RU2625261C1 - Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation - Google Patents
Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2625261C1 RU2625261C1 RU2016129368A RU2016129368A RU2625261C1 RU 2625261 C1 RU2625261 C1 RU 2625261C1 RU 2016129368 A RU2016129368 A RU 2016129368A RU 2016129368 A RU2016129368 A RU 2016129368A RU 2625261 C1 RU2625261 C1 RU 2625261C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waves
- control object
- control
- layers
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
- G01B17/02—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
Abstract
Description
Описание изобретенияDescription of the invention
Изобретение относится к области неразрушающего контроля и толщинометрии многослойных материалов, например двуслойных металлических листов и плит, и может быть использовано для определения толщины двуслойных материалов и составляющих их слоев с помощью импульсов упругих волн, вводимых в объект контроля, а также для обнаружения дефектов: трещин, расслоений и т.д. и участков плохого сцепления между слоями.The invention relates to the field of non-destructive testing and thickness measurement of multilayer materials, for example, bilayer metal sheets and plates, and can be used to determine the thickness of bilayer materials and their constituent layers using pulses of elastic waves introduced into the object of control, as well as to detect defects: cracks, bundles etc. and areas of poor adhesion between the layers.
Известен ультразвуковой способ определения толщины слоев материала с помощью продольных волн, возбуждаемых и принимаемых преимущественно по нормали к поверхности объекта контроля. Способ предполагает измерение времен прихода сигналов, отраженных от границ объекта контроля и слоев, и вычисление толщин с помощью весьма простых и общеизвестных формул. Способ реализуют с помощью прямого совмещенного или раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя. Основной недостаток способа - это ограничение его применения в случае, если численные значения акустических импедансов основного материала и плакирующего слоя, для продольных волн, близких друг другу. В этом случае приемлемое с точки зрения измерений отражение от границы слоя зарегистрировать не удается. Другим недостатком способа и реализующего его устройства является его низкая чувствительность в случае, если граница раздела слоев не параллельна поверхности ввода ультразвука. Такая ситуация часто возникает из-за технологических особенностей производства биметаллических плит и листов. В автоматическом режиме контроль слабоотражающих и непараллельных границ становится весьма затруднительным или даже невозможным [1].A known ultrasonic method for determining the thickness of the layers of the material using longitudinal waves, excited and received mainly normal to the surface of the control object. The method involves measuring the arrival times of signals reflected from the boundaries of the control object and layers, and calculating the thicknesses using very simple and well-known formulas. The method is implemented using a direct combined or separately combined ultrasonic transducer. The main disadvantage of this method is the limitation of its use if the numerical values of the acoustic impedances of the base material and the cladding layer are for longitudinal waves close to each other. In this case, a reflection acceptable from the measurement point of view cannot be detected from the layer boundary. Another disadvantage of the method and the device that implements it is its low sensitivity if the layer interface is not parallel to the ultrasound input surface. This situation often arises due to the technological features of the production of bimetallic plates and sheets. In automatic mode, control of weakly reflecting and non-parallel boundaries becomes very difficult or even impossible [1].
Известно устройство для измерения толщины поверхностных слоев и покрытий, содержащее сверло, имеющее по меньшей мере одну режущую кромку, причем каждый передний край образует угол 45° с осью сверла; средство для удерживания упомянутого сверла и его вращения, направляющее средство, содержащее направляющую пластину, имеющую отверстие, проходящее через него с возможностью вращения и приема указанного сверла во время его эксплуатации; визирное средство для измерения ширины круговых полос, образованных в слое [2].A device for measuring the thickness of surface layers and coatings is known, comprising a drill having at least one cutting edge, with each leading edge forming an angle of 45 ° with the axis of the drill; means for holding said drill and its rotation, a guide means comprising a guide plate having an opening passing through it with the possibility of rotation and reception of the specified drill during its operation; targeting means for measuring the width of the circular bands formed in the layer [2].
Известен толщиномер для измерения толщины слоя цветного покрытия на стальной подложке и толщины слоя непроводящего покрытия на проводящей подложке из цветных металлов, включающий постоянный магнит, имеющий полюса, создающие магнитный поток, датчик плотности магнитного потока, расположенный вблизи полюсов указанного постоянного магнита так, чтобы улавливать магнитное поле в окрестности указанных полюсов, электромагнитные катушки, расположенные вокруг указанных полюсов, а также средство управления для приема входных сигналов от упомянутого магнитного датчика плотности потока, выбрав один из указанных входов для расчета толщины покрытия на основе выбранного входа [3].A known thickness gauge for measuring the thickness of the color coating layer on the steel substrate and the thickness of the non-conductive coating layer on the conductive substrate of non-ferrous metals, including a permanent magnet having poles creating a magnetic flux, a magnetic flux density sensor located near the poles of the specified permanent magnet so as to pick up magnetic field in the vicinity of these poles, electromagnetic coils located around these poles, as well as control means for receiving input signals from of said magnetic flux sensor, selecting one of said inputs for calculating the coating thickness based on the selected input [3].
