脉冲反射法在地质勘探中的应用

脉冲反射法是通过测量由换能器产生的超声短脉冲，经过材料厚度从背面反射，再回到换能器所需的时间来进行的，试件的厚度可用如下的关系式表示：

式中 δ——试件厚度；

υ——声在试件材料中的速度；

t——所测得的往返时间。

根据测量往返时间所选用的回波，可将测量方式分为三种。

1.方式1

用直接接触型探头测量激励脉冲和来自试件的第一次背面回波和第二次背面回波间的时间，由式（3.5-1）可得厚度。

这是最简单易行的方式，只要最小厚度对于钢不低于约0.5mm，对于塑料不低于约0.125mm，所要求的准确度不大于±0.025mm通常均可采用。

用这种方式测量时，在激励脉冲和一次背面回波之间的时间间隔，包含代表脉冲通过探头耐磨板和耦合剂的小的时间增量，以及由于电缆延迟和由于回波上升时间或频率含量所引起的小时间增量。为补偿这些因子，测量仪提供有零点位置修正的功能，可将之从总的测得时间中减去。每当换能器频率改变时，通常也必须调整零点位置，这可用两块声性能与试件相同（或声速已知）、厚度不同但已知的试块，利用它们的一次背面回波来进行。

选择合适的直接接触型探头时，要考虑试件材料的声性能及试件的厚度和几何形状。通常，用最高可用频率和最小的直径可获得较为可靠和可重复的结果。换能器频率愈高，所得信号上升时间愈快，从而可提高测量的准确度。在曲面上进行接触法厚度测量时，换能器的尺寸通常应随试件曲率半径的减小而减小，而且，在探头和试件曲面之间耦合剂的量应是最少的，过多的耦合剂会由于声在耦合剂中的混响而引起噪声。

2.方式2

用带延迟块（或水浸）探头测量一次界面回波和一次背面回波间的时间。

使用此法的必要前提是界面回波的出现。用水浸法检测声特性阻抗与水非常接近的试件（如软塑料和硅）时，用带延迟块探头检测声特性阻抗与延迟块非常接近的试件（如聚合物），界面回波的幅度可能低到不能进行可靠的检测。对于延迟块探头，这问题或可通过更换延迟块材料来解决，对于水浸法则难以解决，因为很难找到一种合适的流体来取代水。

用方式2时，测量时间的具体方法可有如下两种，如图3.5-101所示。

图3.5-101 脉冲反射法测厚原理图

T—发射脉冲 S—延迟块/试件界面回波 B—底面回波

1）按材料中纵波最高速度c_l=10000m/s，计算，当试件厚度δ=1mm时，超声波在试件中一个往返所用时间Δt为

在Δt时间内让计数门打开，如选择时钟脉冲的频率为50MHz，则送入计数器的脉冲数为

N=Δtf=10

利用小数点使显示为1.0，则显示值正好等于试件厚度值，所以只要声速c_l和频率f保持恒定，当试件厚度变化时，显示值始终和厚度值相等。对于纵波速度小于10000m/s的材料，如为5900m/s，可将50MHz的时钟脉冲先乘以系数0.59再去计数，显示值和厚度值即可相等。

2）对于c_l=10000m/s的材料，若选择时钟脉冲频率，f=500kHz即降为50MHz的百分之一，而把Δt放大100倍，这样送入计算器的脉冲数N=Δrf不变，显示值仍和厚度值相等；对于声速小于10000m/s的材料，如声速为5900m/s，可通过改变时间放大器的增益，将Δt放大59倍，即可保持显示值和厚度相等。

上述两种电路各有优缺点，前者当时钟脉冲发生器采用晶体振荡器时电路性能比较稳定，但由于时钟频率比较高，可给计数带来困难。后者因时间放大器可存在漂移和非线性，所以电路的稳定性和线性不易保证，目前多采用前者。很多近代超声测厚仪装有数据记录器，可在随机存取存储器中存储数千厚度测量值以及识别码和调整信息，所存的这些读数可以重现或加载到打印机或计算机上供进一步分析。

上述脉冲反射法的应用注意事项如下：

①如果试件的声特性阻抗大于延迟块的声特性阻抗，则前表面反射脉冲与底面反射脉冲会有相位反转问题，如图3.5-102所示；若用脉冲的正向（或负向）部分打开及停止闸门，在时间上会有增加（或减少）半周的问题，这将造成测量误差。据此，20世纪80年代后期用于精密测量的测量仪均带有波形显示部分，用以核实回波情况；并设有闸门起始和闸门终止的极性转接器。此外，在测量金属基体上玻璃或塑料衬垫厚度时，或测量钢上的铜覆盖层厚度时，界面反射的相位情况同样必须注意。

图3.5-102 在不同介质界面处反射的相位反转(www.xing528.com)

