Máy đo thời gian rồi mới suy ra chiều dài
Trong kiểm tra siêu âm xung phản hồi, tín hiệu trở về mang thông tin về đường truyền và tương tác với vật liệu. Chiều sâu hiển thị là kết quả xử lý thời gian cùng mô hình vận tốc. Tài liệu nguyên lý của Evident mô tả quan hệ chiều dày bằng vận tốc nhân nửa thời gian đi về, có thể trừ thêm độ trễ cố định. [1]
Bài này chỉ xét tia dọc truyền vuông góc bề mặt trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, với đường đi và về trùng nhau. Một bề mặt phản xạ phẳng được giả định tạo tín hiệu có thể nhận biết rõ. Không suy kích thước khuyết tật từ biên độ, không quy định ngưỡng chấp nhận và không áp trực tiếp hình học này cho đầu dò góc hoặc đầu dò hai tinh thể có đường chữ V.
Mô hình có độ trễ
Gọi d là chiều sâu theo phương truyền, mm; c là vận tốc âm, mm/µs; t là thời gian đo được, µs; t_0 là tổng độ trễ đã quy về cùng mốc, µs. Khi mô hình tuyến tính phù hợp:
t = t_0+2d/c; d = c(t−t_0)/2.
Vận tốc 5,9 mm/µs tương đương 5.900 m/s. Hệ số 2 xuất hiện vì sóng đi đến bề mặt phản xạ rồi trở về. Nếu dùng dữ liệu truyền qua từ bộ phát sang bộ thu bên kia mẫu, đường truyền khác và không được tự giữ hệ số này.
Theo Evident, hiệu chỉnh vận tốc và điểm không khác với đặt mức tham chiếu biên độ, cũng khác việc chứng nhận đặc tính của riêng máy. Độ trễ có thể chứa phần trong nêm, đầu dò, điện tử, cáp và lớp tiếp âm. [2] Vì vậy một máy còn chứng chỉ không tự tạo ra đúng hệ tọa độ chiều sâu cho mọi cấu hình mới.
Tính từ hai chiều dày đã biết
Dựng bộ dữ liệu giả định với c=5,9 mm/µs và t_0=2,2 µs. Hai bậc mẫu tham chiếu có d_1=10 mm và d_2=40 mm, cho t_1=5,589831 µs và t_2=15,759322 µs. Từ hai phương trình thời gian:
c = 2(d_2−d_1)/(t_2−t_1).
t_0 = t_1−2d_1/c.
Dùng số chưa làm tròn thu lại c=5,9 và t_0=2,2. Một tín hiệu khác có t=10,674576 µs được quy đổi thành d=25 mm. Có thể kiểm chéo bằng công thức nội suy trực tiếp:
d = d_1+(d_2−d_1)(t−t_1)/(t_2−t_1).
Kết quả này không cần ghi trung gian c và t_0 với ít chữ số. Tuy nhiên, nó vẫn giả định quan hệ tuyến tính đúng trong cả khoảng. Thêm một điểm kiểm độc lập giúp phát hiện sai lệch mô hình; hai điểm khớp hoàn hảo không chứng minh toàn bộ dải đều đúng.
Một điểm có thể che giấu vận tốc sai
Giả sử nhập nhầm c*=6,05 mm/µs nhưng vẫn dùng t_0=2,2 µs. Tín hiệu ở 25 mm sẽ được báo thành 25,635593 mm. Đây là sai lệch tỷ lệ, tăng theo chiều sâu khi độ trễ đúng.
Nếu người dùng lại chỉnh điểm không để bậc 10 mm hiện đúng với vận tốc sai ấy, t_0* trở thành 2,284045 µs. Bậc 10 mm lúc này có vẻ hoàn hảo, nhưng tín hiệu 25 mm được báo 25,381356 mm. Tổng quát:
d* = d_1+(c*/c)(d−d_1).