Известно устройство для измерения толщины пленки (принятое за прототип), нанесенной на подложку, не контактирующей с пленкой, в котором первый ультразвуковой датчик содержит средство для измерения первого значения расстояния между верхней поверхностью пленки и устройством, в котором ультразвуковой датчик содержит ультразвуковой генератор импульсов, который генерирует ультразвуковой импульс, направленный к поверхности пленки, и ультразвуковой преобразователь, который принимает импульс после того, как он отражается от поверхности пленки; второй электрический датчик расположен в непосредственной близости с указанным первым средством для измерения второго значения расстояния между верхней поверхностью подложки и устройством; указанные первый и второй элементы расположены на той же стороне подложки; средство функционально связано с первым и вторым средствами для расчета толщины пленки путем сравнения упомянутых значений первого и второго значений расстояния, вспомогательный датчик имеет средство, содержащее датчики, которые отстоят от упомянутого средства, второй электрический датчик для измерения третьего значения расстояния между верхней поверхностью подложки и устройством; все три датчика расположены на одной стороне подложки; расчет толщины пленки осуществляется путем сравнения упомянутого первого, второго и третьего значений расстояний [4].A device for measuring the thickness of a film (adopted as a prototype) applied to a substrate not in contact with the film is known, in which the first ultrasonic sensor comprises means for measuring a first distance value between the upper surface of the film and a device in which the ultrasonic sensor contains an ultrasonic pulse generator, which generates an ultrasonic pulse directed to the surface of the film, and an ultrasonic transducer that receives the pulse after it is reflected from the surface of the film nki; a second electrical sensor is located in close proximity to said first means for measuring a second distance value between the upper surface of the substrate and the device; said first and second elements are located on the same side of the substrate; the means is operatively connected with the first and second means for calculating the film thickness by comparing the said values of the first and second distance values, the auxiliary sensor has a means containing sensors that are separated from the said means, a second electric sensor for measuring a third distance value between the upper surface of the substrate and the device ; all three sensors are located on one side of the substrate; the calculation of the film thickness is carried out by comparing the aforementioned first, second and third distance values [4].
Общим недостатком известных способа и устройства является узкий диапазон комбинаций материалов контролируемых биметаллических листов, а также невозможность одновременного контроля толщины слоев покрытий и обнаружения дефектов в слоях материалов: трещин, расслоений и т.д., а также участков плохого сцепления между слоями.A common disadvantage of the known method and device is the narrow range of material combinations of controlled bimetallic sheets, as well as the inability to simultaneously control the thickness of the coating layers and detect defects in the layers of materials: cracks, delaminations, etc., as well as areas of poor adhesion between the layers.
Целью настоящего изобретения является расширение диапазона комбинаций материалов контролируемых биметаллических листов, расширение возможностей по автоматизации процесса контроля, а также снятие ограничений на непараллельность границы раздела основной металл/ плакирующий слой поверхности ввода ультразвука.The aim of the present invention is to expand the range of material combinations of controlled bimetallic sheets, expand the capabilities for automating the control process, and also remove restrictions on the non-parallelism of the interface between the base metal / cladding layer of the ultrasound input surface.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения толщины двуслойных материалов и составляющих его слоев с помощью импульсов упругих волн, вводимых в объект контроля, осуществляется путем регистрации и анализа времени прихода отраженных от поверхностей объекта контроля и границ его слоев акустических импульсов, при этом определение толщины объекта контроля и его слоев осуществляется с помощью комбинации упругих объемных волн разного типа, для чего в один и тот же участок объекта контроля вводятся как продольные, так и поперечные волны, причем определение толщины объекта контроля и составляющих его слоев осуществляется путем регистрации времени прихода импульсов, отраженных от поверхности ввода, и/или совокупности импульсов, обусловленных как продольными, так и поперечными волнами, распространяющимися в объекте контроля и взаимодействующими с границами его слоев, а анализ производится путем решения системы уравнений, связывающей определяемые параметры с известными величинами, причем вид решаемой системы уравнений определяется конкретной конфигурацией измерительной системы и требуемой точностью измерений.This goal is achieved by the fact that in the known method for determining the thickness of bilayer materials and its constituent layers using pulses of elastic waves introduced into the object of control, it is carried out by recording and analyzing the time of arrival of acoustic pulses reflected from the surfaces of the object of control and the boundaries of its layers, while determining the thickness of the control object and its layers is carried out using a combination of elastic body waves of different types, for which both longitudinal and transverse waves, moreover, the thickness of the control object and its constituent layers is determined by recording the arrival time of pulses reflected from the input surface and / or a set of pulses due to both longitudinal and transverse waves propagating in the control object and interacting with the boundaries of its layers, and the analysis is carried out by solving a system of equations that connects the determined parameters with known values, and the form of the system of equations being solved is determined by a specific configuration walkie measuring system and the required measurement accuracy.
