اندازه گيري ضخامت توسط امواج ماوراء صوت

Visits: 48

ضخامت سنج هاي ماوراء صوت ( Ultrasonic ) براي اندازه گيري ضخامت مواد از يك سمت آنها ، استفاده مي شوند. اولين ضخامت سنج تجاري ، از اصول كاري ردياب هاي صوتي ( Sonar ) پيروي مي كرد ، كه در سال 1940 معرفي شد . وسيله هاي كوچك قابل حمل كه تنوع در كاربرد داشتند از 1970 متداول شدند. اخيرا پيشرفت در تكنولوژي ميكروپروسسورها منجر به مرحله جديدي از عملكرد پيچيده و كاربرد آسان اين وسيله ها شده است. كار تمامي سنجه هاي ماوراء صوت بر پايه اندازه گيري بازه زماني عبور پالس هاي فركانس صوتي از ميان ماده مورد آزمايش است . فركانس يا گام اين پالس هاي صوتي فراتر از حد شنوايي انسان است ، به طور كلي يك تا بيست ميليون سيكل در ثانيه ، در مقابل براي گوش انسان حد ، بيست هزار است . اين امواج فركانس بالا توسط وسيله اي توليد و دريافت مي شوند كه مبدل ماوراء صوت ناميده مي شود ؛ كه انرژي الكتريكي را به لرزش هاي مكانيكي تبديل مي كند و بلعكس .

امواج ماوراء صوت بكار رفته در آزمايشات صنعتي به خوبي نمي توانند از ميان هوا عبور كنند ؛ به همين دليل از يك جفت واسط مثل پروپيلن گليكول ؛ گليسرين ، آب يا نفت استفاده مي شود كه اغلب بين مبدل و قطعه قرار مي گيرد. بيشتر سنجه هاي ماوراء صوت از روش " ضربه – انعكاس " براي اندازه گيري استفاده مي كنند . امواج صوتي توليد شده توسط مبدل ، وارد قطعه شده و از بخش ديگر منعكس مي شوند و به مبدل بازمي گردند . سنجه ، بازه زماني بين پالس مرجع يا اوليه را با انعكاس آن با دقت اندازه گيري مي كند. به طور نمونه اين بازه زماني تنها يك ميليونيم ثانيه است. اگر سنجه با سرعت صوت در آن نمونه برنامه ريزي شده باشد ، مي توان ضخامت را بوسيله روابط ساده رياضي از روي اين بازه زماني محاسبه كرد.

نكته مهم اين است كه سرعت صوت در ماده مورد آزمايش يك بخش ضروري از اين محاسبه است .در مواد متفاوت سرعت انتقال صوت نيز متفاوت است ، و سرعت صوت به طور قابل توجهي با دما تغيير خواهد كرد . بنابر اين ضروري است كه ابزار ماوراء صوت با توجه به سرعت صوت در ماده مورد آزمايش كاليبره شود و دقت اندازه گيري وابسته به اين كاليبراسيون است .

حقيقتا هر ماده مهندسي را مي توان بدين وسيله اندازه گيري كرد . ضخامت سنج ماوراء صوت را مي توان طوري تنظيم كرد كه بتوان فلزات ، پلاستيك ، سراميك ها ، كامپوزيت ها ، اپوكسي ها و شيشه را اندازه گيري كند. همچنين نمونه هاي بيولوژيك و مايع را نيز ميتوان اندازه گيري كرد . موادي كه براي سنجه هاي متداول ، مناسب نيستند شامل چوب ، كاغذ ، بتن و فوم است . اندازه گيري آنلاين يا همزمان پلاستيك هاي اكسترود شده يا فلزات نورد شده ، همچنين اندازه گيري لايه ها يا پوشش در مواد چند لايه نيز ممكن است.

يك ضخامت سنج ماوراء صوت عموما شامل يك مدار گيرنده و فرستنده ، كنترل كننده و زمان سنج منطقي ، مدار محاسباتي ، مدار نمايش گر و يك تامين كننده نيرو است. پالسر، تحت كنترل يك ميكروپروسسور، يك پالس محرك را به مبدل مي فرستد . پالس ماوراء صوت بوسيله مبدل كه به نمونه تست متصل شده ، توليد مي شود. انعكاس ها از انتها يا داخل سطح نمونه بوسيله مبدل دريافت و به سيگنال هاي الكتريكي تبديل مي شوند . و يك آمپليفاير دريافت كننده را تغذيه مي كنند براي آناليز كردن. ميكرو پروسسور كنترل كننده و مدارهاي زمان سنج منطقي پالس را منطبق كرده و و سيگنال هاي انعكاسي مناسب را براي اندازه گيري بازه زماني انتخاب مي كنند . وقتي كه انعكاس ها دريافت مي شوند ، مدار زمان سنجي ، يك بازه برابر با رفت و برگشت پالس صوتي در نمونه تست را بدقت اندازه خواهد گرفت . اغلب اين پروسه چندين بار تكرار شده تا يك مقدار متوسط و پايدار بدست آيد.

