施 杰，秦大為

（1.鹽城市路燈管理處，江蘇鹽城224002；2.鹽城師范學(xué)院電光源檢測技術(shù)研究所，江蘇鹽城224001）

隨著城市化進(jìn)程日益加快，城市道路照明事業(yè)得到迅速發(fā)展，大量路燈燈桿得以使用，如何選取優(yōu)質(zhì)的燈桿變得尤為重要。燈桿厚度是衡量燈桿質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，要根據(jù)實際需求選擇燈桿的厚度，并能準(zhǔn)確、快捷、方便地測量出燈桿的壁厚，有效防止不良產(chǎn)品流入市場。

測厚的方法很多，除了常規(guī)的機(jī)械方法（卡尺、千分尺等）外，還有其他一些方法，如超聲波測量、磁性測厚、電流法測厚、射線測厚等。這些檢驗方法中，目前應(yīng)用最多的是超聲波測厚。因為超聲波測厚儀體積小、質(zhì)量輕、速度快、精度高、攜帶使用方便。

1 超聲波測厚儀

超聲檢測是常用的無損檢測技術(shù)之一，超聲測厚是超聲檢測技術(shù)在測厚方面的應(yīng)用。其利用超聲波脈沖回波技術(shù)，在非破壞情況下對工業(yè)上許多重要結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行精確測量，一般壁厚10mm以下的，測量精度可達(dá)0.01mm。超聲測厚儀除了測厚以外還可測聲速。

2 測試原理

超聲測厚儀的工作原理如圖1所示。其脈沖發(fā)生器以一個窄電脈沖激勵專用高阻尼壓電換能器，此脈沖為始脈沖。一部分由始脈沖激勵產(chǎn)生的超聲信號在材料界面反射，該信號稱為始波，其余部分透入材料，并從平行對面反射回來，該返回信號稱為背面回波。始波與背面回波之間的時間間隔代表了超聲信號穿過被測件的聲程時間。如測得聲程時間，則可由式（1）確定被測件厚度。

圖1 超聲測厚儀功能框圖

式中：d為被測件厚度；C為超聲波在被測件中的傳播速度(即聲速)；t為聲程時間。

由式(1)可知，如測得工件厚度和聲程時間，可求出被測工件中的聲速，聲速是描述超聲波在介質(zhì)中傳播特性的基本物理量，大小由傳播介質(zhì)決定，即與材料的彈性模量、密度、超聲波波型和泊松比有關(guān)。金屬材料的彈性模量盡管對組織結(jié)構(gòu)不敏感，但與原子間作用力和原子間距有關(guān),而原子間距與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，其還是受到組織結(jié)構(gòu)的影響。此外，金屬材料的密度從微觀上來講也與組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。因為

密度=(原子數(shù)O..晶胞) (原子量O..阿佛加德羅常數(shù))/晶胞體積

而晶胞的體積則與組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以，聲速與金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)有必然的聯(lián)系，這樣使用超聲波測厚儀測出被測件中的聲速變化，可判斷被測件中內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的異常。

主要材料的聲速范圍見表1。

表1 主要材料的聲速

3 典型產(chǎn)品介紹

以在中國市場占有率高的由北京時代之峰科技有限公司生產(chǎn)的TT110超聲波測厚儀為例，介紹其主要功能和性能指標(biāo)。

3.1 主要功能

1）自動校對零點，可對系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正；

2）非線性自動補(bǔ)償：在全范圍內(nèi)利用計算機(jī)軟件對探頭非線性誤差進(jìn)行修正，以提高測量準(zhǔn)確度；

3）耦合狀態(tài)提示：提供耦合標(biāo)志，通過觀察其穩(wěn)定狀態(tài)可知耦合是否正常；

4）低電壓提示；

5）定時自動關(guān)機(jī)；

6）密閉式操作，防油污，提高使用壽命。

3.2 性能指標(biāo)

顯示方式:4位數(shù)字液晶顯示；

顯示最小單位：0.1 mm；

工作頻率及測量范圍：

5PΦ10 探頭、5PΦ10/90°探頭為 5 MHz，1.2～225.0 mm；

7PΦ6 探頭為 7 MHz，0.8～60.0 mm；

SZ2.5P 探頭為 2.5 MHz，3.0～300.0 mm；

管材測量下限：

5PΦ10探頭、5PΦ10/90°探頭為Φ20 mm×3.0 mm；

7PΦ6探頭為Φ15 mm×2.0 mm；

測量誤差：±(1%H+0.1)mm，H為被測物實際厚度；

聲速：5 900 m/s；

使用溫度范圍：0～40℃；

電源：2節(jié)5號干電池；

功耗：工作電流＜20 mA(3 V)；

外形尺寸：126 mm×68 mm×23 mm。

3.3 基本配置及儀器各部分名稱

1）基本配置:主機(jī) 1臺；5PΦ10探頭 1支；5PΦ10/90°探頭1支；耦合劑1瓶。

2）選購件：7PΦ6探頭1支；SZ2.5P探頭1支。

3）儀器各部分名稱如圖2所示。

圖2 儀器整體圖

4 儀器校正

用測厚儀測厚前，要先校準(zhǔn)儀器的下限和線性。儀器的測量下限要用一塊厚度為下限的試塊來校準(zhǔn)。如己知材料聲速可預(yù)先調(diào)好聲速值，然后在儀器附帶的試塊上，調(diào)節(jié)“校準(zhǔn)鍵”按鈕，儀器即調(diào)試完畢。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，使用不同品牌的測厚儀，其產(chǎn)品附帶的試塊厚度大多各不相同，現(xiàn)場檢驗時應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)試塊的厚度，以免調(diào)錯基準(zhǔn)值。