Указанная цель достигается также тем, что продольные волны излучают в материал и принимают из материала, как правило, в некотором диапазоне линейных и/или телесных углов α1=0±Δ1, где α1 - номинальный угол ввода продольной волны, а поперечные волны, как правило, излучают и принимают как минимум в некотором спектре линейных углов αt=α0±Δt по отношению к нормали к поверхности ввода, одновременно удовлетворяющим двум условиям, 8°≤αt≤80° и αt≠αкр3±Δt, где αt - номинальный угол ввода/приема поперечной волны в/из материал(а), примыкающий/примыкающего к области ввода, αкр3 - третий критический угол в материале, примыкающем к области ввода, а Δ1, Δt - параметры, определяющие диапазон спектра углов ввода/приема, зависящий от номинальных и экстремальных параметров объекта контроля.This goal is also achieved by the fact that longitudinal waves radiate into the material and receive from the material, as a rule, in a range of linear and / or solid angles α 1 = 0 ± Δ 1 , where α 1 is the nominal input angle of the longitudinal wave, and the transverse waves as a rule, they radiate and accept at least in a range of linear angles α t = α 0 ± Δ t with respect to the normal to the input surface, simultaneously satisfying two conditions, 8 ° ≤α t ≤80 ° and α t ≠ α cr3 ± Δ t, where α t - nominal angle of input / reception of transverse waves to / from the material (s) adjacent / adjoining guide to the entry area, α RP3 - a third critical angle of the material adjacent to the input area, and Δ 1, Δ t - parameters defining the spectral range of input / reception angles depending on the nominal and extreme parameters control object.
Если угол ввода αt примерно равен третьему критическому углу αкр3, то возникает возможность проявления эффекта так называемого «Незеркального отражения» ультразвукового пучка. Это явление может привести к погрешностям при вычислении толщины слоев. Поэтому рабочий диапазон углов αt не должен захватывать третий критический угол αкр3.If the input angle α t is approximately equal to the third critical angle α cr3 , then there is the possibility of the manifestation of the effect of the so-called “Non-mirror reflection” of the ultrasonic beam. This phenomenon can lead to errors in calculating the thickness of the layers. Therefore, the working range of angles α t should not capture the third critical angle α cr3 .
Достижению цели способствует также то, что ультразвуковой преобразователь, включающий корпус, а также как минимум одну группу из одного или более приемных, излучающих или приемоизлучающих элементов. Корпус преобразователя представляет собой коробку, в которую параллельно друг другу вложены и зафиксированы в регулируемом пространственном положении как минимум три физически независимых относительно друг друга блока, состоящих из как минимум двух активных элементов каждый, причем первый из блоков служит, как правило, только для возбуждения в объекте контроля поперечных упругих волн в требуемом с точки зрения номинальной и экстремальной геометрии объекта контроля диапазоне углов, удовлетворяющем условиям 8°≤αt≤80° и αt≠αкр3±Δt, второй блок служит, как правило, только для приема из объекта контроля поперечных упругих волн, приходящих из требуемого (с точки зрения номинальной и экстремальной геометрии объекта контроля) диапазона направлений, удовлетворяющего условиям 8°≤αt≤80° и αt≠αкр3±Δt, а третий блок, как правило, служит одновременно и для излучения в ОК и приема из ОК продольных упругих волн, осуществляемых в определенном диапазоне углов, отвечающем условию α1=0±Δ1. Рабочие поверхности как минимум двух из этих блоков ориентированы и/или отведены друг от друга таким образом, что акустические оси активных элементов одного из блоков пересекаются в объекте контроля в заданном диапазоне глубин с акустическими осями элементов другого блока, а акустические оси элементов как минимум еще одного блока номинально перпендикулярны поверхности объекта контроля.The achievement of the goal is also facilitated by the fact that the ultrasonic transducer, comprising a housing, as well as at least one group of one or more receiving, radiating or receiving-radiating elements. The converter housing is a box in which at least three blocks physically independent from each other are inserted and fixed in an adjustable spatial position, consisting of at least two active elements each, and the first of the blocks, as a rule, serves only to excite object control transverse elastic waves in a desired from the standpoint of the nominal geometry object and extreme control angle range
Достижению цели способствует и то, что корпус преобразователя дополнительно содержит компоненты, позволяющие регулировать как минимум дистанцию R между блоками, отвечающими за возбуждение/прием поперечных волн, причем эту дистанцию выбирают из условия, что их акустические оси (непосредственно или после отражения от границ объекта контроля) пересекаются в зоне номинального расположения общей границы материалов, а блок, отвечающий за возбуждение/прием продольных волн, располагают таким образом, чтобы точка/линия ввода продольной волны находилась в пространстве между двумя блоками, отвечающими за поперечные волны.Achieving the goal is also facilitated by the fact that the transducer housing additionally contains components that make it possible to adjust at least the distance R between the blocks responsible for the excitation / reception of shear waves, and this distance is chosen from the condition that their acoustic axes (directly or after reflection from the boundaries of the control object ) intersect in the area of the nominal location of the common boundary of the materials, and the unit responsible for the excitation / reception of longitudinal waves is positioned so that the point / line of input of the longitudinal wave n was in the space between the two blocks responsible for the transverse waves.
