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無損檢測與光電測量儀器

從多個角度分析造成鋼板測厚儀測量不準的原因

文章附圖
鋼板測厚儀測量結果不準確,通常是由操作不當、設備參數設置錯誤、試樣特性異常環境干擾等因素導致的。以下從多個角度詳細分析可能的原因,并說明具體影響和表現:

一、試樣表面狀態問題

  1. 表面存在附著物或污染
    • 原因:試樣表面有油污、銹跡、氧化皮、油漆涂層、灰塵等,會導致超聲波無法有效穿透(空氣間隙會強烈反射聲波)。

    • 表現:測量值偏小(聲波未到達底面就反射)或無讀數,甚至顯示 “Err” 錯誤。

  2. 表面粗糙或不平整
    • 原因:表面凹凸不平、劃痕過深或粗糙度超標(如>6.3μm),會導致超聲波散射、能量衰減,底波信號微弱或不穩定。

    • 表現:讀數跳動大(如同一位置多次測量差值>0.2mm),或顯示值普遍偏小(聲波被粗糙面散射,未完全到達底面)。

  3. 表面曲率過大
    • 原因:凸面(如管道外表面)或凹面(如容器內表面)會導致探頭與表面接觸不良,聲波傳播路徑彎曲。

    • 表現:凸面測量值偏大(聲波傳播路徑變長),凹面易因耦合不良導致讀數不穩定。

二、耦合劑相關問題

  1. 耦合劑選擇不當
    • 原因:耦合劑的聲阻抗與試樣不匹配(如用清水檢測高溫表面,水快速蒸發導致耦合失效;用低粘度耦合劑檢測垂直面,易流淌)。

    • 表現:信號弱、底波不明顯,或測量值忽大忽小。

  2. 耦合劑用量或狀態異常
    • 原因:用量過少(無法填滿表面縫隙)、過多(增加額外聲程),或耦合劑中混入氣泡、雜質。

    • 表現:氣泡會反射聲波,導致測量值偏小;用量過多則可能引入雜波,讀數波動。

三、設備參數設置錯誤

  1. 聲速設置錯誤
    • 核心原因:超聲波測厚公式為厚度 = 聲速 × 傳播時間 / 2,聲速偏差直接導致結果偏差。例如:

      • 鋼的實際聲速約 5900m/s,若誤設為鋁的 6300m/s,測量值會偏大(6300/5900≈1.07,即偏差 7%)。


    • 常見場景:檢測復合材料(如塑料、玻璃)時,未使用材料實際聲速(不同塑料聲速差異可達 500m/s 以上)。

  2. 探頭與試樣不匹配
    • 頻率選擇錯誤

      • 薄壁件(如<3mm 鋼板)用低頻率探頭(如 2MHz),會因分辨率不足導致讀數偏大;

      • 厚壁件(如>50mm)用高頻率探頭(如 10MHz),會因聲波衰減嚴重無法測到底波。


    • 探頭類型錯誤:檢測高溫試樣(如>100℃)用普通探頭,會因探頭晶片性能下降導致信號失真。

  3. 增益或閾值調節不當
    • 增益過低:底波信號弱,儀器可能誤將雜波判為底波,讀數偏小;

    • 增益過高:噪聲信號被放大,導致讀數跳動;

    • 閾值設置過高:真實底波被過濾,顯示 “無讀數”;閾值過低:雜波被誤判為底波,讀數混亂。

四、操作方法不規范

  1. 探頭傾斜或壓力異常
    • 傾斜:探頭與表面不垂直(傾斜>5°),聲波發生折射,傳播路徑變長,測量值偏大(尤其薄壁件影響顯著)。

    • 壓力過大 / 過小

      • 壓力過大(如>3N)會使探頭晶片變形,聲速變化;

      • 壓力過小:耦合不緊密,聲波反射損失大,讀數偏小。


  2. 單次測量或采樣不足
    • 原因:同一位置僅測 1 次,未排除偶然誤差(如耦合瞬間氣泡影響);或未在不同方向測量(如軋制板材因各向異性,不同方向厚度可能差異 0.1~0.5mm)。

    • 表現:結果代表性不足,無法反映試樣真實厚度(如局部腐蝕區域被漏檢)。

五、試樣內部或環境因素

  1. 試樣內部存在缺陷
    • 內部裂紋、氣孔、分層等缺陷會散射或吸收超聲波,導致底波減弱或消失。例如:

      • 管道內壁腐蝕形成凹坑,超聲波提前被腐蝕面反射,測量值偏小(實際剩余厚度更薄);

      • 金屬內部分層會導致多次反射,儀器可能誤將分層界面判為底面,讀數偏大。


  2. 環境溫度影響
    • 高溫環境(如>60℃)會改變材料聲速(金屬聲速隨溫度升高而降低,每升高 100℃約下降 1%~2%),若未修正,測量值會偏大;

    • 低溫環境(如<0℃)可能導致耦合劑凍結,耦合失效,讀數異常。

六、儀器本身問題

  1. 儀器未校準或校準過期
    • 長期使用后,儀器計時電路或探頭性能可能漂移,若未用標準試塊(如 5mm、10mm、20mm 鋼塊)校準,會積累系統誤差。

  2. 探頭老化或損壞
    • 探頭晶片磨損、開裂,或電纜線接觸不良,會導致聲波發射 / 接收效率下降,信號減弱,讀數不穩定。

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