳播時(shí)間t，送入單片機(jī)，然后通過單片機(jī)計(jì)算處理后，換算成厚度，送入驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路輸出信號給LCD顯示器進(jìn)行厚度顯示。
3 測厚儀研制中幾個(gè)關(guān)鍵問題的討論
3．1 往返時(shí)間的測量
往返時(shí)間的測量有以下三種方法：
（1）測量發(fā)射波T與*次底波B1之間的時(shí)間；
（2）測量*次底波B1與第二次底波B2之間的時(shí)間；
（3）測量其后任意兩相鄰波之間的時(shí)間。
以上三種測量方式的選擇可以通過不同的電路來實(shí)現(xiàn)，但它們對儀器的性能有很大的影響。如果選擇*種測量方法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測量方法，由于脈寬窄，能探測薄的材料，此時(shí)若用高頻探頭（10MHz），就能探測更薄的材料，因而拓寬了儀器測量下限。如果選擇第三種測量方法，效果和第二種不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，且雜波較多。第二和第三種測量方法的測量電路較復(fù)雜，成本較高。我們在研制過程中，考慮到量程要求，采用了第二種測量方法。為了方便實(shí)現(xiàn)電路，我們在發(fā)射超聲波的同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)門，由門脈沖控制計(jì)數(shù)的起始位置。
3．2 高速數(shù)據(jù)采集
由于探頭工作頻率高為5MHz，按照采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作高頻率的4～5倍，本系統(tǒng)中使用的采樣頻率為50MHz。儀器的精度也和數(shù)據(jù)采集速度密切相關(guān)，例如，鋼在聲波縱波的傳播速度為5900m／s，在一個(gè)周期內(nèi)通過的折反距離為147（mm）（2）
所以儀器的測量精度基本能滿足要求，然后再采取一些其它補(bǔ)償措施，例如自動校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)龋箖x器的精度達(dá)到0．01mm。
3．3 計(jì)數(shù)問題
在硬件設(shè)計(jì)中，我們始終以小型化為標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少硬件數(shù)量，所以單片機(jī)選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AT89C51－20PC的單片機(jī)，片內(nèi)有E2PROM，采用電擦除方式，程序修改方便，內(nèi)存容量足夠，不增加任何外圍設(shè)備。而計(jì)數(shù)器采用三態(tài)輸出的8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590一片。但儀器要求測量上限為200mm，因此計(jì)數(shù)上限為：
通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590是不能滿足計(jì)數(shù)要求的。所以在設(shè)計(jì)中為了避免74HC590的級聯(lián)，設(shè)計(jì)中用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0也參與計(jì)數(shù)。但單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的高頻率一般僅為振蕩頻率的1／24，即在單片機(jī)外接12MHz晶振時(shí)，計(jì)數(shù)的高頻率為0．5MHz，而74HC590的進(jìn)位信號為一個(gè)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘同頻的脈沖，因此單片機(jī)無法對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了解決這個(gè)問題，把T0腳接到74HC590的高輸出端，對計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行28分頻后計(jì)數(shù)，這樣，當(dāng)T0工作于方式1，則總計(jì)數(shù)值可以到2 8＋16 ＝2 24 。
3．4 多功能的體現(xiàn)
多功能主要由AT89C51－20PC的軟件處理的實(shí)現(xiàn)及更換不同探頭及達(dá)到不同測量范圍來體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）體積小，便于攜帶
在電路中的除了選用低功耗的單片機(jī)外，器件盡量使用CMOS集成電路。由于儀器中很多元件都有特殊要求，特別是高頻、高壓、低噪等的特殊器件，盡量使用MAXIM公司貼片式芯片。
（2）操作簡單
整個(gè)操作鍵僅五個(gè)，不需任何操作訓(xùn)練。
（3）自動校準(zhǔn)
如（1）式所示，要想得到的測量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測試件所引起的接觸滯后及其它裝配所引起的滯后，我們采用下列公式來進(jìn)行修正：
D＝V（t－Tn）／2（4）
式中，Tn為初值補(bǔ)償系數(shù)。我們在儀器中采用自動設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動校準(zhǔn)目的。
（4）測量狀態(tài)顯示
可由儀器提示是測材料厚度還是測聲速。如測聲速則輸入厚度值；如測厚度則首先進(jìn)行自動校準(zhǔn)后即可測量。還可通過顯示屏上的顯示符號可知當(dāng)前測厚儀是處于哪一種測量狀態(tài)，提示操作者。
（5）耦合狀態(tài)顯示
如果在測量操作中，測量探頭和工作面耦合得不好，立即會有一個(gè)符號提示操作者。
（6）背光顯示
在液晶顯示器下有一個(gè)背光條，便于在光線不好的工作現(xiàn)場操作時(shí)打開背光。
（7）公英制轉(zhuǎn)換
主要考慮到測量顯示單位和儀器單位接軌。
（8）上、下限報(bào)警
操作員可根據(jù)自己的需要設(shè)置上、下限報(bào)警值，若超出此值，儀器自動報(bào)警。
（9）數(shù)據(jù)保存
每次開機(jī)時(shí)自動保持上一此測量結(jié)果。
（10）電源電壓不足顯示
儀器電源由于采用的是干電池，電路除了采用低功耗的器件外，電源設(shè)計(jì)成斷續(xù)小電流工作方式，探頭未接觸樣品時(shí)，儀器僅工作在維持啟動狀態(tài)，當(dāng)探頭接觸樣品時(shí)，電路才開始工作。在使用一段時(shí)間后，若電源電壓不足時(shí)，為防止誤操作，儀器自動提醒使用者。
（11）更換不同探頭，實(shí)現(xiàn)不同測量范圍。
北京時(shí)代新天科貿(mào)有限公司
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