Указанная цель достигается и тем, что в описанном преобразователе излучающие и/или приемные, и/или приемоизлучающие элементы как минимум одного из блоков выполнены в виде линейных фазированных решеток, позволяющих управлять направлением излучения и/или приема в направлении, перпендикулярном оси блока.This goal is also achieved by the fact that in the described converter the emitting and / or receiving and / or receiving elements of at least one of the blocks are made in the form of linear phased arrays, which allow controlling the direction of radiation and / or reception in the direction perpendicular to the axis of the block.
Реализации способа и устройстваImplementation of the method and device
Рассмотрим два примера применения заявляемого способа и соответственно две возможные конфигурации измерительной системы, которые могут быть применены для автоматического контроля многослойных материалов.Consider two examples of the application of the proposed method and, accordingly, two possible configurations of the measuring system, which can be used for automatic control of multilayer materials.
Пример 1Example 1
Пример конфигурации с тремя блоками преобразователей (излучающий, приемный и излучающий/приемный) приведен на Фиг. 1.An example configuration with three converter blocks (emitting, receiving, and radiating / receiving) is shown in FIG. one.
Обозначения на Фиг.1:Designations in figure 1:
П1 - излучающий преобразователь;P1 - radiating converter;
П2 - приемный преобразователь;P2 - receiving converter;
П3 – излучающий/приемный преобразователь;P3 - emitting / receiving converter;
Н0 - толщина водяного слоя;H 0 - the thickness of the water layer;
Н1 - толщина основного материала;H 1 - the thickness of the base material;
Н2, - толщина плакирующего материала;H 2 - the thickness of the cladding material;
Н - общая толщина листа;H is the total thickness of the sheet;
C0l - скорость продольной волны в водяном слое;C 0l is the longitudinal wave velocity in the water layer;
С1l - скорость продольной волны в основном материале;C 1l is the longitudinal wave velocity in the main material;
С1t - скорость поперечной волны в основном материале;C 1t is the shear wave velocity in the main material;
С2l - скорость продольной волны в плакирующем материале;C 2l is the longitudinal wave velocity in the cladding material;
C2t - скорость поперечной волны в плакирующем материале;C 2t is the shear wave velocity in the cladding material;
R - расстояние между излучающим и приемным преобразователями;R is the distance between the emitting and receiving converters;
R/2 - половина расстояния между излучающим и приемным преобразователями;R / 2 - half the distance between the transmitting and receiving transducers;
ВС - водяной слой;BC - water layer;
ОМ - основной материал;OM is the main material;
ПМ - плакирующий материал;PM - cladding material;
α, α* - углы излучения/приема ультразвуковых волн;α, α * - angles of emission / reception of ultrasonic waves;
β, β* - углы преломления ультразвуковых волн на границе водяной слой/основной материал;β, β * are the angles of refraction of ultrasonic waves at the interface between the water layer / base material;
γ - угол преломления ультразвуковых волн на границе основной материал/плакирующий материал.γ is the angle of refraction of ultrasonic waves at the interface between the main material / cladding material.