T—发射脉冲 S、B—表面和底面反射脉冲

②在测厚时，要求入射超声束垂直试件前表面。当作非垂直入射时，界面处的折射和所导致的材料程长的增大会改变测得的传播时间。入射声束与界面的相交不是一个点而是一个区域，在试件厚度变化的区域这就将影响测量准确度。例如在1°的楔形件上，1mm直径的声传播区厚度变化可为17μm。为减小声束尺寸可使用聚焦声束，但转而在界面处又会产生折射，改变了波的传播条件，声束进入试件散射效应会进一步改变声束的尺寸的波前。对此，就给定的试件，审慎选择探头以得到合适的声束是重要的。

3.方式3

用带延迟块（或水浸）探头测量一次界面回波后的一次和二次背面回波间的时间。此法通常用于试件比较薄和准确度要求最高的场合。最好用于声特性阻抗大于1×10⁶g/（cm²/s）的工程材料，如大多数的金属、陶瓷和玻璃。在这类材料中相继的背面回波极性都是相同的，相继回波的相对幅度则取决于试件材料与延迟块材料（或水）的声能透射系数。

对于很多的工业应用，带延迟块探头使用较为方便，测量范围约为0.075～12.5mm，视频率和延迟块长度而定。延迟块的直径随试件曲率半径的减小而减小；半径小于3mm宜选用可提供较好耦合的水浸探头。准确的厚度测量要求加工上下平行面，表面粗糙度应优于Ra3μm，并对耦合剂的使用进行修正。

参阅图3.5-103激励脉冲和第一次背面回波之间的传输时间是

图3.5-103 以方式3作超声测厚时的基本配置

式中 c_l1、c_l2、c_l3——试件、耦合剂和延迟块中的超声纵波速度。

激励脉冲和第二次背面回波之间的传输时间为

式中 K——由耦合剂所造成的修正因子。

将式（3.5-2）、式（3.5-3）相减，可得一次，二次背面回波之间的传输时间

如果第二次背面回波脉冲是从耦合剂/试件界面反射的，K应为零。但如果是从“耦合剂/延迟块”界面反射的，K应等于。事实上，反射来自这两个界面，在耦合剂中的传输时间远小于脉冲持续时间的情况下，两反射脉冲是互相干涉的。研究表明，对于石英/甘油/钢系统，耦合剂厚度为0.5mm以下，在频率低于6MHz时，K值可以是非常高的，大于6MHz有相当大的下降，大于10MHz，K值常低于4ns，这相当于0.012mm的钢。当用碳化钨作为延迟块时，因其声特性阻抗比石英高得多，K值增大，耦合剂厚度微小变化引起的K值变化也是高的，而在作人工测厚的过程中耦合剂厚度的变化却是不可避免的。当用声特性阻抗非常低的有机玻璃作为延迟块材料时，K值有明显下降。对于上述的延迟块材料，在不同的耦合剂（如甘油、油）和在15和20MHz频率的情况下，K值很少大于1ns，如果耦合剂厚度保持很薄（在光滑薄试件上小于0.1mm）修正因子K完全可忽略不计。

用水浸探头以方式3测厚，在最初调整时必须用示波器监视回波，几种可能的情况如图3.5-104所示。图3.5-104a表明用聚焦探头调整适当，水程正确的情况。图3.5-104b中，时间间隔的测量在一次背面回波的第一和第二周之间发生错误，当由于未对准和聚焦不当而引起回波含糊不清时，这情况是可能出现的。图3.5-104c说明时间测量错误地在一次背面回波和一模转换横波的回波之间进行了，当采用聚焦水浸探头和当探头与试件表面间的水程太长时，就可能产生。

图3.5-104 方式3测厚时的波形示例

4.注意点

（1）速度变化在测得往返时间后，已知纵波在该试件材料中的传播速度，便可得出试件厚度，但对同一种材料，声速也可不为一常数，而与晶系、温度、结构、残余应力、是否有孔隙等因素有关，这是须注意的。在各向异性或非均质材料（如粗晶金属铸件或某些复合材料）中，材料的状态可使声束区内出现多种声程。此时的相位畸变可使回波既不清楚地属正向，也不清楚地属负向，这需要用对比试块仔细试验以确定其对测量准确度的影响。如果这影响是一致的，常可通过零点位置修正来补偿，但如果回波形状是变化的，则进行高准确度的厚度测量是不可能的。

对于厚度的点测量，当测量是在不同温度下进行时，由于超声波速度和材料的热膨胀的变化，可使测得结果有不同的偏差，对此偏差进行修正，有时是重要的，壁厚膨胀率可写成

式中 R_t——高温时壁厚的膨胀率；

α——材料的热膨胀系数，可经实验测定；

c_a——高温时的实际声速（m/s），可经实验测定；

c——室温时的声速（m/s），可经实验测定。

（2）电缆长度在某些特殊的应用中，如水下检测，需要用长电缆来连接测厚仪和探头。电缆长度以测试性能的影响与探头频率及所要求的最低测量准确度有关。在频率为20MHz时，电缆长度超过1m，电缆的反射将开始影响波形。在频率较低时，稍长些的电缆可以使用，但对于长电缆仍宜根据应用的特殊要求，就其对性能的影响作实测评定。