Sai lệch triệt tiêu tại điểm được dùng để chỉnh, rồi tăng theo khoảng cách tới điểm ấy. Trường hợp này giải thích vì sao một phép kiểm đơn lẻ có thể bỏ qua lỗi độ dốc của hệ quy đổi. Cần chọn điểm kiểm phù hợp dải đo và giữ riêng lịch sử cấu hình, không chỉ lưu một kết quả “đạt” tại một chiều dày.
Độ không đảm bảo của phép nội suy
Tại d=25 mm, vị trí nằm giữa hai bậc. Hệ số nhạy theo d_1,d_2 đều bằng 0,5. Hệ số theo t bằng 2,95 mm/µs; theo t_1 và t_2 đều bằng −1,475 mm/µs.
Giả định độ không đảm bảo chuẩn mỗi chiều dày tham chiếu là 0,05 mm, mỗi phép chọn thời gian là 0,02 µs và năm đại lượng độc lập. Cộng phương sai theo các đạo hàm cho:
u²(d) = 2(0,5×0,05)²+(2,95²+2×1,475²)×0,02².
Suy ra u(d)=0,080446 mm. Đây là ngân sách minh họa riêng cho các đầu vào đã nêu. Chưa có phần sai mô hình, không đồng nhất vật liệu hay thay đổi tiếp âm. Không biến nó thành độ chính xác mặc định của một thiết bị thương mại.
Nếu cả ba thời gian cùng bị cộng một sai lệch mốc giống hệt nhau, các hiệu t−t_1 và t_2−t_1 không đổi, nên sai lệch ấy triệt tiêu chính xác. Nếu trễ thay đổi giữa hiệu chuẩn và đo, nó không còn là thành phần chung và không triệt tiêu. Lặp nhiều số đọc cũng không tự loại được một sự dịch mốc mới.
Vật liệu nhiều vùng được cộng theo thời gian
Xét một đường thẳng gồm 10 mm có c_1=5,9 mm/µs và 15 mm có c_2=5,7 mm/µs. Bỏ qua phản xạ trung gian và giả định vẫn nhận được xung đi hết đường. Thời gian trong vật liệu là:
t_v = 2(d_1/c_1+d_2/c_2) = 8,652988 µs.
Vận tốc tương đương để tái tạo tổng chiều sâu 25 mm là 25/(10/5,9+15/5,7)=5,778351 mm/µs. Nó được xác định từ tổng thời gian, không phải trung bình số học đơn giản của hai vận tốc. Nếu vẫn quy toàn đường bằng 5,9 mm/µs, chiều sâu chỉ thị thành 25,526316 mm.
Sonatest lưu ý vận tốc thực có thể khác bảng công bố và thay đổi trong chi tiết do trạng thái vật liệu, kể cả ảnh hưởng xử lý nhiệt. [3] Với mối hàn có tổ chức phức tạp, vấn đề còn có thể gồm dị hướng, đổi hướng truyền và biến dạng dạng sóng. Khi đó mô hình hai lớp thẳng chỉ minh họa một cơ chế sai lệch, chưa mô tả đầy đủ vật hàn.
Nhiệt độ ảnh hưởng cả vận tốc lẫn hình học
Dựng riêng một quy luật giả định c(T)=c_20[1−β(T−20)], với β=0,0004 K⁻¹, c_20=5,9 mm/µs. Ở 120°C, vận tốc mô hình còn 5,664 mm/µs. Nếu chiều sâu thực tại nhiệt độ đo là 25 mm mà máy vẫn dùng c_20, kết quả thành 26,041667 mm.
Hệ số β vừa chọn chỉ phục vụ tính toán, không phải dữ liệu thép hay khuyến nghị hiệu chỉnh thực tế. Bài toán cũng đã cho chiều sâu ở trạng thái nóng; muốn suy chiều sâu ở 20°C phải bổ sung giãn nở nhiệt. Hiệu chỉnh tốc độ âm và quy kích thước về nhiệt độ tham chiếu là hai bước có mục tiêu khác nhau.
