根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)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(cè)量。按此原理設(shè)計(jì)的可對(duì)各種板材和各種加工零件作測(cè)量，也可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)它們?cè)谑褂眠^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(cè)量方法：
（1）在一點(diǎn)處用探頭進(jìn)行兩次測(cè)厚，在兩次測(cè)量中探頭的分割面要互為90°，取較小值為被測(cè)工件厚度值。
（2）30mm 多點(diǎn)測(cè)量法：當(dāng)測(cè)量值不穩(wěn)定時(shí)，以一個(gè)測(cè)定點(diǎn)為中心，在直徑約為30mm 的圓內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，取小值為被測(cè)工件厚度值。
2、測(cè)量法：在規(guī)定的測(cè)量點(diǎn)周圍增加測(cè)量數(shù)目，厚度變化用等厚線表示。
3、連續(xù)測(cè)量法：用單點(diǎn)測(cè)量法沿路線連續(xù)測(cè)量，間隔不大于5mm。
4、網(wǎng)格測(cè)量法：在區(qū)域劃上網(wǎng)格，按點(diǎn)測(cè)厚記錄。此方法在高壓設(shè)備、不銹鋼襯里腐蝕監(jiān)測(cè)中廣泛使用。
影響超聲波測(cè)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(hào)。對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)量管道等曲面材料。
（3）檢測(cè)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(hào)。
（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(cè)厚探頭表面為丙烯樹脂，長(zhǎng)期使用會(huì)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?？蛇x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(cè)物背面有大量腐蝕坑。由于被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。
（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(duì)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(cè)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?，而且不能栽嵈合（匪N剩┎牧現(xiàn)性人俅?。峨s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?，测厚覊q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(cè)物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測(cè)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(cè)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(cè)材料的表面，但當(dāng)測(cè)量溫度較高時(shí)，耦合劑應(yīng)涂在探頭上。
（13）聲速選擇錯(cuò)誤。測(cè)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(cè)出聲速。當(dāng)用一種材料校正儀器后（常用試塊為鋼）又去測(cè)量另一種材料時(shí)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。要求在測(cè)量前一定要正確識(shí)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(duì)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(dòng)過程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)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(cè)量超聲波脈沖通過被測(cè)件所需的時(shí)間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測(cè)件中的傳播速度求出被測(cè)件厚度。被測(cè)件厚度D可用下式求出：
D＝VT／2（1）
式中V為被測(cè)材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測(cè)件兩表面之間往返一次的時(shí)間。
脈沖反射式超聲波測(cè)厚的原理簡(jiǎn)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(dòng)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(lì)壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波，超聲波在被測(cè)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(hào)，經(jīng)放大濾波后，由計(jì)時(shí)電路測(cè)出聲波在被測(cè)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(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)給LCD顯示器進(jìn)行厚度顯示。
3 測(cè)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(cè)量
往返時(shí)間的測(cè)量有以下三種方法：
（1）測(cè)量發(fā)射波T與*次底波B1之間的時(shí)間；
（2）測(cè)量*次底波B1與第二次底波B2之間的時(shí)間；
（3）測(cè)量其后任意兩相鄰波之間的時(shí)間。
以上三種測(cè)量方式的選擇可以通過不同的電路來實(shí)現(xiàn)，但它們對(duì)儀器的性能有很大的影響。如果選擇*種測(cè)量方法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測(cè)量方法，由于脈寬窄，能探測(cè)薄的材料，此時(shí)若用高頻探頭（10MHz），就能探測(cè)更薄的材料，因而拓寬了儀器測(cè)量下限。如果選擇第三種測(cè)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(cè)量方法的測(cè)量電路較復(fù)雜，成本較高。我們?cè)谘兄七^程中，考慮到量程要求，采用了第二種測(cè)量方法。為了方便實(shí)現(xiàn)電路，我們?cè)诎l(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(cè)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(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)?，使儀器的精度達(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(guó)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(cè)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(jí)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(hào)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(duì)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(duì)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(cè)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(jiǎn)單
整個(gè)操作鍵僅五個(gè)，不需任何操作訓(xùn)練。
（3）自動(dòng)校準(zhǔn)
如（1）式所示，要想得到的測(cè)量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測(cè)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?cè)趦x器中采用自動(dòng)設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動(dòng)校準(zhǔn)目的。
（4）測(cè)量狀態(tài)顯示
可由儀器提示是測(cè)材料厚度還是測(cè)聲速。如測(cè)聲速則輸入厚度值；如測(cè)厚度則首先進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)后即可測(cè)量。還可通過顯示屏上的顯示符號(hào)可知當(dāng)前測(cè)厚儀是處于哪一種測(cè)量狀態(tài)，提示操作者。
（5）耦合狀態(tài)顯示
如果在測(cè)量操作中，測(cè)量探頭和工作面耦合得不好，立即會(huì)有一個(gè)符號(hào)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(chǎng)操作時(shí)打開背光。
（7）公英制轉(zhuǎn)換
主要考慮到測(cè)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(dòng)報(bào)警。
（9）數(shù)據(jù)保存
每次開機(jī)時(shí)自動(dòng)保持上一此測(cè)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(dòng)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(dòng)提醒使用者。
（11）更換不同探頭，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量范圍。
北京時(shí)代新天科貿(mào)有限公司
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