سپس ميكروپروسسور اين بازه زماني را همراه با سرعت صوت و داده هاي ذخيره شده در حافظه دستگاه بكار مي برد تا ضخامت را اندازه گيري كند. اين ضخامت سپس نمايش داده شده و به طور متناوب آپديت مي شود . ضخامت خوانده شده همچنين ممكن است در حافظه بيروني ذخيره شود يا به پرينتر انتقال پيدا كند . اغلب ضخامت سنج هاي ماوراء صوت يكي از چهار نوع زير هستند : مبدل – تماسي ، خط تاخيري ؛ شناور و دوجزئي ؛ كه هركدام مزايا و معايب خود را دارند .

مبدل تماسي :

ضخامت سنج هايي كه از مبدل با تماس مستقيم استفاده مي كنند به طور كلي در اجرا ساده هستند و به طور گسترده اي در اندازه گيري هاي صنعتي بكار مي روند .بازه هاي زماني عبارت اند از پالس هاي القايي اوليه تا اولين انعكاس منهاي فاكتور تصحيح كننده اي كه حساب ضخامت از سطح ابزار مبدل را دارد و لايه كوپل شده ، همچنين تاخير الكتريكي در ابزار سنجش . به طور ضمني مبدل تماسي بكار گرفته مي شود در تماس مستقيم با قطعه مورد تست .مبدل هاي تماسي براي كاربرد هاي سنجش بجز موارد زير توصيه مي شوند .

مبدل خط تاخيري:

مبدل هاي خط تاخيري از يك سيلندر پلاستيك ، اپوكسي يا سيليكا جوش خورده تشكيل شده اند و به عنوان خط تاخيري بين جزء مبدل و قطعه كار شناخته مي شوند .يك دليل عمده براي استفاده از مبدل خط تاخيري جدا كردن انعكاس ها از پالس هاي محرك در ماده نازك مورد اندازه گيري هست . به عنوان يك موج بر ، خط تاخيري همچنين مي تواند امواج را به قطعه اي كه بسيار داغ است بفرستد تا اندازه گيري بوسيله مبدل تماسي حساس به گرما انجام شود . خط تاخيري را مي توان طوري شكل داد كه به راحتي با سطوح منحني و فضاهاي محدود كوپل شود . زمان بندي انعكاس ها در كاربردهاي خط تاخيري ممكن است يكي ازاين دوحالت باشد .انتهاي خط تاخيري به ابتداي انعكاس ديواره پشتي يا بين انعكاس هاي موفق ديواره . اين نوع زمان سنجي دقت اندازه گيري مواد نازك را بهبود مي بخشد و يا دقت اندازه گيري بيشتر از روش تماسي براي كاربردهاي ويژه است .

مبدل شناور :

مبدل هاي شناور يك ستون آب را براي انتقال انرژي صوتي به داخل قطعه بكار مي برند . آنها را مي توان بكار برد براي اندازه گيري آنلاين توليدات متحرك ، براي اسكن و يا اندازه گيري چرخشي ، يا بهينه سازي در شعاع هاي تيز و شيارها . نوع زمان سنجي مشابه نوع تاخير خطي است .

مبدل دو جزئي :

مبدل هاي دو جزئي اصولا براي اندازه گيري سطوح زبر و خشن مورد استفاده قرار مي گيرند .در آنها مبدل فرستنده و گيرنده جدا از هم هستند كه هر دو روي يك خط تاخيري سوار شده اند در يك زاويه متغيير براي تمركز انرژي يك فاصله انتخاب شده در زير سطح قطعه . همچنين دقت عمل اين نوع كمتر از انواع ديگر است . آنها فقط براي كاربردهاي زبر و خشن طراحي شده اند.

نتيجه گيري : براي هر كاربرد ضخامت سنج ماوراء صوت ، انتخاب سنجه و مبدل وابسته به نوع ماده ، رنج ضخامت ، دقت مورد نياز ، دما و هندسه و ديگر شرايط خاص است .