Sonatest nêu rằng nhiệt độ làm thay đổi cả vận tốc trong mẫu lẫn mặt tiếp xúc của đầu dò; điều kiện tiếp âm không nhất quán cũng gây sai số. [3] Do đó không nên sửa một hệ số vận tốc rồi bỏ qua phần trễ đang thay đổi khi nêm hoặc đầu dò nóng lên.
Chọn xung và chu kỳ cũng là một phép đo
Trong một mẫu phẳng tạo được nhiều phản xạ đáy rõ, đặt t_A=t_0+2d/c và t_B=t_0+4d/c. Khi lấy hiệu, d=c(t_B−t_A)/2 và phần trễ chung được loại. Nhưng điều này đòi hỏi xác định đúng hai phản xạ kế tiếp có cùng loại đường truyền, không phải hai đỉnh bất kỳ trên màn hình.
Nếu chọn lệch một chu kỳ ở tín hiệu 5 MHz, sai khác thời gian là 0,2 µs. Với c=5,9 mm/µs, nó tương ứng 0,59 mm chiều sâu đi về. Một màn hình có nhiều chữ số không ngăn được sai số chọn sai pha hoặc sai loại xung. Cần lưu dạng sóng, cách đặt cổng, cấu hình đầu dò và mốc thời gian để người khác có thể kiểm lại kết quả.
Kết luận về vị trí phản xạ chỉ có giá trị trong miền đã kiểm chứng của mô hình. Một chiều sâu hợp lý chưa tự chứng minh bản chất chỉ thị hoặc kích thước của bất liên tục; những câu hỏi ấy cần dữ liệu và phương pháp đánh giá riêng.
Nguồn tham khảo
[1] Theory of Operation — Evident; Ultrasonic Thickness Gauge Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] 3.6 Calibration Concepts — Evident; Ultrasonic Flaw Detection Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Masterscan D-70 User’s Guide, Issue 0 — Sonatest; 17/09/2014. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Trong kiểm tra siêu âm xung phản hồi, tín hiệu trở về mang thông tin về đường truyền và tương tác với vật liệu. Chiều sâu hiển thị là kết quả xử lý thời gian cùng mô hình vận tốc. Tài liệu nguyên lý của Evident mô tả quan hệ chiều dày bằng vận tốc nhân nửa thời gian đi về, có thể trừ thêm độ trễ cố định. [1]
Bài này chỉ xét tia dọc truyền vuông góc bề mặt trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, với đường đi và về trùng nhau. Một bề mặt phản xạ phẳng được giả định tạo tín hiệu có thể nhận biết rõ. Không suy kích thước khuyết tật từ biên độ, không quy định ngưỡng chấp nhận và không áp trực tiếp hình học này cho đầu dò góc hoặc đầu dò hai tinh thể có đường chữ V.
Mô hình có độ trễ
Gọi d là chiều sâu theo phương truyền, mm; c là vận tốc âm, mm/µs; t là thời gian đo được, µs; t_0 là tổng độ trễ đã quy về cùng mốc, µs. Khi mô hình tuyến tính phù hợp:
t = t_0+2d/c; d = c(t−t_0)/2.
Vận tốc 5,9 mm/µs tương đương 5.900 m/s. Hệ số 2 xuất hiện vì sóng đi đến bề mặt phản xạ rồi trở về. Nếu dùng dữ liệu truyền qua từ bộ phát sang bộ thu bên kia mẫu, đường truyền khác và không được tự giữ hệ số này.
Theo Evident, hiệu chỉnh vận tốc và điểm không khác với đặt mức tham chiếu biên độ, cũng khác việc chứng nhận đặc tính của riêng máy. Độ trễ có thể chứa phần trong nêm, đầu dò, điện tử, cáp và lớp tiếp âm. [2] Vì vậy một máy còn chứng chỉ không tự tạo ra đúng hệ tọa độ chiều sâu cho mọi cấu hình mới.
