超声波测厚技术深度解析：从共振法到脉冲反射法

在无损检测（NDT）领域，精确测量材料或工件的厚度是评估其质量、监测在役设备腐蚀状况以及进行工艺控制的关键环节。超声波测厚技术凭借其单面可及、高精度、高效率的优势，已成为工业应用中的核心手段。从物理原理上看，该技术主要分为共振法和脉冲反射法两大技术路径。

共振法：利用驻波效应的精密测量

共振法的核心思想在于，当压电晶片发射的连续变频超声波在试件中传播时，如果试件的厚度恰好是声波半波长的整数倍，就会在试件内部形成驻波，引发共振。此时，厚度 d 与共振频率 fₙ 的关系可以表述为：

d = n(λ/2) = nc₁ / 2fₙ

其中，n 为任意整数，c₁ 是超声波在试件材料中的纵波速度。当 n=1 时，对应的频率 f₁ 称为基波频率。

在实际操作中，我们并不直接求解这个方程，而是利用两个相邻共振频率的差值来计算厚度。这个差值恰好等于基波频率 f₁：

fₙ - fₙ₋₁ = f₁ = c₁ / 2d

这意味着，只要材料的声速已知，通过共振测厚仪找到两个相邻的共振频率峰值，就能准确反推出试件的厚度。

尽管原理精妙，但共振法的应用受到一系列严格条件的制约：

1. 几何形状：要求试件的两个相对表面必须平行。对于存在斜度的表面，其最大可测斜度 m (cm/cm) 受限于仪器最高频率 f 和晶片尺寸 l (cm)：m = 2.50 / fl。
2. 厚度均匀性：若试件厚度变化超过20%或一个声波半波长，不同位置的共振频率可能会发生重叠（例如，最薄处的 n 次共振与最厚处的 (n+1) 次共振频率相同），导致无法测量。
3. 表面状况：试件背面的粗糙（如腐蚀面）会产生微弱的、贯穿整个频率范围的共振信号，干扰主峰值的识别。而入射表面的凹凸不平会造成声束散射，其负面影响甚至比背面不平更为严重。
4. 测量范围：可测的最小厚度由频率决定。以钢材为例，当频率为 20MHz 时，可测厚度能小至 0.13mm。若频率继续提高，声衰减会急剧增大，使得形成稳定共振变得困难。
5. 仪器精度：方法的最终准确度高度依赖于仪器电路的设计。采用精密的调频技术和优化的电路布局，可以获得非常尖锐的共振峰，从而提升频率读数的准确性。

脉冲反射法：工业应用的主流技术

与共振法不同，脉冲反射法是目前工业应用中最广泛的技术。其原理更为直观：测量一个超声短脉冲从换能器发出，穿过试件到达其背面，再反射回换能器所经历的时间。厚度 δ、声速 v 和往返时间 t 的关系式非常简洁：

δ = vt / 2

公式中的 2 正是代表了超声波走过了一个“去”和“回”的完整路径。根据所选用的回波和测量方式的不同，脉冲反射法可以细分为三种主要的操作模式。

方式1：直接接触法

这是最简单直接的测量方式，通过直接接触型探头，测量激励脉冲与第一次或第二次背面回波之间的时间。对于厚度不低于约0.5mm的钢材或0.125mm的塑料，且精度要求不大于±0.025mm的常规应用，此法通常是首选。

然而，测得的时间间隔中，除了纯粹的声波在试件中的传播时间，还包含了脉冲穿过探头耐磨层、耦合剂的微小时间增量，以及电缆延迟和信号上升时间等带来的系统误差。为了补偿这些因素，现代测厚仪都具备“零点校准”功能。当更换不同频率的探头时，通常需要使用两块与被测工件声学性能相同（或声速已知）、厚度精确已知的标准试块来重新进行校准。

探头的选择至关重要。通常，采用更高频率和更小直径的探头能获得更可靠、重复性更好的结果，因为高频信号的上升沿更陡峭，有利于提高计时精度。在曲面上测量时，探头的尺寸应随曲率半径的减小而减小，并且耦合剂的用量应尽可能少，以避免因耦合层内的声混响引入噪声。

