اندازه‌گیری ضخامت با امواج صوتی

فركانس یا گام این پالس های صوتی فراتر از حد شنوایی انسان است، به طور كلی یك تا بیست میلیون سیكل در ثانیه، در مقابل برای گوش انسان حد، بیست هزار است. این امواج فركانس بالا توسط وسیله ای تولید و دریافت می شوند كه مبدل ماوراء صوت نامیده می شود؛ كه انرژی الكتریكی را به لرزش های مكانیكی تبدیل می كند و بلعكس .

امواج ماوراء صوت بكار رفته در آزمایشات صنعتی به خوبی نمی توانند از میان هوا عبور كنند؛ به همین دلیل از یك جفت واسط مثل پروپیلن گلیكول؛ گلیسرین، آب یا نفت استفاده می شود كه اغلب بین مبدل و قطعه قرار می گیرد. بیشتر سنجه های ماوراء صوت از روش "ضربه - انعكاس" برای اندازه گیری استفاده می كنند. امواج صوتی تولید شده توسط مبدل، وارد قطعه شده و از بخش دیگر منعكس می شوند و به مبدل بازمی گردند. سنجه، بازه زمانی بین پالس مرجع یا اولیه را با انعكاس آن با دقت اندازه گیری می كند. به طور نمونه این بازه زمانی تنها یك میلیونیم ثانیه است. اگر سنجه با سرعت صوت در آن نمونه برنامه ریزی شده باشد، می توان ضخامت را بوسیله روابط ساده ریاضی از روی این بازه زمانی محاسبه كرد.

t = VT/2

ضخامت قطعه = t

سرعت صوت در آن ماده = V

زمان رفت و برگشت اندازه گیری شده = T

نكته مهم این است كه سرعت صوت در ماده مورد آزمایش یك بخش ضروری از این محاسبه است. در مواد متفاوت سرعت انتقال صوت نیز متفاوت است، و سرعت صوت به طور قابل توجهی با دما تغییر خواهد كرد. بنابر این ضروری است كه ابزار ماوراء صوت با توجه به سرعت صوت در ماده مورد آزمایش كالیبره شود و دقت اندازه گیری وابسته به این كالیبراسیون است.

حقیقتا هر ماده مهندسی را می توان بدین وسیله اندازه گیری كرد. ضخامت سنج ماوراء صوت را می توان طوری تنظیم كرد كه بتوان فلزات، پلاستیك، سرامیك ها، كامپوزیت ها، اپوكسی ها و شیشه را اندازه گیری كند. همچنین نمونه های بیولوژیك و مایع را نیز میتوان اندازه گیری كرد. موادی كه برای سنجه های متداول، مناسب نیستند شامل چوب، كاغذ، بتن و فوم است. اندازه گیری آنلاین یا همزمان پلاستیك های اكسترود شده یا فلزات نورد شده، همچنین اندازه گیری لایه ها یا پوشش در مواد چند لایه نیز ممكن است.

یك ضخامت سنج ماوراء صوت عموما شامل یك مدار گیرنده و فرستنده، كنترل كننده و زمان سنج منطقی، مدار محاسباتی، مدار نمایش گر و یك تامین كننده نیرو است. پالسر، تحت كنترل یك میكروپروسسور، یك پالس محرك را به مبدل می فرستد. پالس ماوراء صوت بوسیله مبدل كه به نمونه تست متصل شده، تولید می شود. انعكاس ها از انتها یا داخل سطح نمونه بوسیله مبدل دریافت و به سیگنال های الكتریكی تبدیل می شوند. و یك آمپلیفایر دریافت كننده را تغذیه می كنند برای آنالیز كردن. میكرو پروسسور كنترل كننده و مدارهای زمان سنج منطقی پالس را منطبق كرده و و سیگنال های انعكاسی مناسب را برای اندازه گیری بازه زمانی انتخاب می كنند. وقتی كه انعكاس ها دریافت می شوند، مدار زمان سنجی، یك بازه برابر با رفت و برگشت پالس صوتی در نمونه تست را بدقت اندازه خواهد گرفت. اغلب این پروسه چندین بار تكرار شده تا یك مقدار متوسط و پایدار بدست آید.

سپس میكروپروسسور این بازه زمانی را همراه با سرعت صوت و داده های ذخیره شده در حافظه دستگاه بكار می برد تا ضخامت را اندازه گیری كند. این ضخامت سپس نمایش داده شده و به طور متناوب آپدیت می شود. ضخامت خوانده شده همچنین ممكن است در حافظه بیرونی ذخیره شود یا به پرینتر انتقال پیدا كند.

اغلب ضخامت سنج های ماوراء صوت یكی از چهار نوع زیر هستند: مبدل-تماسی، خط تاخیری؛ شناور و دوجزئی؛ كه هركدام مزایا و معایب خود را دارند .

استفاده از ضخامت سنج ماوراء صوت در مواد مختلف

مبدل تماسی :

ضخامت سنج هایی كه از مبدل با تماس مستقیم استفاده می كنند و به طور گسترده ای در اندازه گیری های صنعتی بكار می روند. بازه های زمانی عبارت اند از پالس های القایی اولیه تا اولین انعكاس منهای فاكتور تصحیح كننده ای كه حساب ضخامت از سطح ابزار مبدل را دارد و لایه كوپل شده، همچنین تاخیر الكتریكی در ابزار سنجش. مبدل های تماسی برای كاربرد های سنجش بجز موارد زیر توصیه می شوند .

مبدل خط تاخیری:

مبدل های خط تاخیری از یك سیلندر پلاستیك، اپوكسی یا سیلیكا جوش خورده تشكیل شده اند و به عنوان خط تاخیری بین جزء مبدل و قطعه كار شناخته می شوند. یك دلیل عمده برای استفاده از مبدل خط تاخیری جدا كردن انعكاس ها از پالس های محرك در ماده نازك مورد اندازه گیری هست. به عنوان یك موج بر، خط تاخیری همچنین می تواند امواج را به قطعه ای كه بسیار داغ است بفرستد تا اندازه گیری بوسیله مبدل تماسی حساس به گرما انجام شود. خط تاخیری را می توان طوری شكل داد كه به راحتی با سطوح منحنی و فضاهای محدود كوپل شود. زمان بندی انعكاس ها در كاربردهای خط تاخیری ممكن است یكی از این دوحالت باشد. انتهای خط تاخیری به ابتدای انعكاس دیواره پشتی یا بین انعكاس های موفق دیواره. این نوع زمان سنجی دقت اندازه گیری مواد نازك را بهبود می بخشد و یا دقت اندازه گیری بیشتر از روش تماسی برای كاربردهای ویژه است .

مبدل شناور :

مبدل های شناور یك ستون آب را برای انتقال انرژی صوتی به داخل قطعه بكار می برند . آنها را می توان برای اندازه گیری آنلاین تولیدات متحرك، برای اسكن و یا اندازه گیری چرخشی، یا بهینه سازی در شعاع های تیز و شیارها بكار برد. نوع زمان سنجی درآن مشابه نوع تاخیر خطی است .

مبدل دو جزئی :

مبدل های دو جزئی اصولا برای اندازه گیری سطوح زبر و خشن مورد استفاده قرار می گیرند. در آنها مبدل فرستنده و گیرنده جدا از هم هستند كه هر دو روی یك خط تاخیری سوار شده اند در یك زاویه متغییر برای تمركز انرژی یك فاصله انتخاب شده در زیر سطح قطعه. همچنین دقت عمل این نوع كمتر از انواع دیگر است. آنها فقط برای كاربردهای زبر و خشن طراحی شده اند.

منابع : irew