Преобразователи П1, П2, и П3 размещены в воде. Все преобразователи имеют достаточно узкие, либо изогнутые (де-фокусирующие) активные элементы, создающие достаточно широкую диаграмму направленности. Как вариант, часть элементов или все элементы могут быть выполнены в виде фазированных решеток, обеспечивающих необходимый для измерений диапазон эффективных углов излучения-приема.Converters P1, P2, and P3 are placed in water. All transducers have fairly narrow or curved (de-focusing) active elements that create a fairly wide radiation pattern. Alternatively, part of the elements or all elements can be made in the form of phased arrays, providing the range of effective radiation-reception angles necessary for measurements.
Ожидаемый А-скан, получаемый с помощью преобразователя П2, релевантный схеме на Фиг. 1, показан на Фиг 2.The expected A-scan obtained with the help of the P2 converter, relevant to the circuit of FIG. 1 is shown in FIG. 2.
Типичный вид А-скана, относящийся к П3 на Фиг. 1, показан на Фиг. 3.A typical A-scan view relating to P3 in FIG. 1 is shown in FIG. 3.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 введены следующие обозначения:In FIG. 2 and FIG. 3 the following notation is introduced:
ЗИ - зондирующий импульс;ZI - probe pulse;
С0 - сигнал, отраженный от поверхности;C0 is the signal reflected from the surface;
С1 - сигнал, отраженный от границы основной материал (ОМ)/плакирующий материал (ПМ);C1 - signal reflected from the boundary of the main material (OM) / cladding material (PM);
С1.3 - первый донный импульс;C1.3 - the first bottom impulse;
С2 – сигнал, отраженный от нижней границы листа;C2 is the signal reflected from the lower border of the sheet;
С2.3 - второй донный импульс;C2.3 - second bottom impulse;
Т0 - время между ЗИ и СО;T0 is the time between ZI and CO;
Т1 - время между ЗИ и С1;T1 is the time between ZI and C1;
Т2 - время между ЗИ и С2;T2 is the time between ZI and C2;
Т3 - время между С1.3 и С2.3;T3 - time between C1.3 and C2.3;
А - амплитуда;A is the amplitude;
Т - время.T is time.
Соответствующие толщины слоев H1, Н2, и Н (см. Фиг 1) можно определить как минимум двумя вариантами заявляемого способа:The corresponding thicknesses of the layers H 1 , H 2 , and H (see FIG. 1) can be determined by at least two variants of the proposed method:
Первый вариант определения H1, Н2, и НThe first version of the definition of H1, H2, and H
Данный вариант базируется на первоначальном расчете толщины основного материала H1, после чего рассчитываются соответствующие толщины плакирующего материала Н2 и общая толщина листа сначала Н.This option is based on the initial calculation of the thickness of the base material H 1 , after which the corresponding thicknesses of the cladding material H 2 and the total thickness of the sheet are first N.
Делается это следующим образом.This is done as follows.
Проанализировав схему на Фиг. 1, мы можем найти для отражения С1 (см. Фиг. 2), что:Having analyzed the circuit of FIG. 1, we can find for reflection C1 (see Fig. 2) that:
иand
Соотношения между углами определяются законом СнеллиусаCorrelations between angles are determined by Snell's law
Для преобразователя П3 справедливо следующее выражение:For converter P3, the following expression is true:
Формулы (1)-(4) образуют систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными:Formulas (1) - (4) form a system of four equations with four unknowns:
- α;- α;
- β;- β;
- Н0;- H 0 ;
- Н1.- H 1 .
Первые три элемента на первый взгляд кажутся известными, но это не совсем так. В процессе контроля ультразвуковой преобразователь неизбежно меняет свое положение, подпрыгивает, изнашивается и т.д. Толщины слоев тоже могут меняться относительно номинальных значений. Поэтому углы и расстояние от активных элементов до объекта контроля могут существенно меняться.The first three elements seem known at first glance, but this is not entirely true. In the process of monitoring, the ultrasonic transducer inevitably changes its position, bounces, wears out, etc. Layer thicknesses can also vary with respect to nominal values. Therefore, the angles and the distance from the active elements to the control object can vary significantly.
Остальные элементы вышеприведенных уравнений получены в результате проведения измерений, поэтому их считаем известными.The remaining elements of the above equations are obtained as a result of measurements, so we consider them known.
Имея систему уравнений (1)-(4), нахождение неизвестных и вычисление H1 является тривиальной задачей.With the system of equations (1) - (4) by finding the unknown and calculating H 1 it is trivial.
Толщина плакирующего материала Н2 и общая толщина листа Н рассчитываются из следующих соображений.The thickness of the cladding material H 2 and the total thickness of the sheet H are calculated from the following considerations.
Преобразователь П3 передает и принимает продольные волны по нормали к поверхности листа.Converter P3 transmits and receives longitudinal waves normal to the surface of the sheet.
