Ультразвуковой способ определения толщины пленочных изделий Советский патент 1993 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения и контроля толщины пленочных материалов.

Целью изобретения является повышение точности измерения толщины пленочных материалов за счет исключения влияния физико-механических характеристик материала изделия на результат измерения, а также исключения дифракционных искажений акустических колебаний.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор 1 стабильной частоты, усилитель 2 мощности, излучающий 3 и приемный электроакустические преобразователи измерительного канала, излучающий 5 и приемный 6 электроакустические преобразователи опорного канала, усилитель 7 с автоматической-регулировкой усиления (АРУ), фазовый Преобразователь 8, регулируемый фазовращатель 9,

3 1535

регулируемый аттенюатор 10, блок 11 отношения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, микроЭВИ 13, АЦП И и цифровой индикатор 15.

Предлагаемый способ заключается и следующем.

Контролируемое изделие 16 вводят между излучателем и приемником измерительного электроакустического кана- ла. При этом разность фаз измерительного и опорного (аналогичного измерительному, в акустическом канале которого находится только воздух) электроакустических каналов не зависит от параметров воздушной среды (температуры, влажности) и может быть представлена в виде

Alf - kh-farctg|(+|)tgk0h, (1)

, 2ЧГЈ . 27f . где k«; kBe--fкоэффициенты;

с0 с - скорости распространения акустических колебаний t в материале контролируемого изделия и в среде соответственно;

р - плотности матери- ала контролируемого изделия и среды соответственно;

- отношение акустических сопротив- материала контролируемого изделия и среды соответственно; h - толщина контролируемого изделия;, Ј - частота акустит

ческих колебаний

Так как окружающей средой является воздух, имеющий значительно меньшее акустическое сопротивление, чем конт ролируемый материал (рос„-()с), то можно считать . Тогда

Дц -kh+arctgj ftglc0hi (2)

Амплитуда принимаемых акустически колебаний,, прошедших воздушные промежутки и контролируемое изделие, может быть представлена в виде

У Рй9а РС

Ч

1ИЧЛ

4cos8k hVi$sin k h

Определяют соотношение амплитуд принимаемых и излучаемых акустических колебаний 1

К

Ч

(А)

cos2k0h+r 2 sin

k0h

Так как амплитуда прошедших контролируемое изделие акустических колебаний значительно меньше амплитуды излучаемых акустических колебаний, то для ее увеличения (увеличения соотношения сигнал/помеха) с учетом того, что , выбирают

sin или

k.

, f

Г.

Обычно выбирают k0hgO,02-,

,t

c0

(5)

(6)

тогда

(7)

откуда частота акустических колебаний

f Ј0,0lЈ.

(3)

При выполнении выражения (5) выражения (2) и (k) можно представить как

5

0

u«f -kh+arctg|fkeh,

f+|F(kIhp Выразив из выражения

ну и подставив ее (9) получим

Т--ш UCf -kh+arctg ----,

откуда

(arctg

- ulf) с

IW

(9) (10)

(10) величи- в выражение

(11) (12)

35

.

я

х SS

45

Из выражения (12) следует, что толщина контролируемого изделия не зависит от физико-механических характеристик материала изделия. Определение соотношения амплитуд прошедших контролируемое изделие и излучаемых акустических колебаний позволяет значительно повысить их частоту. Так, для пленочных материалов9 имеющих толщину мкм, согласно выражению {В) частота акустических колебаний не должна превышать 60-120 кГц (скорость распространения акустических колебаний в материале контролируемого изделия принята равной м/с), что почти на два порядка выше максимально возможной частоты

в способе-прототипе. Это позволяет увеличить значение первого слагаемого - kh правой части выражения (3} также на два порядка и учитывать его при определении толщины контролируемого изделия, что позволяет исключить влияние физико-механических характеристик материала контролируемого изделия на результаты измерения. Кроме того, измерение разности фаз принимаемых колебаний опорного и измери- тельного каналов исключает влияние непостоянства параметров воздушной

10

ет на шину данных микроЭВМ 13, кото рая производит вычисление толщины контролируемого изделия по выраже нию (12). С помощью цифрового индик тора 15 отображается результат вычис лений - толщина Ь контролируемого из делия 16. В память микроЭВМ 13,в &ид констант введены частота f акустичес ких колебаний и скорость с распростр нения акустических колебаний в воздушной среде. При отсутствии контрол руемого изделия 16 в измерительном канале (перед началом измерений) с п

среды (температуры, влажности) на ре™ кющью регулируемого фазовращателя 9

зультат измерения толщины.

Устройство работает следующим образом.

