我們知道,超聲測量儀器,無論是測厚儀還是探傷儀,本質上都是“計時儀器”,即記錄脈沖的發送和接收、計算“發送”和“接收”的時間差、乘以輸入的超聲波在被測介質中傳遞的速度(即該介質中的超聲波聲速),由此得出介質的厚度、或者是缺陷的在介質中的位置。兩者的差異,概括而言,“超聲波測厚”更關注脈沖信號記錄的精確性和唯一性,而“超聲波探傷”更關注脈沖信號的深度傳遞和信號捕捉的全面性(即不可遺漏、不可錯過)。
通常情況下,超聲測厚不需要超聲波傳遞得太遠(如果太厚,就不需要太精確的測量了),所以在超聲測厚中,儀器的標稱范圍,其上限一般都會是508mm,這個上限數值是一種“歷史沿革”,即最早的超聲波測厚,有幾個邊界條件:
1,介質的超聲波聲速在5900m/s上下;
2,只考慮超聲波在介質中的散射衰減、且該衰減水平與普通碳鋼(比如45#鋼)相近;
3,儀器的電路結構所能給予換能器(也就是探頭)的能量是有限的;
4,需要多個探頭的交替使用才能覆蓋全量程。
自超聲測厚技術誕生至今,材料學和工藝學的發展豐富多彩,被測介質的聲學特性也呈現出令人眼花繚亂的多樣性,因此,在超聲測厚技術的應用和超聲測厚儀器的選擇上,不能圉于傳統的認知。
超聲測厚儀器的研制、生產和應用,已歷時百年、歷經“五代”。
第一代儀器,采用的是“始脈沖——回波”技術。
即,以“換能器的晶振片起始脈沖”和“第一次底面回波”的時間差為基礎來計算厚度。國內的普通測厚儀基本上都是這種技術。
第二代儀器,采用的是“界面——回波”技術。
即,事先剔除脈沖信號從晶振片開始到被測物表面的時間;
這種技術的出現,其目的本來是為了剔除“晶振片到探頭保護膜的距離”給測厚帶來的誤差,事實上,這個“距離”,與要測的厚度通常不在一個數量級上,因此,其適用性只在一個很窄的范圍內才有意義。這種技術自本世紀初,在國外的儀器中開始有大量的應用,但作為一種“權宜之計”的過渡技術,很快被跨越,不到五年的時間,就讓出了它的“領先地位”。
第三代儀器,采用的是“回波——回波”技術。
即,以“第一次底面回波”和“第二次底面回波”的時間差為基礎來計算厚度;這種技術,與“界面——回波”技術有相同的地方,即,都不用考慮“晶振片到探頭保護膜的距離”帶來的測量誤差,但同樣,只在小范圍內才有適用意義。
這種技術得以應用,其更大意義在于:該技術改變了儀器的電路結構,使得儀器可以給換能器(探頭)更大的能量、并能更好地分檢回波信號,因此,應對“信號衰減”,采用這種技術的儀器比前兩代儀器有了質的提升;也因此,“回波—回波”,成了迄今為止先進超聲波測厚儀共同的技術基礎。
第四代儀器,采用的是“A掃描信號測厚”技術。
前面三代都是“讀數型測厚儀”,不管讀哪幾次波,最終都是靠事先設定的程序由儀器來判定和計算的。而“A掃測厚儀”則是將所有的信號都顯示在屏幕上,由操作者自行判斷、并且可以計算任意兩次波的時間差,也就是說,將測量的主動權交給了操作者,這對于分析型測厚、以及雜波信號較多的測厚非常有幫助;
第五代儀器,采用的是單晶探頭。
前面四代測厚儀,使用的都是雙晶探頭(只有在超薄件測厚中,才有專門的機型使用高頻單晶探頭),而雙晶探頭,由于晶振片排列的結構性因素,超聲波的傳遞呈現出一個“V”型路徑,這意味著,晶振片發射和接收信號的有效面積勢必受到“V”路徑的影響,也就是說,每個雙晶探頭的測厚范圍受晶振片直徑、晶振片斜角的影響較大。
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