Поэтому:Therefore:
Таким образом, решение системы уравнений (1)-(4) позволяет получить Н1, а формулы (5) и (6) - недостающие неизвестные - Н2 и Н.Thus, the solution of the system of equations (1) - (4) allows you to get H 1 , and formulas (5) and (6) - the missing unknowns - H 2 and N.
Второй вариант нахождения H1, Н2, и НThe second option for finding H1, H2, and H
Данный вариант основан на измерении и использовании значения интервала времени Т между С1 и С2 (см. Фиг. 2):This option is based on measuring and using the value of the time interval T between C1 and C2 (see Fig. 2):
Сначала определим Н2, а затем H1 и Н.First we define H 2 , and then H1 and N.
Принимая во внимание все сделанные ранее предположения, составим следующую систему уравнений:Taking into account all the assumptions made earlier, we compose the following system of equations:
Из выражения (9) можно определить:From the expression (9) we can determine:
Из выражения (8) можно определить γ=F2 (Н0, Н1, R).From the expression (8), we can determine γ = F2 (H 0 , H 1 , R).
Из формул (1) и (7) можно определить время Т между импульсами С1 и С2 (см Фиг. 2):From formulas (1) and (7), it is possible to determine the time T between pulses C1 and C2 (see Fig. 2):
Предположим, что:Let's pretend that:
; ;
. .
Поскольку значения А и В достаточные небольшие (мы предполагаем, что H1>>Н2), мы имеем право сделать следующее предположение:Since the values of A and B are small enough (we assume that H 1 >> H 2 ), we have the right to make the following assumption:
Учитывая (11) для расчета Н2, мы можем взять просто номинальное (теоретическое) значение H1.Given (11) for calculating H 2, we can take just the nominal (theoretical) value of H 1 .
Для Н0 может быть использован результат постоянных измерений П3.For H 0 , the result of constant measurements of P3 can be used.
Из (7)-(10) мы можем найти Н2:From (7) - (10) we can find H 2 :
Н2=((Т2-Т1)-А+В)×(С1t×cos γ/2).H 2 = ((T 2 -T 1 ) -A + B) × (C 1t × cos γ / 2).
Толщина основного материала H1 и общая толщина листа Н рассчитываются следующим образом:The thickness of the base material H 1 and the total thickness of the sheet H are calculated as follows:
Преобразователь П3 передает и принимает продольные волны по нормали к поверхности листа.Converter P3 transmits and receives longitudinal waves normal to the surface of the sheet.
Поэтомуtherefore
Пример 2Example 2
Пример альтернативной конфигурации измерительной системы с четырьмя блоками преобразователей представлен на Фиг. 4.An example of an alternative configuration of a measuring system with four transducer blocks is shown in FIG. four.
Обозначения на Фиг. 4:The notation in FIG. four:
П1 - излучающий преобразователь;P1 - radiating converter;
П2 - приемный преобразователь;P2 - receiving converter;
П3 -приемный преобразователь;P3-receiving converter;
П4 – излучающий/приемный преобразователь;P4 - emitting / receiving converter;
Н0 - толщина водяного слоя;H 0 - the thickness of the water layer;
Н1, - толщина основного материала;H 1, is the thickness of the base material;
Н2, - толщина плакирующего материала;H 2 - the thickness of the cladding material;
Н - общая толщина листа;H is the total thickness of the sheet;
C01 - скорость продольной волны в водяном слое;C 01 is the velocity of the longitudinal wave in the water layer;
С1l - скорость продольной волны в основном материале;C 1l is the longitudinal wave velocity in the main material;
С1t - скорость поперечной волны в основном материале;C 1t is the shear wave velocity in the main material;
C2l - скорость продольной волны в плакирующем материале;C 2l is the longitudinal wave velocity in the cladding material;
C2t - скорость поперечной волны в плакирующем материале;C 2t is the shear wave velocity in the cladding material;
R1 - расстояние между излучающим П1 и приемным преобразователем П2;R 1 is the distance between the emitting P1 and the receiving transducer P2;
R2 - расстояние между излучающим П1 и приемным преобразователем П3;R 2 is the distance between the emitting P1 and the receiving transducer P3;
ВС - водяной слой;BC - water layer;
ОМ - основной материал;OM is the main material;
ПМ - плакирующий материал;PM - cladding material;
α - угол излучения/приема ультразвуковых волн (в воде);α is the angle of emission / reception of ultrasonic waves (in water);
β - угол ультразвуковых волн в ОМ;β is the angle of ultrasonic waves in OM;
γ - угол ультразвуковых волн в ПМ.γ is the angle of ultrasonic waves in the PM.