Tính từ hai chiều dày đã biết
Dựng bộ dữ liệu giả định với c=5,9 mm/µs và t_0=2,2 µs. Hai bậc mẫu tham chiếu có d_1=10 mm và d_2=40 mm, cho t_1=5,589831 µs và t_2=15,759322 µs. Từ hai phương trình thời gian:
c = 2(d_2−d_1)/(t_2−t_1).
t_0 = t_1−2d_1/c.
Dùng số chưa làm tròn thu lại c=5,9 và t_0=2,2. Một tín hiệu khác có t=10,674576 µs được quy đổi thành d=25 mm. Có thể kiểm chéo bằng công thức nội suy trực tiếp:
d = d_1+(d_2−d_1)(t−t_1)/(t_2−t_1).
Kết quả này không cần ghi trung gian c và t_0 với ít chữ số. Tuy nhiên, nó vẫn giả định quan hệ tuyến tính đúng trong cả khoảng. Thêm một điểm kiểm độc lập giúp phát hiện sai lệch mô hình; hai điểm khớp hoàn hảo không chứng minh toàn bộ dải đều đúng.
Một điểm có thể che giấu vận tốc sai
Giả sử nhập nhầm c*=6,05 mm/µs nhưng vẫn dùng t_0=2,2 µs. Tín hiệu ở 25 mm sẽ được báo thành 25,635593 mm. Đây là sai lệch tỷ lệ, tăng theo chiều sâu khi độ trễ đúng.
Nếu người dùng lại chỉnh điểm không để bậc 10 mm hiện đúng với vận tốc sai ấy, t_0* trở thành 2,284045 µs. Bậc 10 mm lúc này có vẻ hoàn hảo, nhưng tín hiệu 25 mm được báo 25,381356 mm. Tổng quát:
d* = d_1+(c*/c)(d−d_1).
Sai lệch triệt tiêu tại điểm được dùng để chỉnh, rồi tăng theo khoảng cách tới điểm ấy. Trường hợp này giải thích vì sao một phép kiểm đơn lẻ có thể bỏ qua lỗi độ dốc của hệ quy đổi. Cần chọn điểm kiểm phù hợp dải đo và giữ riêng lịch sử cấu hình, không chỉ lưu một kết quả “đạt” tại một chiều dày.
Độ không đảm bảo của phép nội suy
Tại d=25 mm, vị trí nằm giữa hai bậc. Hệ số nhạy theo d_1,d_2 đều bằng 0,5. Hệ số theo t bằng 2,95 mm/µs; theo t_1 và t_2 đều bằng −1,475 mm/µs.
Giả định độ không đảm bảo chuẩn mỗi chiều dày tham chiếu là 0,05 mm, mỗi phép chọn thời gian là 0,02 µs và năm đại lượng độc lập. Cộng phương sai theo các đạo hàm cho:
u²(d) = 2(0,5×0,05)²+(2,95²+2×1,475²)×0,02².
Suy ra u(d)=0,080446 mm. Đây là ngân sách minh họa riêng cho các đầu vào đã nêu. Chưa có phần sai mô hình, không đồng nhất vật liệu hay thay đổi tiếp âm. Không biến nó thành độ chính xác mặc định của một thiết bị thương mại.
Nếu cả ba thời gian cùng bị cộng một sai lệch mốc giống hệt nhau, các hiệu t−t_1 và t_2−t_1 không đổi, nên sai lệch ấy triệt tiêu chính xác. Nếu trễ thay đổi giữa hiệu chuẩn và đo, nó không còn là thành phần chung và không triệt tiêu. Lặp nhiều số đọc cũng không tự loại được một sự dịch mốc mới.
Vật liệu nhiều vùng được cộng theo thời gian
Xét một đường thẳng gồm 10 mm có c_1=5,9 mm/µs và 15 mm có c_2=5,7 mm/µs. Bỏ qua phản xạ trung gian và giả định vẫn nhận được xung đi hết đường. Thời gian trong vật liệu là:
t_v = 2(d_1/c_1+d_2/c_2) = 8,652988 µs.