Электрические колебания частоты f

производится уравнивание фазовых набегов s опорном и измерительном каналах () j а при помощи регулируемого аттенюатора 10 - уравнивание амс выхода генератора 1 стабильной час- 2О плитуд на входах блока 11 (). При

этом согласно выражению (12) . Формула изобретения

тоты усиливаются усилителем 2 мощности и поступают на первый электрод излучающего преобразователя 3. Излучаемые преобразователем 3 акустические колебания принимаются приемным преобразователем Ц. Электрические колебания частоты f подаются также на излучающий преобразователь 5, излучающий акустические колебания, при

этом согласно выражению (12) . Формула изобретени

25 1. Ультразвуковой способ определения толщины пленочных изделий, за ключающийся в излучении и приеме ул развукоЕых сигналов в опорном канал излучении и поиеме ультразвуковых

35

нимаемые приемным преобразователем 6 зо сигналов, прошедших контролируемое Колебания с выхода преобразователя k через усилитель 7 с АРУ подаются на первый вход фазового преобразователя 8, на второй вход которого подают- ся электрические колебания г. выхода преобразователя 6 через регулируемый фазовращатель 9. Электрические колебания, снимаемые с второго электрода преобразователя 3, амплитуда которых пропорциональна амплитуде излучаемых преобразователем 3 акустических колебаний, через регулируемый аттенюатор 10 поступают на один вход блока 11 отношения, на другой вход которого поступают электрические колебания с выхода преобразователя , амплитуда которых пропорциональна амплитуде принимаемых акустических колебаний. Выходное напряжение блока 11, равное соотношению амплитуд принимаемых и излучаемых акустических колебаний, преобразуется в цифровой код при помощи АЦП 12 и поступает на шину дан-1 ных микроЭВМ 13. выходное напряжение фазового преобразователя 8, равное разности фаз прижимаемых акустических колебаний опорного и измерительного каналов, также преобразуется в цифровой код при помо щи АЦП 1 k и поступаиздел.: в. измерительном к.чале,, о ределеьии соотношения амг./.ил д прин маемых и излучаемых кспсбйнмм, измерении разности фаз i оле5ач.м .; оп ределе--н. и толщины ;;онтроЛ|.руг.мого изделия с учетом измеренной разност фаз и соотношения амплитуд, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, опред ляют соотношение амплитуд прошедших контролируемое изделие и излучаемых колебаний, измеряют разность фаз ко лебаний в опорном и измерительном ка налах, а толщину контролируемого

л изделия определяют из выражения (arctg зЬ -i(f).c

иif

h 27f .

50

55

где W - соотношение амплитуд прошедших контролируемое изделие и излучаемых колебаний; Д(.| - разность фаз колебаний в

опорном и измерительном кана лах;

скорость распространения акустических колебаний в йоз духе;

частота акустических колебаний.

с f

5139

10

ет на шину данных микроЭВМ 13, которая производит вычисление толщины контролируемого изделия по выраже нию (12). С помощью цифрового индика тора 15 отображается результат вычислений - толщина Ь контролируемого из делия 16. В память микроЭВМ 13,в &ид Ј констант введены частота f акустических колебаний и скорость с распростра нения акустических колебаний в воздушной среде. При отсутствии контроле руемого изделия 16 в измерительном канале (перед началом измерений) с по

производится уравнивание фазовых набегов s опорном и измерительном каналах () j а при помощи регулируемого аттенюатора 10 - уравнивание ам2О плитуд на входах блока 11 (). При

этом согласно выражению (12) . Формула изобретения

25 1. Ультразвуковой способ определения толщины пленочных изделий, заключающийся в излучении и приеме ульт развукоЕых сигналов в опорном канале, излучении и поиеме ультразвуковых

5

о сигналов, прошедших контролируемое

издел.: в. измерительном к.чале,, оп- ределеьии соотношения амг./.ил д принимаемых и излучаемых кспсбйнмм, измерении разности фаз i оле5ач.м .; оп- ределе--н. и толщины ;;онтроЛ|.руг.мого изделия с учетом измеренной разности фаз и соотношения амплитуд, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, определяют соотношение амплитуд прошедших контролируемое изделие и излучаемых колебаний, измеряют разность фаз колебаний в опорном и измерительном каналах, а толщину контролируемого

зо сигналов, прошедших контролируе

л изделия определяют из выражения (arctg зЬ -i(f).c

иif

h 27f .

зо сигналов, прошедших контролируемое

0

5

где W - соотношение амплитуд прошедших контролируемое изделие и излучаемых колебаний; Д(.| - разность фаз колебаний в

опорном и измерительном каналах;

скорость распространения акустических колебаний в йоз- духе;

частота акустических колебаний.

с f 1535139

2. Способ по п. 1, о t л и ч а ю- щ и и с я тем, что.частоту акустических колебаний выбирают из соотношения ,

.0lrЈa, маке

скорость распространения

акустических колебаний в материале контролируемого изделия ;

максимально возможная Толщина контролируемого изделия.

Изобретение позволяет осуществлять измерение толщины пленочных материалов с высокой точностью. Целью изобретения является повышение точности измерения. Создают опорный и измерительный электроакустические каналы. Вводят контролируемое изделие между излучателем и приемником измерительного канала, принимают прошедшие контролируемое изделие акустические колебания ц определяют соотношение амплитуд принимаемых и излу- ча емых акустических колебаний. Измеряют также разность фаз колебаний опорного и измерительного каналов. Толщину контролируемого изделия определяют из выражения h (arctgijl-w2 /W)- Л If c /2«T, где W - соотношение амплитуд прошедших ролируемое изделие и излучаемых колебаний; &q - разность фаз колебаний опорного и измерительного канзлоь, вызванная введением контролируемого изделия; с - скорость распространения акустических колебаний в воздухе; f - частота акустических колебаний. Для увеличения амплитуды прошедших контролируемое изделие акустических колебаний их частоту выбирают из соотношения f 0,01(c0/h махс), где с0 - скорость распространения акустических колебаний в материале контролируемого изделия; h макс максимально возможная толщина контролируемого изделия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. о (Л ел со ел