Данная конфигурация выглядит несколько более сложной, поскольку вместо трех (как для Примера 1) блоков преобразователей здесь используются четыре. Однако у этой конфигурации есть важное достоинство, заключающееся в том, что излучающий блок преобразователей может иметь фиксированный угол и узкую диаграмму направленности, что позволяет, при определенных условиях, повысить помехозащищенность измерительной системы и упростить расчеты.This configuration looks somewhat more complicated, because instead of three (as for Example 1) converter blocks four are used here. However, this configuration has an important advantage, namely, that the emitting unit of the converters can have a fixed angle and a narrow radiation pattern, which allows, under certain conditions, to increase the noise immunity of the measuring system and simplify the calculations.
Система основных уравнений для данной конфигурации приведена ниже:The system of basic equations for this configuration is shown below:
Н0 определяем как в Примере 1.H 0 defined as in Example 1.
Окончательная формула для расчета Н2:The final formula for calculating H 2 :
Остальные параметры могут быть найдены по аналогии с Конфигурацией 1.Other parameters can be found by analogy with
Пример устройства (ультразвуковой преобразователь) для автоматической толщинометрии многослойных листов.An example of a device (ultrasonic transducer) for automatic thickness gauging of multilayer sheets.
Пример ультразвукового преобразователя для автоматической толщинометрии многослойного листа представлен на Фиг. 5.An example of an ultrasonic transducer for automatic thickness gauging of a multilayer sheet is shown in FIG. 5.
Преобразователь содержит корпус 1, заполняемый водой 2 через фитинги 3, и сменный протектор 4, непосредственно контактирующий с поверхностью листа при контроле. В корпус параллельно друг другу вставлены и зафиксированы три физически независимых относительно друг друга блока преобразователей 5-7.The converter comprises a
Корпус преобразователя 1 содержит компоненты 8, позволяющие регулировать и измерять как минимум дистанцию R между блоками 5 и 6, отвечающими за возбуждение/прием поперечных волн. Блок 7, отвечающий за возбуждение/прием продольных волн, располагают таким образом, чтобы точка/линия ввода продольной волны находилась в пространстве между двумя блоками, отвечающими за поперечные волны.The housing of the
Рабочие поверхности как минимум двух из этих блоков отведены друг от друга таким образом, что акустические оси активных элементов одного из блоков пересекаются в объекте контроля в заданном диапазоне глубин с акустическими осями элементов другого блока, а акустические оси элементов третьего блока номинально перпендикулярны поверхности объекта контроля (см. Фиг. 6).The working surfaces of at least two of these blocks are separated from each other in such a way that the acoustic axes of the active elements of one of the blocks intersect in the control object in a given depth range with the acoustic axes of the elements of the other block, and the acoustic axes of the elements of the third block are nominally perpendicular to the surface of the control object ( see Fig. 6).
В преобразователе все излучающие, приемные и приемоизлучающие элементы блоков выполнены в виде линейных фазированных решеток, позволяющих управлять направлением излучения и/или приема в направлении, перпендикулярном оси блока. Таким образом, механическая настройка положения акустических блоков может и не потребоваться, или потребуется, но сравнительно редко, только при существенном изменении номинального значения толщины объекта контроля Н.In the converter, all emitting, receiving, and receiving-emitting elements of the blocks are made in the form of linear phased arrays, which make it possible to control the direction of radiation and / or reception in the direction perpendicular to the axis of the block. Thus, mechanical adjustment of the position of the acoustic blocks may not be necessary, or it will be required, but relatively rarely, only with a significant change in the nominal value of the thickness of the object of control N.
Одновременно с толщинометрией все блоки преобразователей могут выполнять задачи по обнаружению дефектов: трещин, расслоений и т.д., а также участков плохого сцепления между слоями.Simultaneously with thickness measurement, all converter blocks can perform the tasks of detecting defects: cracks, delaminations, etc., as well as areas of poor adhesion between the layers.
Источники информацииInformation sources
1. Неразрущающий контроль: Справочник: В 7 Т. Под общ. ред. В.В Клюева Т. 3: ультразвуковой контроль / И.И Ермолов, Ю.В. Ланге, - М.: Машиностроение, 2004, - 864 с.1. Non-destructive testing: Reference:
2. Патент США 4235018.2. US patent 4235018.
3. Патент США 5343146.3. US patent 5343146.
