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影响超声波测厚仪准确度的因素

2023-10-31 [491]

优质超声测厚仪可以对金属、塑料和其他材料进行高度准确的检测。 但是,与被测材料、检测设备、工件几何形状,以及用户技能和用心程度相关的多种因素都会影响某个具体的检测应用所能达到的准确程度。请继续阅读,了解可能会影响超声检测结果的因素。

与材料相关的因素

被测材料的物理特性是一个会影响超声测厚仪的测量范围和准确度的一个因素。其中包括声学和几何学方面的因素。

1. 被测材料的声学特性

某些工程材料的多种条件可能会限制超声厚度测量的准确度和范围。

  • 声波散射:在铸造不锈钢、铸铁、玻璃纤维和复合材料中,声能会从铸件中的单个晶粒边界,或玻璃纤维和复合材料中的纤维与基体之间的边界散射开来。各种材料中的孔隙也会具有同样的效应。为防止探测到这些无用的散射回波,需确保对仪器的灵敏度进行调整。但这种补偿也会削弱仪器探测来自材料底面的有效回波的能力,从而会限制测量范围。

  • 声衰减或声吸收:在许多如低密度塑料的聚合物和大多数类型的橡胶中,声能在超声测量所用的频率下,衰减得非常快。这种衰减通常随着温度的升高而增加。这些材料的可测最大厚度往往受到声衰减的限制。

  • 声速变化:只有在材料声速与仪器校准的声速一致的情况下,超声厚度测量才会准确。在某些材料中,声速在不同的位置(一点到另一点)会表现出很大的变化。这种情况会出现在某些铸造金属中,因为这些材料的晶粒结构会因不同的冷却速度发生变化,而晶粒结构的变化会使声速产生各向异性现象。玻璃纤维由于树脂/纤维比率的变化会产生局部声速变化。许多塑料和橡胶在受到温度影响时,声速会快速发生变化,因此针对这些材料,要在实际测量时的温度条件下进行声速校准。

  • 相位颠倒或相位失真:回波的相位或极性由边界材料的相对声阻抗(密度 × 声速)决定。超声测厚仪假设在通常情况下,被测工件与空气或液体交界,而空气和液体的声阻抗都低于金属、陶瓷或塑料。但是,在某些特殊情况下,如在测量金属表面上的玻璃或塑料衬层,或测量钢表面上的铜镀层时,这种阻抗关系便颠倒过来,回波也会出现相位颠倒。为了在这种情况下保持测量的准确性,需确保将回波探测极性更改为适当的选项。更为复杂的情况会发生在各向异性或均质材料中,如粗粒金属铸件或某些复合材料,这些材料的材质条件会导致在声束区域内出现多重声程。在这些情况下,相位失真会产生一个无法清晰界定正负的回波。在这些情况下,需要细心使用参考标准试块进行实验,以确定影响测量准确度的因素。

2. 被测材料的物理特性

要确定测量范围和准确度,还必须考虑被测样件的尺寸、形状和表面光洁度。

  • 被测样件的表面粗糙度:当被测样件的表面和底面都很光滑时,可以获得很高的测量准确度。如果接触面很粗糙,则所能测到的最小厚度值会因为增厚的耦合层中出现声反响而增大。低效耦合可能会降低回波波幅。此外,如果被测样件的表面或底面非常粗糙,由于探头看到的多个声程略有不同,可能会出现回波失真情况,进而导致测量不准确。

    在腐蚀测量中,被测样件外表面松动或剥落的结垢、锈蚀、腐蚀或污垢会影响从探头向被测材料发出的声能的耦合效果。因此,在测量之前,要用钢丝刷或锉刀清除样件上任何松散的碎屑。一般来说,只要锈蚀区域光滑,且仍然附着在下面的金属上,测厚仪就可以透过较薄的锈蚀层完成腐蚀区域的厚度测量。请切记,某些非常粗糙的铸件或锈蚀的表面可能需要使用锉刀或砂纸打磨成平滑的状态,以确保获得适当的声耦合。如果漆层从金属上剥落,则可能还需要去除漆层。

