Способ бесконтактного измерения толщины плоских изделий Советский патент 1987 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерениям толщины объектов с помощью акустических колебаний и может быть использовано при бесконтактном измерении или контроле толщины различных объектов, в частности полимерных пленок.

Целью изобретения является повышение точности за счет исключения погрешностей преобразования сдвига фаз акустических колебаний в электрический сигнал,

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего способ бесконтактного измерения толщины.

Способ бесконтактного измерения толщины плоских изделий заключается в следующем.

Акустические излучатель и приемник устанавливают друг напротив друга на фиксированном расстоянии таким образом, что их акустические оси совпадают, и электрически соединяют со входами фазометра. Излучатель генерирует акустические колебания частотой f , которые, преодолев воздушный зазор, поступают на приемник. С помощью фазометра измеряют разность фаз между колебаниями излучателя и приемника и обеспечивают ее равенство перед измерением толщины нулю. Размещают в воздушном зазоре между излучателем и пр1иемником контролируемый объект и фиксируют возникшую разность фаз Ll,. Обеспечивают изменение разности фаз на величину л с/ путем задержки поступающего с излучателя на, фазометр сигнала на величину 1 Л(//2, (1-1,5) д „/// , где (/- -пороговая

10

вый генератор 1 частоты f , блок 2 сдвига частоты,выполненньй, например, в виде электронного однопопосного мо-. дулятора, и излучающий пьезоэлектрический преобразователь 3, Устройство также содержит электрически последовательно соединенные приемный пьезоэлектрический преобразователь 4, усилитель 5 с автоматической регулировкой усиления, фазовый детектор 6 и милливольтметр 7. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные низкочастотный генератор 8,

g цифровой частотомер 9 и блок 10 регулируемой задержки, аттенюатор 11 и блок 12 дополнительной задержки. Вход блока 10 регулируемой задержки соединен с выходом блока 2 сдвига частоты, а выход- блока 12 дополнительной задержки - со вторым входом фазового детектора 6. Б устройство также входят ключи 13 и 14, через которые соединяются, соответственно, вы25 ход низкочастотного генератора 8 со вторым входом блока 2 сдвига частоты и выход аттенюатора 11 со вторым входом фазового детектора 6. Позицией 15 на чертеже обозначен контролируемый

30 объект.

Способ реализуется следующим образом.

В исходном состоянии ключ 13 разомкнут, ключ 14 замкнут, а излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 установлены друг напротив друга на фиксированном расстоянии. С генератора 1 фиксированной частоты через блок 2 сдвига частоты на входы преобразо20

35

чувствительность фазометра. Затем из- до ватепя 3 и блока 10 регулируемой заменяют частоту излучаемых колебаний держки поступают синусоидальные до тех пор, пока не компенсируется трические колебания частотой f, . Пре- изменение разности фаз 41/, т.е. пока образователь 3 трансформирует элек- показания фазометра не примут ранее трические колебания в акустические, зафиксированное значение разности фаз в которые, преодолев воздушньш промежуток излучающий преобразователь 3 - приемный преобразователь 4, поступают на преобразователь 4, Преобразователь 4 трансформирует акустические колебания в электрические, которые поступаif, . По достижении разностью фаз значения if измеряют частоту f и определяют толщину h контролируемого объекта из выражения

Ь JlALli .

f,-f,)

где С - скорость распространения акустических колебаний в материале объекта контроля. Устройство, реализующее способ бесконтактного измерения толщины плоских изделий, содержит электрически последовательно соединенные кварце50 .

ют на вход усилителя 5 с задержкой

t во времени относительно колебаний, поступающих на выход блока 2, определяемой из вьфажения

Л I f 1 А

35 о I + Ч + -э .