4. Патент США 5062298.4. US patent 5062298.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016129368A RU2625261C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016129368A RU2625261C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2625261C1 true RU2625261C1 (en) | 2017-07-12 |
Family
ID=59495255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016129368A RU2625261C1 (en) | 2016-07-18 | 2016-07-18 | Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2625261C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1379621A1 (en) * | 1986-06-16 | 1988-03-07 | Львовский Лесотехнический Институт | Method of measuring thickness of polymer coatings using ultrasound |
SU1388716A1 (en) * | 1986-04-30 | 1988-04-15 | Донской сельскохозяйственный институт | Method of determining thickness of layers of multilayer tissue of animals |
US5062298A (en) * | 1989-12-05 | 1991-11-05 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Non-contact wet or dry film thickness measuring device using eddy current and ultrasonic sensors |
SU1732151A1 (en) * | 1989-01-04 | 1992-05-07 | Донской сельскохозяйственный институт | Method of measuring layer thickness in multilayer system |
JP2001194137A (en) * | 2000-01-17 | 2001-07-19 | Kawasaki Steel Corp | Non-contact measuring method and apparatus for material thickness |
RU2188412C2 (en) * | 1999-10-20 | 2002-08-27 | Обнинский институт атомной энергетики | Ultrasonic device for detecting stressed state of process-channel wall metal in fast reactors |
-
2016
- 2016-07-18 RU RU2016129368A patent/RU2625261C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1388716A1 (en) * | 1986-04-30 | 1988-04-15 | Донской сельскохозяйственный институт | Method of determining thickness of layers of multilayer tissue of animals |
SU1379621A1 (en) * | 1986-06-16 | 1988-03-07 | Львовский Лесотехнический Институт | Method of measuring thickness of polymer coatings using ultrasound |
SU1732151A1 (en) * | 1989-01-04 | 1992-05-07 | Донской сельскохозяйственный институт | Method of measuring layer thickness in multilayer system |
US5062298A (en) * | 1989-12-05 | 1991-11-05 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Non-contact wet or dry film thickness measuring device using eddy current and ultrasonic sensors |
RU2188412C2 (en) * | 1999-10-20 | 2002-08-27 | Обнинский институт атомной энергетики | Ultrasonic device for detecting stressed state of process-channel wall metal in fast reactors |
JP2001194137A (en) * | 2000-01-17 | 2001-07-19 | Kawasaki Steel Corp | Non-contact measuring method and apparatus for material thickness |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4269519B2 (en) | Ultrasonic contact transducer with multiple elements | |
US7836768B2 (en) | Ultrasonic testing of corner radii having different angles and sizes | |
CN111183332B (en) | Method and device for measuring the layer thickness and the sound velocity of a layer of a single-layer or multi-layer sample | |
EP2425205B1 (en) | Apparatus and method for measuring material thickness | |
US8739630B2 (en) | Pulse-echo method for determining the damping block geometry | |
CA2736088A1 (en) | Pulse-echo method by means of a phased array and temperature compensation | |
US8150652B2 (en) | Method and system for automatic wedge identification for an ultrasonic inspection system | |
US20110126628A1 (en) | Non-destructive ultrasound inspection with coupling check | |
EP3819633A1 (en) | Defect detection device | |
CN108139469B (en) | Sensor with monolithic ultrasonic array | |
RU2625261C1 (en) | Method for determining thickness of two-layer materials and their constituent layers by means of elastic wave pulses introduced into control object and ultrasonic converter for its implementation | |
Fromme | Monitoring of plate structures using guided ultrasonic waves | |
JP2014077708A (en) | Inspection device and inspection method | |
KR101253933B1 (en) | Method for measuring thickness of metal plate by using electromagnetic acoustic transducer | |
RU2613624C1 (en) | Method for nondestructive ultrasonic inspection of water conduits of hydraulic engineering facilities | |
JP2006234701A (en) | Ultrasonic test device and ultrasonic test method | |
Fromme | Influence of guided ultrasonic wave scattering directionality on the detection sensitivity for SHM of fatigue cracks | |
JP2006084447A (en) | Ultrasonic nondestructive measuring method and ultrasonic nondestructive measuring apparatus used therefor | |
Fromme | Health monitoring of plate structures using guided waves | |
EP3100041B1 (en) | Device and method for the non-destructive testing of a test object by means of ultrasound in accordance with the reference body method | |
US11913909B2 (en) | Device and method for determining the extent of defects by means of v through-transmission | |
JP5268686B2 (en) | Measuring apparatus and measuring method by electromagnetic ultrasonic method | |
Kazys et al. | Online profiling of nonplanar objects by high-resolution air-coupled ultrasonic distance measurements | |
RU2622459C1 (en) | Method of ultrasonic inspection of articles | |
JP6619282B2 (en) | Non-destructive inspection device for steel and non-destructive inspection method for steel |