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超聲測厚儀的零點校準與溫度變化對測量值的影響
在超聲波測厚的場合,通常使用帶延遲塊的探頭。由于延遲塊的介入,使超聲波傳播的聲時增加,而且延遲塊材料的聲速會隨著溫度的變化而變化,進而會影響厚度測量的準確性。設(shè)計超聲測厚儀時要設(shè)計減除這多加的聲時的電路,使zui終結(jié)果為被測物的真實厚度。采用不同的技術(shù)路線來實現(xiàn)這個功能,會導(dǎo)致在不同的環(huán)境溫度、不同的耦合狀況、測量對象為不同材料等各種各樣的應(yīng)用環(huán)境下,產(chǎn)生不同的效果。針對超聲測厚儀“校零”這一關(guān)鍵點加以論述,介紹溫度對“零點”的影響,并介紹幾種目前比較流行的“校零”的方法,指出各個方法的優(yōu)缺點。
為了更好地應(yīng)用超聲測厚儀,將對與測量準確性密切相關(guān)的超聲測厚儀“校零”關(guān)鍵點加以論述,介紹了幾種常用的“校零”的方法,以及溫度對“零點”的影響。并指出各個方法的優(yōu)缺點。
脈沖反射法超聲測厚儀的測量原理
超聲波厚度測量方法繁多,在實際應(yīng)用中,反射法應(yīng)用得。簡單來說脈沖反射法是測量超聲波在被測物中傳播一個往返所需的時間,通過換算和適當(dāng)?shù)男Ｕ?得出被測物的厚度值。圖1是脈沖反射法的測量原理示意圖,圖中T———始波或發(fā)射脈沖,由發(fā)射晶片產(chǎn)生,經(jīng)延遲塊入射工件;S———界面回波,為入射聲波在探頭延遲塊與工件表面的界面產(chǎn)生的反射。該信號返回被發(fā)射晶片接收到;B1———一次底波,由工件背面反射,經(jīng)延遲塊后被接收晶片接收到;B2———二次底波,由工件背面反射,經(jīng)延遲塊后被接收晶片接收到。還會有第三彭雪蓮:超聲測厚儀的零點校準與溫度變化對測量值的影響次、第四次底波等,直到聲能衰減。
溫度變化對測量值的影響
對試驗數(shù)據(jù)作線性擬合,得到3種材料“T-t”方程:
有機玻璃: t =0.015 4T+9.650 3
聚砜: t =0.006 6T+7.928 1
聚酰亞胺: t =0.007 2T+8.336 8
延遲塊厚度還受材料的線膨脹系數(shù)的影響。以有機玻璃為例,有機玻璃的線膨脹系數(shù)為130×10-6/℃[3],設(shè)20℃時延遲塊厚度為12 mm,60℃時其線膨脹量Δh=130×10-6/℃×(60℃-20℃)×12 mm= 0.062 4 mm,代入式(5),求得60℃時由有機玻璃的線膨脹引起有機玻璃聲速溫度系數(shù)的變化量為:
可見材料的線膨脹對材料的聲速溫度系數(shù)影響很小,可忽略其影響。
了解延遲時間隨溫度變化的細節(jié),對理解溫度變化如何影響超聲波測厚儀測值準確性很有幫助。
不同“校零”方法對消除這項影響是不同的。下面詳細介紹不同設(shè)計的優(yōu)缺點。
4 5種零點校準方法優(yōu)缺點的對比
(1)如上所述,制作延遲塊的材料其聲速隨溫度升高而降低,以有機玻璃為例,每10℃約變化35 m/s。以一個厚度12 mm的延遲塊為例,26℃時,聲速C=237 9 m/s;36℃時,聲速C=2 351 m/s;聲速變慢了,即傳播時間增長了。
據(jù)此可見,采用校準方法(1~3)校零儀器,如果不重新校準測量結(jié)果就會增大。采用方法(4,5)校準儀器,從測量方法上避免了這種影響帶入儀器的誤差。因此,采用校準方法(1~3)校零的儀器,首先應(yīng)選用對溫度變化不敏感的探頭;其次為了保持測量精度應(yīng)經(jīng)常校準儀器。但是,在高溫測量時,即便頻繁校準儀器也很難消除誤差。因為溫度變化太快了。
方法4,5利用S和B1信號或B1和B2信號直接得到tSB1(或tB1B2)與tTS無關(guān),可以很好的去除了溫度變化對延遲時間的影響。因此,特別適合于溫度變化大的場合,如高溫測量。
(2)從理論上講,雙晶探頭兩個延遲塊的聲波傳播時間應(yīng)當(dāng)是相同的。但在實際制作過程中兩個延遲塊的幾何尺寸或聲時很難做到一致。這樣一來,用方法1校準時,由于是通過獲取探頭發(fā)射單側(cè)的延遲時間來進行的,探頭兩邊不具有互換性。必須一邊為發(fā)射,另一邊為接收,以避免兩邊延遲時間不一致帶來測量誤差。方法2分別獲取收、發(fā)兩個延遲塊的延遲時間用于校準,因此探頭兩邊可以互換(忽略晶片的差異)。
(3)方法3與方法1,2不同,方法3獲取的傳播時間tSB1中包含了發(fā)射、接收兩個延遲塊的延遲時間。因此,無論怎樣調(diào)換總的延遲時間都是相同的。即:采用方法3校零的儀器,可以不考慮探頭延遲塊不一致的問題,在多數(shù)情況下探頭兩端可以互換(忽略晶片的差異)。但是,方法3不能去除溫度及探頭磨損的影響,為了保持測量精度應(yīng)當(dāng)經(jīng)常校準儀器。
(4)方法4優(yōu)于方法1,2和方法3。它用界面信號S控制厚度方波的起始。界面信號S始終跟隨著延遲塊的變化,無論環(huán)境溫度變化或探頭磨損。這就使得厚度方波的起始對應(yīng)著真正的“零點”,而不需要進行任何“校零”操作。
當(dāng)被測物為有機玻璃材料,或著是聲阻抗與有機玻璃接近的某種材料時,由式(6)可求得聲壓反射率r接近于零。因此,采用方法4校零的儀器,當(dāng)被測物材料與探頭延遲塊接近時,可能出現(xiàn)沒有界面波而不能測量的情況。采用方法5的儀器,由于沒有二次底波,因此也不能實現(xiàn)測量。
另外,當(dāng)被測物的聲阻抗小于延遲塊的聲阻抗時界面信號S會反相。這對于采用半波整流且用方法4“校零”的測厚儀,會帶來半個周期的測量誤差(取決于探頭頻率)。
(5)方法5用回波-回波進行測量。既沒有環(huán)境溫度帶來的延遲時間變化問題,也沒有上述聲阻抗帶來的問題(被測物體材料與探頭延遲塊材料相同時除外)。對一定厚度范圍內(nèi)的、材質(zhì)均勻的被測物來說,幾乎是的方法。但是,對于較厚的被測物,或者對于聲衰減大的被測物來說,很可能只有一次底波沒有二次底波,也就無法實現(xiàn)測量。
(6)從電路設(shè)計角度,方法3的電路zui為簡單,電路成本zui低;方法1,2的電路略微復(fù)雜;電路成本略高;方法4和方法5的電路zui為復(fù)雜,電路成本zui高,市場上的售價也相對高一些。