超聲波測厚儀測量材料薄層的四種方法
閱讀：51發(fā)布時間：2022-2-4
材料薄層廣泛應(yīng)用于航空航天、油氣輸送、汽車制造及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域, 例如用于材料表面保護(hù)涂層、復(fù)合結(jié)構(gòu)膠結(jié)層、稀有金屬箔狀材料和等 , 在工程技術(shù)領(lǐng)域中占有愈來愈重要的地位。在表征薄層質(zhì)量的一系列性能指標(biāo)中, 材料薄層的厚度不但是表征薄層本身幾何尺寸的一個參量, 而且對薄層的性能及壽命均有很大的影響, 因此成為薄層質(zhì)量評價中至關(guān)重要的參數(shù)之一。超聲檢測技術(shù)除具有無損和100 %檢測的優(yōu)點之外, 還因超聲波具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、能量高和對人體無害等特點, 成為材料薄層厚度無損檢測研究的重要方向。以下是超聲波測厚儀測量材料薄層的四種方法。
脈沖回波測厚法
脈沖回波(Pulse-Echo)測厚法的原理主要是通過測量超聲脈沖在試樣中的傳播時間, 然后根據(jù)超聲脈沖在試樣中的傳播速度求出試樣厚度。脈沖回波測厚法的實驗裝置見圖1 。圖中的*產(chǎn)生一定頻率的脈沖波, 垂直入射到試樣表面。入射波在不同介質(zhì)中傳播時, 在相鄰兩介質(zhì)的界面處會產(chǎn)生反射波, 從介質(zhì)1 到介質(zhì)5 界面處的反射波依次記為Sa , Sb , Sc , Sd , Se 和Sf(見圖1), *所接收到的回波信號。如果已知試樣的聲速v , 利用相鄰脈沖回波間的時間間隔Δτ就可以計算出相應(yīng)介質(zhì)層的厚度h 。
脈沖回波測厚法主要用于測量具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的金屬和非金屬(如塑料、玻璃和陶瓷)材料的厚度, 不適合粗晶材料和復(fù)合材料厚度的測量。與其它超聲測厚方法不同, 脈沖回波法不受被測材料幾何形狀的限制, 除了可測平面材料厚度外, 還可以測量曲面材料的厚度。Maev 等人[ 10] 曾采用寬帶換能器(中心頻率分別為15MHz 和20MHz), 利用水浸聚焦脈
圖2 不同界面處的脈沖回波信號
沖回波法實現(xiàn)了對多層彎曲聚合物(0 .130 ～2.033mm)的厚度測量, 測量誤差最小可達(dá)0 .6 %。脈沖回波法的不足之處:① 當(dāng)薄層厚度小于兩倍的波長時, 被測試樣上、下表面的反射回波就會混迭在一起, 不易分辨, 導(dǎo)致薄層測厚無法實現(xiàn);② 測厚準(zhǔn)確度受材料聲衰減和表面粗糙度的影響很大。但因脈沖回波法成本低、簡單易行, 且在測量1mm以上材料的厚度時精度很高, 因而仍被廣泛采用。
時域反射場分析測厚法
在傳統(tǒng)超聲測厚方法(脈沖回波法)中, 當(dāng)h/ λ<2(h 為待測樣品的厚度, λ為超聲波波長)時, 從待測試樣上、下表面反射回來的大量信號將會產(chǎn)生混迭現(xiàn)象[ 11] 。利用超聲脈沖回波法已很難把這些信號分辨開來, 從而提出時域反射場分析(Time-Domain Reflection Field Analysis)測厚法。時域反射場分析測厚法的幾何模型見圖3 , 圖中S 0 代表具有相同聲學(xué)性能的兩塊薄層, S 代表待測試樣, 厚度為h 。
圖3 薄層的反射與透射
實驗中, 首先獲得入射波f (t -s0 x )和聲場反射波的總和gr(t +s0 x)。
式中 s ———超聲波在待測試樣介質(zhì)中傳播的慢度
Tij ———超聲波從介質(zhì)i 到介質(zhì)j 的透射系數(shù)
R ij ———超聲波在介質(zhì)i 和j 界面處的反射系數(shù)
令ξ=t +s0 x , 經(jīng)過一系列推導(dǎo)可得
根據(jù)式(2)右邊的多項式可得計算值f(ξ), 然后求出計算值f (ξ)和實驗測得值f ＊(ξ)的均方根偏差
N —檢測點的總數(shù)
已知待測試樣的聲速, 找到偏差的最小值就可以確定待測試樣的厚度hd 。實驗中分別采用中心頻率為1MHz , 2 .25MHz 和5MHz 的換能器, 對實際厚度h＊為0 .24mm 的水層進(jìn)行檢測, 測量結(jié)果hd見圖4 。
圖4入射信號測量值和計算值的均方根偏差
時域反射場分析法是一種改進(jìn)的時域測厚方法, 彌補(bǔ)了脈沖回波測厚方法的不足, 提高了測厚精度。Zhu Changyi 等人[ 12] 曾利用時域反射場分析技術(shù), 采用1MHz 的換能器對鋁板(0 .089 ～12.675mm)進(jìn)行厚度測量, 誤差可達(dá)1 %以下;Byoung-Geuk Kim 等人[ 11] 利用時域反射場分析方法對0 .06 ～ 1 .44mm 厚的水層(0 .04 <h/ λ<5 , 夾于兩平行鋁板之間)進(jìn)行厚度測量, 測厚準(zhǔn)確度隨換能器頻率的增大或h/ λ的增大而增大。