где ь, - задержка колебаний в излучающем преобразователе 3; - задержка колебаний в приемном преобразователе. 4;

10

77082

вый генератор 1 частоты f , блок 2 сдвига частоты,выполненньй, например, в виде электронного однопопосного мо-. дулятора, и излучающий пьезоэлектрический преобразователь 3, Устройство также содержит электрически последовательно соединенные приемный пьезоэлектрический преобразователь 4, усилитель 5 с автоматической регулировкой усиления, фазовый детектор 6 и милливольтметр 7. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные низкочастотный генератор 8,

g цифровой частотомер 9 и блок 10 регулируемой задержки, аттенюатор 11 и блок 12 дополнительной задержки. Вход блока 10 регулируемой задержки соединен с выходом блока 2 сдвига частоты, а выход- блока 12 дополнительной задержки - со вторым входом фазового детектора 6. Б устройство также входят ключи 13 и 14, через которые соединяются, соответственно, вы25 ход низкочастотного генератора 8 со вторым входом блока 2 сдвига частоты и выход аттенюатора 11 со вторым входом фазового детектора 6. Позицией 15 на чертеже обозначен контролируемый

30 объект.

Способ реализуется следующим образом.

В исходном состоянии ключ 13 разомкнут, ключ 14 замкнут, а излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 установлены друг напротив друга на фиксированном расстоянии. С генератора 1 фиксированной частоты через блок 2 сдвига частоты на входы преобразо20

35

до ватепя 3 и блока 10 регулируемой за держки поступают синусоидальные трические колебания частотой f, . Пре- образователь 3 трансформирует элек- трические колебания в акустические, в которые, преодолев воздушньш промежуток излучающий преобразователь 3 - приемный преобразователь 4, поступают на преобразователь 4, Преобразователь 4 трансформирует акустические колебания в электрические, которые поступа50 .

ют на вход усилителя 5 с задержкой

t во времени относительно колебаний, поступающих на выход блока 2, определяемой из вьфажения

Л I f 1 А

35 о I + Ч + -э .

где ь, - задержка колебаний в излучающем преобразователе 3; - задержка колебаний в приемном преобразователе. 4;

с, 31

задержка колебаний в воздушной среде, разделяющей преобразователи 3 и 4. Усилитель 5 усиливает поступившие в него колебания, нормирует их ро амплитуде и передает на первый вход фазового детектора 6, Электрические колебания, поступающие с выхода блок 2 на вход блока 10 регулируемой задержки, пройдя через последний, поступают на аттенюатор 11,где нормируются по амплитуде, и далее, через замкнутый ключ 14 -. на второй вход фазового детектора 6. В детекторе 6 происходит сравнение по фазе колеба

НИИ, поступающих на его различные входы, результаты которого отображаются милливольтметром 7. Изменяя с

нерируемую генератором 8, и определяют f. При использовании в качестве блока 2 электронного однополосного модулятора сдвиг по частоте высокочастотных колебаний в нем равен часпомощью блока 10 длительность задерж- 20 ° Управляющих низкочастотных колебаний и частота f2, + „ . Толщину h контролируемого объекта 15 определяют из выражения

ки электрического сигнала, поступающего на второй вход фазового детектора 6, например, до величины f, добиваются фиксирования нулевого значения выходного напряжения детектора 6. Затем размещают между преобразователями 3 и 4 контролируемьй объект 15, например полимерную пленку толщиной h из материала со скоростью С распространения акустических колебаний. В результате размещения контролируемого объекта 15 к задержке С добавляется задержка t , равная h/C, и, соответственно, изменяется разность фаз колебаний, поступающих на различные входы детектора 6. Милливольтметр 7 фиксирует полученную разность с/ Фаз

2/rhf

h

25

f, f,

или

3D

35

(,

.1 н- р„

h Cd1}(1 + fi/fn). Выбор величины J L такой, чтобы фазовый сдвиг от нее в 2-3 раза превышал пороговую чувствительность к разности фаз фазометра, позволяет осуществить надежную фиксацию вносимого фазового сдвига и производить перестройку частоты в достаточно узком диапазоне. Перестройка частоты в узком диапазоне позволяет пренебречь погрешностью, обусловленной дисперсией скорости распространения акустических колебаний, а также неконтролируе Q мыми фазовыми набегами в электроакустическом тракте. Фиксирование частоты f при том же значении разности LP фаз позволяет исключить влияние на показание фазометра погрешности