  • 被测样件的曲率:与被测样件曲率相关的一个问题是探头与被测样件的对直情况。在曲面上进行测量时,一定要将探头放置在样件曲面的中心线附近,并尽可能使探头稳定地贴附在表面上。使用一个装有弹簧的V型探头支架有助于保持探头与样件的对直状态。一般来说,随着曲率半径的减小,探头的尺寸也应减小,而探头与样件的对直状态也会逐渐变得更加重要。对于曲率半径非常小的工件,需要使用聚焦探头进行水浸检测。在某些情况下,观察显示的波形有助于保持探头与样件的对直状态。此外,在曲面上测量时,一定不要使用过多的耦合剂量,只要能够获取读数即可。过多的耦合剂会在探头和被测表面之间形成圆角,声波会在此处回响,并可能产生虚假信号,生成错误读数。

  • 锥度或偏心度:如果被测样件的接触面和底面呈锥形、偏心或以其他方式相互倾斜或错位,则回波的波幅会降低,并可能会由于声程在整个声束宽度上的变化而失真,进而会降低测量的准确度。通常情况下,测得的厚度代表声束直径中变化厚度的近似积分平均值。如果错位严重,则无法进行测量,因为反射声束会形成一个远离探头的V形声程,无法被探头接收。这种影响会随着材料厚度的增加而变得更大。

与操作人员相关的因素

校准:任何超声测量的准确度都取决于校准时是否准确、用心。需确保在更换被测材料或探头时,进行第4节中所述的声速校准和零位校准。此外,我们建议使用厚度已知的样件进行定期核查,以验证测厚仪是否运行正常。

  • 声束对直:在平面上进行检测时,始终要将探头平放在被测表面上;在曲面上进行检测时,始终要使探头保持与曲率半径垂直的状态。在曲面上进行检测时,始终要使探头处于曲线的中心。否则会导致回波失真,对准确度产生负面影响。

  • 耦合技术:在使用接触式探头的模式1测量中,所测的厚度值包含耦合层的厚度,耦合层厚度会通过零位偏移得到补偿。要获得很高的准确度,耦合技术一定要可靠稳定。为了获得稳定的测量结果,耦合剂量不要太多,能获得稳定读数就行,而且要对探头施加均匀的压力。实践证明,适中到较强的力度可生成具有可重复性的读数。此外,不可在粗糙的表面上刮擦、拉动探头。一般来说,对于小直径探头,施予较轻的力度便可挤出多余的耦合剂,而大直径探头则需更大的力度达到相同的效果。在所有模式中,探头倾斜了,回波就会失真,产生不准确的读数。

    对小直径管道和管子进行腐蚀测量时,要以如下方式放置探头:探头面上可见的声障材料要与管道的中心轴垂直对齐,如下图所示。

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与设备相关的因素

虽然数字采样率等仪器设计因素会设定超声测量仪的可测厚度范围和测量准确度,但具体应用中的厚度范围和测量准确度最终要取决于测厚仪、探头、设置以及与材料相关因素的综合考量。



在高温或水下等特殊条件下进行超声测量需要考虑更多的因素。如果您计划在以下情况下使用超声测厚仪,请遵循这些建议,以确保检测安全并获得准确的结果。

高温超声检测

在高温(约50 °C以上)下进行测量需要细心做好规划。用于腐蚀应用的许多双晶探头可以承受高温,在某些情况下,可短暂接触高达500 °C的高温表面。而标准接触式探头如果暴露在约50 °C以上的高温环境中, 就会损坏或损毁,因为用于制造探头的材料的热膨胀系数不同,会在高温下出现脱粘现象。千万不要在温度过高、无法用手指舒适触摸的表面上使用接触式探头。此外,一定要在模式2或模式3中使用单晶探头进行高温测量,探头可以是延迟块式探头(装有适当的高温延迟块),也可以是水浸探头。

所有材料的声速都随温度而变化,通常会随着材料变冷而增加,随着材料变热而减小,在冰点或熔点会出现急剧变化。这种影响在塑料和橡胶中要比在金属或陶瓷中大得多。为获得更好的准确度,要在与测量温度相同的温度下校准测厚仪的声速设置。请注意,使用设置为室温声速的测厚仪测量高温材料通常会导致结果出现重大错误。最后,在温度高于约100 °C时,我们建议使用特殊的高温耦合剂。

