实验10 超声测厚
【目的和要求】
1．了解超声波测量厚度的基本方法。
2．初步学会超声波探伤仪的使用方法。
【实验原理】
1．超声波
超声波在各种实际工程和日常生活等领域中有着广泛的应用。
频率为20～2×104Hz之间的波动能引起听觉，称为声波；频率在2×104Hz～1×1010Hz之间的波动不能引起听觉，称为超声波。
它除了具有波的一般性质外，还有一些特有的性质。
由于超声波波长短，衍射现象不显著，所以其传播的方向性好，近似直线传播。
由于超声波频率高，所以功率大，穿透能力强。
利用超声波传播能量大，方向性好，以及在不同介质的界面上具有反射的特性，人们用它来测量工件厚度及探测工件内部缺陷。
用超声波测厚及探伤时，有一个很大的特点，就是探头只需与被测工件的一个表面接触就行了。
在水利电力工程中，有大量预埋构件和各种管道和器件在投入使用后，要经常利用超声波探测厚度和内部缺陷，从而了解其腐蚀及损耗情况。
2．超声波的获得
应用超声波测厚或探伤首先要解决的问题是如何产生和接收超声波。
探伤仪中的探头就是为解决这个问题而设计的。
探头主要是利用某些晶体具有压电效应来制作的。
我们知道，某些物质（如石英、电气石等晶体）在应力作用下产生应变（压缩和伸长）时，晶体中会产生极化电场，这种现象叫压电效应。
相反，当晶体处于电场中时，由于极化作用，在晶体中也会产生应变，这种效应叫逆压电效应，也叫电致伸缩。
当一个电脉冲加到用压电晶体制作的探头上时，探头的晶片就会产生强烈的振动，而向被测试件内发射超声波，如图22-1所示。
当超声波在工件内遇到缺陷或是遇到了分界面时，就服从反射定律反射回来。
回波中一部分被探头接收，立即转变成电脉冲信号，并在荧光屏上显示为B1脉冲波。
那些未被探头接收的回波，将从上界面反射回底面，又第二次被底面反射回来，形成二次回波。
其中又只有一部分被探头接收，在荧光屏上显示出B2脉冲波。
同理，经过多次反射后，在荧光屏上呈现出B1，B2，B3，…，B n个回波讯号，如
图22-2所示。
3．测厚原理 （1）查图法
荧光屏上横向扫描线OO ′的的距离代表超声波在工件内传播的时间，叫时基线；纵向幅度（波高）表示回波的强弱，起始点O 的脉冲波T 是进入工作时的信号，叫始波。
由于超声波在同一介质中传播速度是一个常量，所以，工件底面的第一个反射回波在荧光屏上距始波的距离（即刻度1τ）与2倍工件厚度2d 相对应；第二个反射回波距始波的距离（即刻度2τ）与4倍工件厚度4d 相对应。
依次类推，第n 个反射回波距始波的距离（即刻度n τ）就与2n 倍工件厚度2nd 相对应。
显然，我们可以认为时基刻度1τ，2τ，…，n τ分别成比例地对应着d ，2d ，…，nd 的厚度。
图22-1 超声波在工件内的传播
图22-2 回波图
为了准确地探测未知工件的厚度，可预先制作一个与该未知工件同材料具有厚度d 的标准试块，调节探伤仪，测定出一组1τ，2τ，…，n τ，即可画出探伤仪此时的探测厚度与时基刻度的关系曲线，如图22-3所示。
利用这一曲线可以探测出与其相同材料的其他工件的厚度。
例如某一相同材料工件底面第一个反射回波B 位于时基刻度b τ处，如图22-4所示，即可从图22-3的曲线上查出与b τ对应的厚度d b 。
又如当该试件内有一缺陷，则在荧光屏上b τ前的f τ处将发现较第一个回波B 弱一些的缺陷反射波F ，这时可以从曲线上查出与f τ对应的厚度d f 。
由此可知，被探工件在探头所在处以下d f 处存在一个缺陷。
这就是超声测厚和超声探伤的原理。
图22-3 时基刻度与厚度关系曲线图22-4底孔反射图
（2）计算法
当仪器时基线性较好时，测厚可以不借助曲线，直接用公式计算出来。
因仪器线性好，在时基线上各次反射的回波信号必然等距，如图22-2所示。
设回波
的间距为τ，令
τ
d
k=（k为常量），它表示了单位时基刻度所对应的厚度。
显然，
未知工件的厚度
b
b
k
dτ
=，缺陷的深度f
