超声波测厚仪及其工作原理

由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁程度关系不密切。所以，超声波脉冲反射法是最常用的一种测厚方法。超声波测厚仪根据其工作原理，可以分为共振法、干涉法及脉冲回波法3种主要方法。

（一）测量原理

脉冲反射式超声测厚原理是测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度。

样品厚度的计算公式为：

式中，d——样品厚度；

c——超声波速度；

t——超声波从发射到接收回波的时间间隔。

需要注意的是，不管是超声波测厚仪（测距）还是超声波探伤仪，使用的超声波脉冲一定是窄脉冲，所以超声波换能器（应具有宽频带、窄脉冲特性）必须用窄脉冲激励。否则，发射脉冲与反射脉冲以及反射脉冲之间将会产生重叠现象，影响测量。

（二）超声波接收电路

由于换能器是电容性的，通常选用共射-共集连接的宽频带放大器。因为超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号，所以接收电路在设计时必须考虑以下因素：

一是放大器要以足够宽的频带，使脉冲信号不失真；

二是足够大的增益，至少要60dB的增益，这时既要防止放大器的饱和，又要防止其自激；(www.xing528.com)

三是脉冲放大电路与接收换能器之间的阻抗要匹配，使接收灵敏度与信噪比最佳；

四是前置放大电路必须是低噪声的。

（三）超声波发射电路

超声波发射电路由超声波大电流脉冲发射电路和抵消法窄脉冲发射电路组成，实际上是超声波窄脉冲信号形成电路。

首先是超声波大电流脉冲发射电路。

图4-16是一种典型的超声波大电流脉冲发射电路原理图。在测厚仪中，通常采用复合晶体管做开关电路。当同步脉冲到来时，复合管突然雪崩导通，充有较高电压的电容C迅速放电，形成前沿极陡的高压冲击，以激励超声波探头产生超声发射脉冲波。

图4-16　超声波大电流脉冲发射电路

其次是抵消法窄脉冲发射电路。

抵消法窄脉冲发射电路见图4-17。抵消法窄脉冲发射电路能发射一个只保留前半周期的窄脉冲信号。从主控器来的正脉冲信号经过2条通路施加到换能器上。一路是经VT2倒相放大成为负脉冲，通过VD1加到换能器上，使它开始作固有振荡。另一路是先经过电感L1、L2和变容二极管VD3、VD4组成的延迟电路，使脉冲信号延迟一段时间，然后再经VT1倒相放大，通过VD2加到换能器上，使它在原来振动的基础上，选加一个振动。调节电位器W1和W3可控制2脉冲信号的幅度；调节W2可以改变变容二极管VD3和VD4的结电容，从而使脉冲信号的延迟时间在一定范围内变化。通过调节幅度与滞后量，可使2个振动互相叠加后，除了开始的半个周期外，其余部分都因振幅相等、相位相反而互相抵消，使换能器输出窄脉冲。

图4-17　抵消法窄脉冲发射电路