超聲測厚儀的工作原理如下：它的脈沖發生器以一個窄電脈沖激勵專用高阻尼壓電換能器，此脈沖為始脈沖，一部分由始脈沖激勵產生的超聲信號在材料界面反射，這信號稱為始波。其余部分透入材料，并從平行對面反射回來。這一返回信號稱為背面回波。始波與背面回波之間的時間間隔代表了超聲信號穿過被測件的聲程時間。 如測得聲程時間則可由下式確定被測件厚度，測厚時聲速是確定的。
反之由上式可知，如測得工件厚度和聲程時間則可求出被測工件中的聲速，聲速是描述超聲波在介質中傳播特性的基本物理量，它的大小由傳播介質決定，即與材料的彈性模量、密度、超聲波波型和泊松比有關。金屬材料的彈性模量盡管對組織結構不敏感，但由于它與原子間作用力和原子間距有關，而原子間距與晶體結構有關，所以它還是受到組織結構的影響。此外金屬材料的密度從微觀上來講也與組織結構有關，而晶胞的體積則與組織結構有關，所以聲速與金屬材料內部的組織結構有必然的聯系，這樣使用超聲波測厚儀測出被測件中的聲速變化，可判斷被測件中內部組織結構的異常。
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