f
k
dτ
=。
本实验为避免仪器时基线引起测厚的误差以及加强作图训练，仍采取查图法进行。
【实验仪器】
AS-4型超声波探伤
仪一台、半圆形标准试块
一个、圆柱形带缺陷待测
工件及米尺各一个。
【实验内容】
1．制作厚度d与时
基刻度τ的关系曲线
（1）开启面板电源
开关，可听见仪器内部发
出频率为8kHz微弱音响，表示仪器电源工作正常。
约20秒钟后荧光屏上应出现扫描基线。
小电器拨“充电”，不要“整流”
（2）打开仪器上的小盖板，调节里面的“辉度”旋钮至基线亮度适中，再调节“聚焦”与“辅助聚焦”旋钮，并与“辉度”旋钮配合。
反复调节，使波形最清晰为止（有些型号的探伤仪未设此调节功能）。
1—“发”插座；2—“收”插座；3—工作方式选择；4—增
益微调；5—粗调衰减器；6—细调衰减器；7—示波管；8—
深度微调；9—深度粗调；10—脉冲移位；11—电源开关；
12—低压指示；13—电源插孔（位于机后面板）
图22-5 探伤仪面板图
（3）调节仪器面板上的“脉冲移位”旋钮使始波前沿与0位对齐。
（4）在仪器左侧中间为工作方式选择开关，”位置，此时是单探头同时发射和接收超声波，再将探头放在半圆标准试块上。
探头与试块间涂以适量机油以排除空气间隙。
（5）“衰减器调节”分粗调和细调两部分。
能使工作中的杂乱反射不予显示，但容易把小缺陷漏去，在不影响判伤的情况下，应尽量不用衰减或少用衰减。
（6）调节面板上“增益”、“衰减”旋钮，使其达到所需灵敏度。
面板上的
强弱开关主要是改变超声发射功率。
对于一般的探伤，可将开关置于右边处。
（7）深度调节。
此控制器按档级改变扫描速度，调整探测深度。
根据探测工件的厚度，本实验可选择50mm 档级。
（250mm 会使波形非线性）
（8）“深度微调”旋钮是作为探测深度的连续调整，当深度档级确定后，调整微调旋钮使一次回波(晃动探头, 波峰会变化)前沿对准基线的1刻度，第10次回波前沿近似对准10刻度，将荧光屏上各次回波所在处时基线的刻度值记于表22-1中。
以时基刻度为横坐标，以厚度为纵坐标，用坐标纸作出曲线，从而得到半圆形标准试块的d ～τ关系曲线。
标准才件厚25mm 。
表22-1
2．探测钢质圆柱体高度及底孔位置
（1）保持仪器深度调节的粗调和微调旋钮位置不变（切记勿变！），在待测圆柱体圆面上涂以机油，再将探头放置该面上，并左右、前后移动探头，同时配合使用增益、衰减和抑制等旋钮，至使底面及底孔反射清晰可见。
（2）记下f τ和b τ，改变探头位置，测量4次记于表22-2中。
（3）从制作的厚度—时基刻度曲线上，分别查出与f τ和b τ对应的厚度d f 和d b ，记入表22-2中。
表22-2
（4）用钢尺量出圆柱体的厚度b d '，改变位置测量4次，记入表22-2中，将
b d 与b
d '进行比较，计算误差。
圆柱体的高度16cm, 孔深2cm 。
3．运用超声波探伤仪测水深（选作实验）
本实验需超声波探伤仪一台、可向水中辐射超声波的探头（水浸探头）一支、厚2.50cm 的钢质半圆试块一个、钢尺一支、盛水杯一个。
提示：（1）已知超声波在钢中传播的速度v 钢为5880～5950m/s ，超声波在水中传播的速度v 水为1400m/s 。
（2）假设探头在钢及水中探得底面回波均在时基线上同一刻度τ（即τ钢
=
τ
水
）处，则在此相等的时间内，对应的钢厚d 钢与对应的水深d 水有以下关系：
水
水钢
钢v d v d = 所以
钢
钢
水水d v v d =
（3）基于以上原理，我们可以借助于实验室已有的钢质半圆试块，制作一条时基刻度与厚度的关系曲线，再利用这一曲线，查出水深时基刻度所对应的钢厚，从而换算出水深，并计算误差。
实验步骤及记录表格等自拟。
【思考题】
1．结合压电现象的正、逆效应，说明本实验如何解决超声波的产生和接收？ 2．实验中为了消除无用的噪声信号，并使有用的回波信号显示出来，需将哪些旋钮配合调节达到目的？。
