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超聲測(cè)厚儀的零點(diǎn)校準(zhǔn)與溫度變化對(duì)測(cè)量值的影響
在超聲波測(cè)厚的場(chǎng)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(shí)增加,而且延遲塊材料的聲速會(huì)隨著溫度的變化而變化,進(jìn)而會(huì)影響厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)超聲測(cè)厚儀時(shí)要設(shè)計(jì)減除這多加的聲時(shí)的電路,使zui終結(jié)果為被測(cè)物的真實(shí)厚度。采用不同的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,會(huì)導(dǎo)致在不同的環(huán)境溫度、不同的耦合狀況、測(cè)量對(duì)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(duì)超聲測(cè)厚儀“校零”這一關(guān)鍵點(diǎn)加以論述,介紹溫度對(duì)“零點(diǎn)”的影響,并介紹幾種目前比較流行的“校零”的方法,指出各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
為了更好地應(yīng)用超聲測(cè)厚儀,將對(duì)與測(cè)量準(zhǔn)確性密切相關(guān)的超聲測(cè)厚儀“校零”關(guān)鍵點(diǎn)加以論述,介紹了幾種常用的“校零”的方法,以及溫度對(duì)“零點(diǎn)”的影響。并指出各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
脈沖反射法超聲測(cè)厚儀的測(cè)量原理
超聲波厚度測(cè)量方法繁多,在實(shí)際應(yīng)用中,反射法應(yīng)用得。簡(jiǎn)單來說脈沖反射法是測(cè)量超聲波在被測(cè)物中傳播一個(gè)往返所需的時(shí)間,通過換算和適當(dāng)?shù)男Ｕ?得出被測(cè)物的厚度值。圖1是脈沖反射法的測(cè)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(hào)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(huì)有第三彭雪蓮:超聲測(cè)厚儀的零點(diǎn)校準(zhǔn)與溫度變化對(duì)測(cè)量值的影響次、第四次底波等,直到聲能衰減。
溫度變化對(duì)測(cè)量值的影響
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作線性擬合,得到3種材料“T-t”方程:
有機(jī)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(jī)玻璃為例,有機(jī)玻璃的線膨脹系數(shù)為130×10-6/℃[3],設(shè)20℃時(shí)延遲塊厚度為12 mm,60℃時(shí)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(shí)由有機(jī)玻璃的線膨脹引起有機(jī)玻璃聲速溫度系數(shù)的變化量為:
可見材料的線膨脹對(duì)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(shí)間隨溫度變化的細(xì)節(jié),對(duì)理解溫度變化如何影響超聲波測(cè)厚儀測(cè)值準(zhǔn)確性很有幫助。
不同“校零”方法對(duì)消除這項(xiàng)影響是不同的。下面詳細(xì)介紹不同設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。
4 5種零點(diǎn)校準(zhǔn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)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(jī)玻璃為例,每10℃約變化35 m/s。以一個(gè)厚度12 mm的延遲塊為例,26℃時(shí),聲速C=237 9 m/s;36℃時(shí),聲速C=2 351 m/s;聲速變慢了,即傳播時(shí)間增長(zhǎng)了。
據(jù)此可見,采用校準(zhǔn)方法(1~3)校零儀器,如果不重新校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果就會(huì)增大。采用方法(4,5)校準(zhǔn)儀器,從測(cè)量方法上避免了這種影響帶入儀器的誤差。因此,采用校準(zhǔn)方法(1~3)校零的儀器,首先應(yīng)選用對(duì)溫度變化不敏感的探頭;其次為了保持測(cè)量精度應(yīng)經(jīng)常校準(zhǔn)儀器。但是,在高溫測(cè)量時(shí),即便頻繁校準(zhǔn)儀器也很難消除誤差。因?yàn)闇囟茸兓炝恕?/span>
方法4,5利用S和B1信號(hào)或B1和B2信號(hào)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(duì)延遲時(shí)間的影響。因此,特別適合于溫度變化大的場(chǎng)合,如高溫測(cè)量。
(2)從理論上講,雙晶探頭兩個(gè)延遲塊的聲波傳播時(shí)間應(yīng)當(dāng)是相同的。但在實(shí)際制作過程中兩個(gè)延遲塊的幾何尺寸或聲時(shí)很難做到一致。這樣一來,用方法1校準(zhǔn)時(shí),由于是通過獲取探頭發(fā)射單側(cè)的延遲時(shí)間來進(jìn)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(shí)間不一致帶來測(cè)量誤差。方法2分別獲取收、發(fā)兩個(gè)延遲塊的延遲時(shí)間用于校準(zhǔn),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(shí)間tSB1中包含了發(fā)射、接收兩個(gè)延遲塊的延遲時(shí)間。因此,無論怎樣調(diào)換總的延遲時(shí)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(cè)量精度應(yīng)當(dāng)經(jīng)常校準(zhǔn)儀器。
(4)方法4優(yōu)于方法1,2和方法3。它用界面信號(hào)S控制厚度方波的起始。界面信號(hào)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(duì)應(yīng)著真正的“零點(diǎn)”,而不需要進(jìn)行任何“校零”操作。
當(dāng)被測(cè)物為有機(jī)玻璃材料,或著是聲阻抗與有機(jī)玻璃接近的某種材料時(shí),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(cè)物材料與探頭延遲塊接近時(shí),可能出現(xiàn)沒有界面波而不能測(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)量。
另外,當(dāng)被測(cè)物的聲阻抗小于延遲塊的聲阻抗時(shí)界面信號(hào)S會(huì)反相。這對(duì)于采用半波整流且用方法4“校零”的測(cè)厚儀,會(huì)帶來半個(gè)周期的測(cè)量誤差(取決于探頭頻率)。
(5)方法5用回波-回波進(jìn)行測(cè)量。既沒有環(huán)境溫度帶來的延遲時(shí)間變化問題,也沒有上述聲阻抗帶來的問題(被測(cè)物體材料與探頭延遲塊材料相同時(shí)除外)。對(duì)一定厚度范圍內(nèi)的、材質(zhì)均勻的被測(cè)物來說,幾乎是的方法。但是,對(duì)于較厚的被測(cè)物,或者對(duì)于聲衰減大的被測(cè)物來說,很可能只有一次底波沒有二次底波,也就無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
(6)從電路設(shè)計(jì)角度,方法3的電路zui為簡(jiǎn)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(chǎng)上的售價(jià)也相對(duì)高一些。