超声测厚仪的零点校准与温度变化对测量值的影响
在超声波测厚的场合,通常使用带延迟块的探头。由于延迟块的介入,使超声波传播的声时增加,而且延迟块材料的声速会随着温度的变化而变化,进而会影响厚度测量的准确性。设计超声测厚仪时要设计减除这多加的声时的电路,使zui终结果为被测物的真实厚度。采用不同的技术路线来实现这个功能,会导致在不同的环境温度、不同的耦合状况、测量对象为不同材料等各种各样的应用环境下,产生不同的效果。针对超声测厚仪“校零”这一关键点加以论述,介绍温度对“零点”的影响,并介绍几种目前比较流行的“校零”的方法,指出各个方法的优缺点。
为了更好地应用超声测厚仪,将对与测量准确性密切相关的超声测厚仪“校零”关键点加以论述,介绍了几种常用的“校零”的方法,以及温度对“零点”的影响。并指出各个方法的优缺点。
脉冲反射法超声测厚仪的测量原理
超声波厚度测量方法繁多,在实际应用中,反射法应用得zui为广泛。简单来说脉冲反射法是测量超声波在被测物中传播一个往返所需的时间,通过换算和适当的校正,得出被测物的厚度值。图1是脉冲反射法的测量原理示意图,图中T———始波或发射脉冲,由发射晶片产生,经延迟块入射工件;S———界面回波,为入射声波在探头延迟块与工件表面的界面产生的反射。该信号返回被发射晶片接收到;B1———一次底波,由工件背面反射,经延迟块后被接收晶片接收到;B2———二次底波,由工件背面反射,经延迟块后被接收晶片接收到。还会有第三彭雪莲:超声测厚仪的零点校准与温度变化对测量值的影响次、第四次底波等,直到声能衰减。
温度变化对测量值的影响
对试验数据作线性拟合,得到3种材料“T-t”方程:
有机玻璃: t =0.015 4T+9.650 3
聚砜: t =0.006 6T+7.928 1
聚酰亚胺: t =0.007 2T+8.336 8
延迟块厚度还受材料的线膨胀系数的影响。以有机玻璃为例,有机玻璃的线膨胀系数为130×10-6/℃[3],设20℃时延迟块厚度为12 mm,60℃时其线膨胀量Δh=130×10-6/℃×(60℃-20℃)×12 mm= 0.062 4 mm,代入式(5),求得60℃时由有机玻璃的线膨胀引起有机玻璃声速温度系数的变化量为:
可见材料的线膨胀对材料的声速温度系数影响很小,可忽略其影响。
了解延迟时间随温度变化的细节,对理解温度变化如何影响超声波测厚仪测值准确性很有帮助。
不同“校零”方法对消除这项影响是不同的。下面详细介绍不同设计的优缺点。
4 5种零点校准方法优缺点的对比
(1)如上所述,制作延迟块的材料其声速随温度升高而降低,以有机玻璃为例,每10℃约变化35 m/s。以一个厚度12 mm的延迟块为例,26℃时,声速C=237 9 m/s;36℃时,声速C=2 351 m/s;声速变慢了,即传播时间增长了。
据此可见,采用校准方法(1~3)校零仪器,如果不重新校准测量结果就会增大。采用方法(4,5)校准仪器,从测量方法上避免了这种影响带入仪器的误差。因此,采用校准方法(1~3)校零的仪器,首先应选用对温度变化不敏感的探头;其次为了保持测量精度应经常校准仪器。但是,在高温测量时,即便频繁校准仪器也很难消除误差。因为温度变化太快了。
方法4,5利用S和B1信号或B1和B2信号直接得到tSB1(或tB1B2)与tTS无关,可以很好的去除了温度变化对延迟时间的影响。因此,特别适合于温度变化大的场合,如高温测量。
(2)从理论上讲,双晶探头两个延迟块的声波传播时间应当是相同的。但在实际制作过程中两个延迟块的几何尺寸或声时很难做到一致。这样一来,用方法1校准时,由于是通过获取探头发射单侧的延迟时间来进行的,探头两边不具有互换性。必须指定一边为发射,另一边为接收,以避免两边延迟时间不一致带来测量误差。方法2分别获取收、发两个延迟块的延迟时间用于校准,因此探头两边可以互换(忽略晶片的差异)。
(3)方法3与方法1,2不同,方法3获取的传播时间tSB1中包含了发射、接收两个延迟块的延迟时间。因此,无论怎样调换总的延迟时间都是相同的。即:采用方法3校零的仪器,可以不考虑探头延迟块不一致的问题,在多数情况下探头两端可以互换(忽略晶片的差异)。但是,方法3不能去除温度及探头磨损的影响,为了保持测量精度应当经常校准仪器。
(4)方法4优于方法1,2和方法3。它用界面信号S控制厚度方波的起始。界面信号S始终跟随着延迟块的变化,无论环境温度变化或探头磨损。这就使得厚度方波的起始对应着真正的“零点”,而不需要进行任何“校零”操作。
当被测物为有机玻璃材料,或着是声阻抗与有机玻璃接近的某种材料时,由式(6)可求得声压反射率r接近于零。因此,采用方法4校零的仪器,当被测物材料与探头延迟块接近时,可能出现没有界面波而不能测量的情况。采用方法5的仪器,由于没有二次底波,因此也不能实现测量。
另外,当被测物的声阻抗小于延迟块的声阻抗时界面信号S会反相。这对于采用半波整流且用方法4“校零”的测厚仪,会带来半个周期的测量误差(取决于探头频率)。
(5)方法5用回波-回波进行测量。既没有环境温度带来的延迟时间变化问题,也没有上述声阻抗带来的问题(被测物体材料与探头延迟块材料相同时除外)。对一定厚度范围内的、材质均匀的被测物来说,几乎是的方法。但是,对于较厚的被测物,或者对于声衰减大的被测物来说,很可能只有一次底波没有二次底波,也就无法实现测量。
(6)从电路设计角度,方法3的电路zui为简单,电路成本zui低;方法1,2的电路略微复杂;电路成本略高;方法4和方法5的电路zui为复杂,电路成本zui高,市场上的售价也相对高一些。
