مروری بر ضخامت سنجهای آلتراسونیک (بخش اول)

مقدمه ای بر ضخامت سنج آلتراسونیک

ضخامت سنج اولتراسونیک یک ابزار اندازه گیری با تکنیک تست غیر مخرب پرکاربرد برای اندازه گیری ضخامت یک ماده از یک طرف است.این ابزار سریع، قابل اعتماد و همه کاره است و بر خلاف میکرومتر یا کولیس، فقط به یک طرف قطعه آزمایش نیاز دارد.

اولین گیج‌های تجاری اولتراسونیک با استفاده از اصول مشتق شده از سونار، در اواخر دهه 1940 معرفی شدند و ابزارهای کوچک و قابل حمل بهینه سازی شده در این زمینه برای طیف گسترده ای از کاربردهای آزمایشی در دهه 1970 رایج شدند. پیشرفت‌های بعدی در فناوری ریزپردازنده منجر به سطوح جدیدی از عملکرد در ابزارهای مینیاتوری پیچیده و آسان امروزی شد.

چه چیزی با ضخامت سنجهای آلتراسونیک قابل اندازه گیری می باشد؟

تقریباً هر ماده مهندسی رایج را می توان به روش اولتراسونیک اندازه گیری کرد. ضخامت سنج های اولتراسونیک را می توان برای فلزات، پلاستیک ها، کامپوزیت ها، فایبرگلاس، سرامیک ها و شیشه راه اندازی کرد همچنین اندازه ‌گیری روی خطوط تولید یا در حین فرآیند تولید پلاستیک‌های اکسترود شده و فلز نورد شده اغلب امکان‌پذیر است، همانطور که اندازه‌ گیری لایه‌ها یا پوشش‌های منفرد در ساخت‌های چند لایه امکان‌پذیر است در شرایطی سطوح مایع و نمونه های بیولوژیکی را نیز می توان اندازه گیری کرد.

اندازه گیری اولتراسونیک همیشه کاملا غیر مخرب است و نیازی به برش یا خراش برای اندازه گیری نیست.
موادی که به دلیل انتقال ضعیف امواج صوتی با فرکانس بالا معمولاً برای اندازه گیری اولتراسونیک معمولی مناسب نیستند شامل چوب، کاغذ، بتن و محصولات فوم هستند.

یک ضخامت سنج آلتراسونیک چگونه کار می کند؟

انرژی صوتی را می توان در یک طیف فرکانسی وسیع تولید کرد، صدای قابل شنیدن در محدوده فرکانس نسبتا پایین با حد بالایی حدود بیست هزار سیکل در ثانیه (20 کیلوهرتز) رخ می دهد. هرچه فرکانس بالاتر باشد، گام بالاتری را درک خواهیم کرد.

اولتراسوند انرژی صوتی در فرکانس های بالاتر، فراتر از حد شنوایی انسان است. اکثر آزمایشات اولتراسونیک در محدوده فرکانسی بین 500 کیلوهرتز و 20 مگاهرتز انجام می شود، اگرچه در برخی از ابزارهای تخصصی تا 50 کیلوهرتز و یا کمتر و یا تا 100 مگاهرتز تغییر می یابند.

فرکانس هرچه که باشد، انرژی صوت شامل الگویی از ارتعاشات مکانیکی سازمان‌یافته است که بر اساس قوانین اساسی فیزیک موج از میان محیطی مانند هوا یا فولاد عبور می‌کند. ضخامت سنج های اولتراسونیک با اندازه گیری دقیق مدت زمان لازم برای عبور پالس صوتی تولید شده توسط یک پراب کوچک به نام مبدل اولتراسونیک از طریق یک قطعه آزمایشی و انعکاس آن از سطح یا دیواره ی دور داخلی آن قطعه کار می کنند.

از آنجایی که امواج صوتی از مرزهای بین مواد متفاوت منعکس می‌شوند، این اندازه‌گیری معمولاً از یک طرف در حالت پالس/پژواک انجام می‌شود. مبدل(ترنسدیوسر) حاوی یک عنصر پیزوالکتریک است که توسط یک تکانه الکتریکی کوتاه تحریک می شود تا موجی از امواج مافوق صوت تولید کند این امواج مافوق صوت به ماده آزمایشی وارد می شوند و از آن عبور می‌کنند تا زمانی که با دیواره پشتی یا مرز دیگری برخورد کنند. سپس بازتاب ها مجدد به مبدلی برمی گردند، که انرژی صوتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در اصل، ضخامت سنج به اکو از طرف مقابل گوش می دهد.