Vận tốc tương đương để tái tạo tổng chiều sâu 25 mm là 25/(10/5,9+15/5,7)=5,778351 mm/µs. Nó được xác định từ tổng thời gian, không phải trung bình số học đơn giản của hai vận tốc. Nếu vẫn quy toàn đường bằng 5,9 mm/µs, chiều sâu chỉ thị thành 25,526316 mm.
Sonatest lưu ý vận tốc thực có thể khác bảng công bố và thay đổi trong chi tiết do trạng thái vật liệu, kể cả ảnh hưởng xử lý nhiệt. [3] Với mối hàn có tổ chức phức tạp, vấn đề còn có thể gồm dị hướng, đổi hướng truyền và biến dạng dạng sóng. Khi đó mô hình hai lớp thẳng chỉ minh họa một cơ chế sai lệch, chưa mô tả đầy đủ vật hàn.
Nhiệt độ ảnh hưởng cả vận tốc lẫn hình học
Dựng riêng một quy luật giả định c(T)=c_20[1−β(T−20)], với β=0,0004 K⁻¹, c_20=5,9 mm/µs. Ở 120°C, vận tốc mô hình còn 5,664 mm/µs. Nếu chiều sâu thực tại nhiệt độ đo là 25 mm mà máy vẫn dùng c_20, kết quả thành 26,041667 mm.
Hệ số β vừa chọn chỉ phục vụ tính toán, không phải dữ liệu thép hay khuyến nghị hiệu chỉnh thực tế. Bài toán cũng đã cho chiều sâu ở trạng thái nóng; muốn suy chiều sâu ở 20°C phải bổ sung giãn nở nhiệt. Hiệu chỉnh tốc độ âm và quy kích thước về nhiệt độ tham chiếu là hai bước có mục tiêu khác nhau.
Sonatest nêu rằng nhiệt độ làm thay đổi cả vận tốc trong mẫu lẫn mặt tiếp xúc của đầu dò; điều kiện tiếp âm không nhất quán cũng gây sai số. [3] Do đó không nên sửa một hệ số vận tốc rồi bỏ qua phần trễ đang thay đổi khi nêm hoặc đầu dò nóng lên.
Chọn xung và chu kỳ cũng là một phép đo
Trong một mẫu phẳng tạo được nhiều phản xạ đáy rõ, đặt t_A=t_0+2d/c và t_B=t_0+4d/c. Khi lấy hiệu, d=c(t_B−t_A)/2 và phần trễ chung được loại. Nhưng điều này đòi hỏi xác định đúng hai phản xạ kế tiếp có cùng loại đường truyền, không phải hai đỉnh bất kỳ trên màn hình.
Nếu chọn lệch một chu kỳ ở tín hiệu 5 MHz, sai khác thời gian là 0,2 µs. Với c=5,9 mm/µs, nó tương ứng 0,59 mm chiều sâu đi về. Một màn hình có nhiều chữ số không ngăn được sai số chọn sai pha hoặc sai loại xung. Cần lưu dạng sóng, cách đặt cổng, cấu hình đầu dò và mốc thời gian để người khác có thể kiểm lại kết quả.
Kết luận về vị trí phản xạ chỉ có giá trị trong miền đã kiểm chứng của mô hình. Một chiều sâu hợp lý chưa tự chứng minh bản chất chỉ thị hoặc kích thước của bất liên tục; những câu hỏi ấy cần dữ liệu và phương pháp đánh giá riêng.
Nguồn tham khảo
[1] Theory of Operation — Evident; Ultrasonic Thickness Gauge Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] 3.6 Calibration Concepts — Evident; Ultrasonic Flaw Detection Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Masterscan D-70 User’s Guide, Issue 0 — Sonatest; 17/09/2014. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