蘭姆波法
蘭姆波(Lamb Waves)是在無限大板狀介質(zhì)中傳播的一種彈性波, 按其在板中振動形態(tài)的不同可分為對稱型蘭姆波(S 型)和反對稱型蘭姆波(A 型)兩種。
蘭姆波測厚法主要是利用蘭姆波的頻散特性和多模式[ 7] 特點, 首先在待測試樣中激發(fā)一定頻率的蘭姆波并由*接收, 然后對接收到的信號進(jìn)行二維傅立葉變換[ 7, 13] (2-D FFT)或根據(jù)蘭姆波傳播頻散方程[ 7 , 13] 獲得蘭姆波的頻散曲線, 再與理論頻散曲線 相比較, 實現(xiàn)蘭姆波的模式識別。
蘭姆波在厚度為2h 的薄板(λ h)中傳播時,對于零階反對稱模式A0 , 有
式中 ω———角頻率
k ———波數(shù), 且k = v L/ v T
Cp ———相速度
h ———試樣厚度的一半
對于零階對稱模式S 0 , 有ω/k =Cp =2vT(1- 1k2) (6)
蘭姆波在薄層中的傳播速度可由CP 來近似表示, CP作為一常數(shù)可以利用2-D FFT 直接從S0模式的實驗結(jié)果中獲得, 也可以通過求解蘭姆波的頻散方程獲得。A1和A2可以通過擬合等式(4)或式(5)和A0模式的實驗結(jié)果獲得。知道了A1,A2 和CP ,就可以求出待測薄層的厚度
目前, 蘭姆波測厚法已成為國內(nèi)外超聲研究的熱點之一, 主要用于測量固體材料薄板的厚度, 不適合涂層或薄膜的厚度測量, 且能夠?qū)Υ志Р牧虾蛷?fù)合材料的厚度進(jìn)行測量。Eduardo Moreno 等[ 14 , 15]利用蘭姆波法實現(xiàn)了復(fù)合材料薄層(2 .05 ～9.80mm)的厚度測量;Gao Weimin 等[ 13] 采用激光激發(fā)蘭姆波的方法對純金屬銅薄層(283μm)進(jìn)行檢測, 測厚的最小誤差為0 .54 %。由于蘭姆波測厚法是在薄層的單側(cè)進(jìn)行檢測, 所以更適合容器和槽狀檢測環(huán)境。
表面波法
表面波(Surface Waves)是在以真空或氣體為界的自由固體表面上傳播的波。在厚度為h 的固體材料表面?zhèn)鞑r, 表面波速度通常接近但小于在形成界面的介質(zhì)中體波的速度, 其聲速與材料的楊氏模量E 、泊松比ν及密度ρ有關(guān), 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下
c公式
在固體介質(zhì)中傳播的表面波, 其能量僅集中在材料表面很小的區(qū)域內(nèi), 振動幅度沿深度方向呈指數(shù)變化, 且隨深度的增加衰減很快, 在離表面一個波長以上的地方幅度已很微弱, 從而使其對薄膜或涂層具有很高的靈敏度, 且傳播速度受薄膜或涂層材料的影響。表面波在薄膜和基體材料中的傳播方程為
c(ω)=ω/k=c(E,E′,ν,ν′,π,ρ′,d/λ)(9)
式中 ω=2πf(角頻率)
k=2π/λ(波矢)
E———薄膜材料的楊氏模量
ν———薄膜材料的泊松比
ρ———薄膜材料的密度
d———薄膜材料的厚度
E'———基體材料的楊氏模量
ν'———基體材料的泊松比
ρ'———基體材料的密度
在薄膜和基體材料的界面處,表面波的應(yīng)變和位移是連續(xù)的。根據(jù)表面波傳播位移的邊界條件和Navier′s方程,可以獲得一個由六個方程組成的線性系統(tǒng)。當(dāng)線性系統(tǒng)的行列式為零時,就能夠推導(dǎo)出ω和k的關(guān)系式(9),從而得到表面波的理論聲速曲線。在利用表面波法對薄層進(jìn)行厚度測量的過程中,通常采用激光激發(fā)高頻表面波,表面波在待測試樣表面激光源與換能器間不同距離處的傳播信號被換能器接收。然后對接收到的信號進(jìn)行FFT變換,得到表面波的實際聲速曲線,再與理論聲速曲線相比較就可以獲得待測試樣的厚度。表面波法是一種測量精度很高的超聲測厚方法,能夠?qū)崿F(xiàn)對幾微米到幾百微米薄層的厚度測量,且受材料表面粗糙度和形狀的影響較小,特別適用于薄膜和涂層材料的厚度測量,也可以用來測量膠結(jié)層狀材料的厚度。FereydounLakestani等人曾利用表面波法對等離子噴涂金屬(NiCoAlY)涂層(190～330μm)的厚度進(jìn)行了測量;德國的Schneider等人[3～5]利用表面波法實現(xiàn)了TiN薄膜(1.45～2μm)的厚度測量;WuT-T等人和Flannery先后采用激光激發(fā)表面波法對膠結(jié)層和氣凝膠薄膜的厚度進(jìn)行了測量。
以上就是超聲波測厚儀的四種測量方法。