به طور معمول این فاصله زمانی تنها چند میلیونیم ثانیه است. دستگاه با سرعت صوت در ماده آزمایشی برنامه ریزی شده است و سپس می تواند ضخامت را با استفاده از رابطه ریاضی ساده محاسبه کند:

T = (V) x (t/2)
که در آن :
T: ضخامت بخش مورد نظر
V: سرعت صوت در ماده مورد آزمایش
t: زمان رفت و برگشت اندازه گیری شده

توجه به این نکته ضروری است که سرعت صوت در ماده مورد آزمایش بخش اساسی این محاسبه است زیرا مواد مختلف امواج صوتی را با سرعت‌های متفاوتی منتقل می‌کنند، معمولاً در مواد سخت سریع‌تر و در مواد نرم کندتراین انتقال صورت می گیرد، و همچنین سرعت صوت می‌تواند به طور قابل توجهی با دما تغییر کند. بنابراین همیشه لازم است که یک ضخامت سنج اولتراسونیک را با سرعت صوت در ماده اندازه گیری شده کالیبره کنیم و این کالیبراسیون می تواند به شدت روی این دقت تاثیرگزار باشد.
امواج صوتی در محدوده رنج مگاهرتز به طور موثر در هوا حرکت نمی کنند، بنابراین یک قطره مایع بین مبدل و قطعه مورد آزمایش به منظور دستیابی به انتقال خوب صوت مورد استفاده قرار می گیرد. مایعات رایج عبارتند از گلیسیرین، پروپیلن گلیکول، آب، روغن و ژل. البته فقط مقدار کمی از این مایع مورد نیاز است تنها جهت پر کردن شکاف هوایی بسیار نازکی که در غیر این صورت بین پراب و ماده مورد آزمایش وجود دارد.

حالتهای اندازه گیری کدامها هستند؟

سه روش معمول برای اندازه‌ گیری فاصله زمانی وجود دارد که نشان‌دهنده حرکت موج صوتی در قطعه مورد آزمایش است.

حالت اول که متداول ترین رویکرد است و به سادگی فاصله زمانی بین پالس تحریکی که موج صوتی را تولید می کند و اولین پژواک برگشتی را اندازه گیری می کند و مقدار کمی آفست صفر را کم می کند که تأخیرهای ثابت ابزار، کابل و مبدل را جبران می کند.

حالت دوم شامل اندازه گیری فاصله زمانی بین پژواک برگشتی از سطح قطعه مورد آزمایش و اولین پژواک دیواره پشتی است. حالت سوم شامل اندازه گیری فاصله زمانی بین دو پژواک دیواره ی پشتی متوالی است.

نوع مبدل و الزامات کاربردی خاص معمولاً انتخاب حالت اندازه گیری را تعیین می کنند. حالت اول که با مبدل های تماسی اندازه گیری می شود ، یک حالت آزمایشی با هدف عمومی است و برای اکثر برنامه ها توصیه می شود. حالت دوم که با ترنسدیوسرهای خط تاخیری یا غوطه ‌وری استفاده می‌شود، اغلب برای اندازه‌گیری در شعاع‌های مقعر یا محدب تیز یا در فضاهای محدود توسط مبدل خط تاخیری یا غوطه‌وری و همچنین برای اندازه‌گیری آنلاین مواد متحرک با مبدل‌های غوطه‌وری ویا برای اندازه‌گیری‌هایی با دمای بالا استفاده می‌شود.

حالت سوم که با مبدلهای خط تاخیری یا مبدل‌های غوطه‌وری نیز استفاده می‌شود، معمولاً بالاترین دقت اندازه‌گیری و بهترین وضوح، حداقل ضخامت را در یک برنامه معین ارائه می‌دهد، این حالت معمولاً زمانی استفاده می‌شود که الزامات دقت و/یا وضوح در حالت اول و یا دوم برآورده نشوند ،با این حال حالت سوم را می توان فقط در موادی استفاده کرد که پژواک های چندگانه دیواره ی پشتی مشخص و واضح ایجاد شوند و این اتفاق معمولاً در موادی با تضعیف پایین مانند فلزات دانه ریز، شیشه، و اکثر سرامیک ها اتفاق می افتد.

جدول شماره (1):

جدول شماره (1)

ادامه دارد …