где

FO погрешность преобразования разности фаз v в электрический сигнал детектором 6. Размыкают ключ 14 и колебания с выхода аттенюатора 11 поступают на вход фазового детектора 6 через блок 12, протерпевая дополнительную задержку л , выбранную из выражения

J (1 - 1,5) -./lif ,,

где

(f - пороговая чувствительность

фазового детектора 6. Дополнительная задержка вызьшает изменение разности (/ фаз на величи ну i L . Замыкают ключ 13 и ко лебания с выхода низкочастотного ге нератора 8 поступают на второй вход блока 2 сдвига частоты. Увеличением

частоты низкочастотного генератора 8 плавно сдвигают частоту высокочастотных колебаний и добиваются компенсации изменения разности с/ фаз на величину 4i/ по достижении частотой акустических колебаний значения f. Милливольтметр 7 фиксирует при этом ту же разность л if фаз,

ci , 2Ff(h/C-d€)+Fo С помощью частотомера 9 по достижении частотой акустических колебаний значения f измеряют частоту f„, ге

нерируемую генератором 8, и определяют f. При использовании в качестве блока 2 электронного однополосного модулятора сдвиг по частоте высокочастотных колебаний в нем равен часh

25

f, f,

или

h Cd1}(1 + fi/fn). Выбор величины J L такой, чтобы фазовый сдвиг от нее в 2-3 раза превышал пороговую чувствительность к разности фаз фазометра, позволяет осуществить надежную фиксацию вносимого фазового сдвига и производить перестройку частоты в достаточно узком диапазоне. Перестройка частоты в узком диапазоне позволяет пренебречь погрешностью, обусловленной дисперсией скорости распространения акустических колебаний, а также неконтролируемыми фазовыми набегами в электроакустическом тракте. Фиксирование частоты f при том же значении разности LP фаз позволяет исключить влияние на показание фазометра погрешности

преобразования фазового сдвига в электрическ1-ш сигнал.

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения толщины плоских изделий, заключающийся в том, что соосно устанавливают акустические излучатель и приемник на фиксированном расстоянии, генерируют излучателем акустические колебания частотой f , принимают акустические колебания приемником,располагают контролируемое изделие между излучателем и приемником, измеряют с помощью фазометра фиксированную разность фаз 1/, колебаний излучателя и приемника и измеряют толщину контролируемого изделия с учетом фиксированной разности фаз, отличающий- с я тем, что, с целью повьшения точности, после измерения изменяют разность фаз колебаний на величину л if, затем изменяют частоту излучаемых колебаний, измеряют частоту f, при которой измеряемая разность фаз станет равной , , а толщину h контрол

лируемого изделия определяют из вьфа- .женияc.

zffTTfг 17) где С - скорость распространения

акустических колебаний в материале контролируемого изделия ;

а ((2-3) 1/в - величина изменения фиксированной разности фаз на частоте

(/ - пороговая чувствительность фаз ометра.

Е

л

t№

-f

rsr

Изобретение относится к способам измерений толщины объектов с помощью акустических колебаний. Целью изобретения является повьшение точности измерений толщины благодаря исключению влияния погрешностей преобразования сдвига фаз вследствие компенсации изменением частоты излучения акустических колебаний внесенной дополнительной разности фаз колебаний излучателя и приемника. Излучают излучателем акустические колебания фиксированной частоты и принимают приемником колебания, прошедшие воздущ- ный зазор между излучателем и приемником. Вводят в воздушный зазор контролируемое изделие и фиксируют разность фаз колебаний излучателя и приемника. На фиксированной частоте изменяют полученную разность фаз. Изменяют частоту излучаемых колебаний и измеряют частоту, при которой компенсируется внесенное изменение раз-п ности фаз. Толщину контролируемого изделия определяют с помощью значений фиксированной и измеренной частот с учетом внесенного изменения разности фаз, 1 ил. (Л со ел

Редактор Г.Волкова

Составитель В.Гондаревский

Техред А.КравчукКорректор А.Обручар

Заказ 5986/37 Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4