測厚儀附帶的試塊，一般厚度較小，當(dāng)需要的厚度與之偏離較大時，可用階梯試塊（一般測厚儀出廠時都附帶）分別在厚度接近待測厚度的最大值和待測厚度最小值時（或待測厚度最大值的1/2）進(jìn)行校正。

5 耦合劑的使用和選擇

耦合劑是用來作為探頭與被測材料之間的高頻超聲能量傳遞的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，有可能造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無法測值。耦合劑應(yīng)適量使用，涂沫均勻。選擇合適種類的耦合劑非常重要，在光滑材料表面，低粘度耦合劑（如隨機(jī)配置的耦合劑、輕機(jī)油等）很合適。在粗糙材料表面或垂直表面及頂面時，可使用粘度較高的耦合劑（如甘油膏、黃油、潤滑脂等）。

6 燈桿壁厚的測量方法

6.1 一般測量方法

1）在一點處用探頭進(jìn)行2次測厚，在2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）30 mm多點測量法：當(dāng)測量值不穩(wěn)定時，以一個測定點為中心，在直徑約為30 mm的圓內(nèi)進(jìn)行多次測量，取最小值為被測工件厚度值。

6.2 精確測量法

在規(guī)定的測量點周圍增加測量數(shù)目，厚度變化用等厚線表示。

6.3 連續(xù)測量法

用單點測量法沿指定路線連續(xù)測量，間隔不大于5 mm。

6.4 網(wǎng)格測量法

在指定區(qū)域劃上網(wǎng)格，按點測厚記錄。此方法在高壓設(shè)備、不銹鋼襯里腐蝕監(jiān)測中被廣泛使用。

7 異?，F(xiàn)象的防御措施及注意事項

7.1 清潔表面

測量前應(yīng)清除被測物體表面所有灰塵、污垢及銹蝕物，鏟除油漆等覆蓋物。

7.2 提高粗糙度要求

過分粗糙的表面會引起測量誤差，甚至儀器無法讀數(shù)。測量前應(yīng)盡量使被測材料表面光滑，可使用磨、拋、銼等方法，還可使用高粘度耦合劑，選用粗晶探頭SZ2.5P。

7.3 測量圓柱型表面

測量圓柱型材料，如管子、油桶等，選擇探頭串音隔層板與被測材料軸線之間的夾角至關(guān)重要。簡單地說，將探頭與被測材料耦合，探頭串音隔層板與被測材料軸線平行或垂直，沿與被測材料軸線方向垂直地緩慢搖動探頭，屏幕上的讀數(shù)將有規(guī)則地變化，選擇讀數(shù)中的最小值作為材料的準(zhǔn)確厚度。

選擇探頭串音隔層板與被測材料軸線交角方向的標(biāo)準(zhǔn)取決于材料的曲率，直徑較大的管材，選擇探頭串音隔層板與管材軸線垂直，直徑較小的管材，則選擇與管材軸線平行和垂直2種測量方法，取讀數(shù)中的最小值作為測量厚度。

7.4 參考試塊

為了能得到滿意的測量精度，最好選擇具有與被測材料相同材質(zhì)和相近厚度的試塊。對于薄材料，在厚度接近探頭測量下限時，不要測量低于下限厚度的材料。如果一個厚度范圍是可以估計的，那么試塊的厚度應(yīng)選上限值。大部分鍛件和鑄件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有方向性，在不同的方向上，聲速有少量變化，為了解決這個問題，試塊應(yīng)具有與被測材料相同方向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，聲波在試塊中的傳播方向也要與在被測材料中的方向相同。在實際測量中被測材料的聲速可能是未知的，這時可通過表2的公式計算。

表2 被測物體的厚度

8 測量誤差的預(yù)防方法

8.1 超薄材料

使用任何超聲波測厚儀，當(dāng)被測材料的厚度降到探頭使用下限以下時，將導(dǎo)致測量誤差，必要時最小極限厚度可用試塊比較法測得。

當(dāng)測量超薄材料時，會發(fā)生一種稱為“雙重折射”的錯誤結(jié)果，顯示讀數(shù)是實際厚度的2倍。另一種錯誤結(jié)果被稱為“脈沖包絡(luò)、循環(huán)跳躍”，測得值大于實際厚度。為防止這類誤差，測臨界探頭使用下限的材料時應(yīng)重復(fù)測量核對。

8.2 銹斑、腐蝕凹坑等

被測材料另一表面的銹斑凹坑等將引起讀數(shù)無規(guī)則變化，在極端情況下甚至無讀數(shù)，小的銹點很難發(fā)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)凹坑或感到懷疑時，這個區(qū)域的測量就得十分小心，可選擇探頭串音隔層板不同角度的定位多次測試。

8.3 探頭的磨損

探頭表面為丙烯樹脂,長期使用會使粗糙度增高,導(dǎo)致靈敏度下降，用戶在確定此原因造成誤差的情況下，可用砂紙或油石少量打磨探頭表面使其平滑并保證平行度。如仍不穩(wěn)定，則需更換探頭。

8.4 探頭護(hù)套

測曲面時，建議采用曲面探頭護(hù)套，可較精確測量管道類曲面材料的厚度。

9 結(jié)論

超聲測厚儀體積小，攜帶方便，檢測速度快，適合于野外及現(xiàn)場測試。其不損壞檢測對象的使用性能，可對運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行在役檢測。隨著聲速測量精度的進(jìn)一步提高，超聲波測厚儀的用途將會越來越廣，在材質(zhì)檢驗中的地位也會變得更為重要。

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