使用超声测厚仪进行在线测量

在生产线上或处理过程中进行的超声厚度测量可以持续对移动的产品进行测量,如挤压成型塑料管道和管子、电缆护套和钣金等。多通道仪器可以在管状产品圆周上或板材整个宽度上的不同位置进行测量。在线测量通常使用水浸式探头进行,这种探头通过水槽或水层耦合声能,以避免与产品直接接触。对于挤压成型管道、管子和电缆护套,通常可以将冷却水作为耦合剂,在现有冷却槽内进行测量。为了保持探头与被测材料正确对直的状态,需要将探头固定住。

使用长探头电缆进行超声检测

超声测厚仪最常使用的是约1米长的探头电缆。除非检测条件所需,一般不建议使用很长的电缆。在常见检测频率下,如果电缆长度超过约3米,则应考虑电缆效应,因为可能会出现负面影响。在特定情况下,可使用的最大电缆长度取决于探头类型和要测量的最小厚度。请注意,双晶探头可以使用比单晶探头长得多的电缆;在适当仪器设置下,可能长达100米。要特别注意探头与电缆的电气匹配问题,考虑到电缆中信号的衰减,并补偿脉冲通过电缆的传输时间。

水下超声检测

一些腐蚀测量应用涉及到诸如测量浸在水中的支撑桩或船体的厚度等情况。虽然大多数标准接触式、延迟块式和双晶探头可以短暂浸入浅水中而不会出现问题,但长期浸泡或深度浸泡(深度超过约2米)最终会使探头因腐蚀和水的侵入而出现故障,尤其是在盐水中。对于深水海洋应用,通常使用防水双晶探头,这种探头经过密封可防止在高压下水的侵入。如上所述,这类探头可用于大约100米的深度。

在通过环氧树脂漆等涂层或其他保护性表面进行测量时,有一些因素需要考虑。

钢材料上的油漆、环氧树脂和类似的保护涂层通常会在腐蚀测量应用中引发潜在的问题。由于非金属涂层的声速通常约为钢的一半,因此涂层可能会给测量结果增加两倍于其实际厚度的误差。

为什么准确测量涂层很重要?

涂层厚度对产品质量、工艺控制和成本控制有着重大影响。有助于确保涂层发挥其预期功能的两个因素是涂料的质量和涂层的厚度。准确测量涂层可以保证满足各行业的要求。超声测厚仪是一种无损检测仪器,只需接触到被测材料表面的一侧,就可以准确地测量涂层的厚度。

超声涂层厚度测量技术

用于测量涂层管道和工件厚度的两种技术是回波到回波测量和穿透涂层(THRU-COAT)测量。每种技术都有优点和缺点:

回波到回波测量:

回波到回波测量技术,奥林巴斯38DL PLUS和45MG测厚仪(可选)都提供,这种技术在测量管道或其他金属结构的剩余壁厚时不会测量涂层的厚度。这种技术对两个连续底面回波之间的间隔计时,以获得不含涂层的金属材料的准确厚度(因为多重底面回波出现在金属中,而一般不会出现在涂层中)。

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回波到回波技术的优势特性如下:

  • 可以使用各种普通探头

  • 通常可以透过粗糙表面的涂层对材料进行测量

  • 如果使用适当的探头,可对温度高达500 ℃左右的材料进行测量

回波到回波技术的局限性如下:

  • 需要多重底面回波,但是在严重腐蚀的金属中可能无法获得这些回波

  • 与穿透涂层技术相比,有时可测厚度范围会更有限

穿透涂层(THRU-COAT)测量:

穿透涂层(THRU-COAT)测量技术可以分开测量金属厚度和金属上薄薄的非金属涂层(如漆层)的厚度。这种技术使用软件识别声束在涂层中完成一个往返声程所代表的时间段。从总测量值中减去这个时间段,可以计算出金属基底的厚度。如果涂层厚度低于0.125 毫米,或外部涂层表面粗糙或不规则,则穿透涂层(THRU-COAT) 测量可能无法正常完成。

穿透涂层技术优于回波到回波技术的特性如下:

  • 金属材料的可测厚度范围宽泛:在钢材料中,一般从1毫米到50毫米(2英寸)以上。

  • 只需要一个底面回波

  • 测量带有点蚀缺陷的金属材料时,可以更准确地测量金属的最小剩余厚度

穿透涂层技术的局限性如下:

  • 涂层必须为非金属材料,且厚度至少为0.125毫米

  • 涂层表面必须相对光滑

  • 要求使用两种特殊探头的一种

  • 被测材料表面的温度不得超过50 °C


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