方式2：延迟块/水浸法（界面-底面回波）

此方法使用带有延迟块或通过水浸方式的探头，测量的是延迟块/试件界面回波（S）与试件第一次背面回波（B）之间的时间间隔。

采用此法的前提是必须能产生清晰可辨的界面回波。当试件的声特性阻抗与延迟块（如聚合物）或水非常接近时（如软塑料、硅胶），界面反射会非常微弱，可能导致无法可靠检测。此时，对于延迟块探头，可以尝试更换其他声阻抗差异更大的延迟块材料；但对于水浸法，要找到合适的替代液体则相当困难。

在电路实现上，通常有两种将时间 Δt 转换为厚度读数的策略：

1. 调整时钟频率：以一个基准声速（如10000 m/s）和固定的时钟频率（如50 MHz）为基础。对于声速不同的材料（如钢，5900 m/s），只需将时钟脉冲乘以一个系数（0.59）再送入计数器，就能使显示值与实际厚度值保持一致。这种基于晶体振荡器的电路性能稳定，是目前的主流方案。
2. 调整时间增益：保持时钟频率不变，通过一个时间放大器来调整Δt的放大倍数，使其与材料声速相匹配。但时间放大器可能存在漂移和非线性问题，影响电路的稳定性和线性度。

方式3：高精度模式（多次底面回波）

当测量薄壁工件或对精度有极高要求时，方式3是最佳选择。它测量的是第一次背面回波（B1）和第二次背面回波（B2）之间的时间间隔。此方法尤其适用于金属、陶瓷、玻璃等声特性阻抗较高的工程材料。

使用带延迟块的探头，其测量范围通常在0.075mm至12.5mm之间。对于曲率半径小于3mm的工件，水浸探头能提供更好的耦合效果。为保证精度，要求工件上下表面平行，且表面粗糙度优于Ra 3μm。

此方法在理论上消除了延迟块和大部分耦合剂带来的误差，但一个被称为K的修正因子仍然存在。其数学表达为：

t = 2δ₁/c₁₁ + K

K因子的物理本质源于反射界面的复杂性。第二次背面回波并非单纯地在“耦合剂/试件”界面反射，也可能在“耦合剂/延迟块”界面反射。在耦合剂层极薄的情况下，这两束反射脉冲会发生干涉，从而引入一个微小的时间修正量K。研究表明，K值与探头-耦合剂-试件系统的声阻抗匹配、频率以及耦合剂厚度密切相关。例如，使用高声阻抗的碳化钨作延迟块，K值对耦合剂厚度的微小变化会非常敏感。而在高频（>10MHz）下，只要耦合剂层足够薄（<0.1mm），K值通常可以忽略不计。

在使用水浸探头进行高精度测量时，必须通过示波器监控回波波形，以避免误判，如下图所示的一些典型错误情况。

图(a)为理想情况；图(b)显示了因波形不清导致的周期跳跃错误；图©则是在水程过长时，错误地在一次底面回波和模式转换产生的横波回波之间进行了测量。

影响测量精度的关键变量与对策

获取一个准确的厚度读数，远不止是“按下按钮”那么简单。多种物理和操作变量都可能引入误差。

• 声速的变异性：材料的声速并非一个恒定值，它会受到晶体结构、温度、内部应力、孔隙率等多种因素的影响。在各向异性或非均质材料（如粗晶铸件、复合材料）中，声束路径可能变得复杂，导致回波信号相位畸变，波形模糊不清。如果这种影响是系统性的，可以通过零点校准补偿；但如果是随机变化的，高精度测量将无从谈起。对于高温环境下的测量，还必须对材料热膨胀和声速随温度的变化进行修正。

• 声束与几何效应：

  • 相位反转：当声波从低声阻抗介质（如延迟块）入射到高声阻抗介质（如钢）时，界面反射波和底面反射波的相位会相反。如果仪器闸门仅靠脉冲的单一极性（正向或负向）触发，就会产生半个周期的计时误差。因此，现代精密测厚仪通常都配有波形显示和极性切换功能。
  • 入射角度：理论上要求声束垂直入射。任何倾斜都会因折射导致声程变长，从而改变传播时间。对于曲面或厚度不均的区域，使用聚焦探头可以减小声束尺寸，但同时也要注意折射带来的新问题。审慎选择与工件匹配的探头是保证准确性的前提。

• 外部系统因素：在水下检测等特殊应用中，需要使用长电缆。电缆长度会影响信号的完整性，尤其是在高频下。例如，对于20MHz的探头，超过1米的电缆就可能因电缆自身的反射而干扰波形。因此，针对具体应用对长电缆的影响进行实测评定是必要的。

综上所述，要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置、操作手法以及环境因素的理解都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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