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材料薄层广泛应用于航空航天、油气输送、汽车制造及生物医学工程等诸多领域, 例如用于材料表面保护涂层、复合结构胶结层、稀有金属箔状材料和心脏瓣膜等 , 在工程技术领域中占有愈来愈重要的地位。在表征薄层质量的一系列性能指标中, 材料薄层的厚度不但是表征薄层本身几何尺寸的一个参量, 而且对薄层的性能及寿命均有很大的影响, 因此成为薄层质量评价中至关重要的参数之一。超声检测技术除具有无损和100 %检测的优点之外, 还因超声波具有方向性好、穿透能力强、能量高和对人体无害等特点, 成为材料薄层厚度无损检测研究的重要方向。以下是超声波测厚仪测量材料薄层的四种方法。
脉冲回波测厚法
脉冲回波(Pulse-Echo)测厚法的原理主要是通过测量超声脉冲在试样中的传播时间, 然后根据超声脉冲在试样中的传播速度求出试样厚度。脉冲回波测厚法的实验装置见图1 。图中的超声换能器产生一定频率的脉冲波, 垂直入射到试样表面。入射波在不同介质中传播时, 在相邻两介质的界面处会产生反射波, 从介质1 到介质5 界面处的反射波依次记为Sa , Sb , Sc , Sd , Se 和Sf(见图1), 超声换能器所接收到的回波信号。如果已知试样的声速v , 利用相邻脉冲回波间的时间间隔Δτ就可以计算出相应介质层的厚度h 。
脉冲回波测厚法主要用于测量具有细晶结构的金属和非金属(如塑料、玻璃和陶瓷)材料的厚度, 不适合粗晶材料和复合材料厚度的测量。与其它超声测厚方法不同, 脉冲回波法不受被测材料几何形状的限制, 除了可测平面材料厚度外, 还可以测量曲面材料的厚度。Maev 等人[ 10] 曾采用宽带换能器(中心频率分别为15MHz 和20MHz), 利用水浸聚焦脉
图2 不同界面处的脉冲回波信号
冲回波法实现了对多层弯曲聚合物(0 .130 ～2.033mm)的厚度测量, 测量误差最小可达0 .6 %。脉冲回波法的不足之处:① 当薄层厚度小于两倍的波长时, 被测试样上、下表面的反射回波就会混迭在一起, 不易分辨, 导致薄层测厚无法实现;② 测厚准确度受材料声衰减和表面粗糙度的影响很大。但因脉冲回波法成本低、简单易行, 且在测量1mm以上材料的厚度时精度很高, 因而仍被广泛采用。
时域反射场分析测厚法
在传统超声测厚方法(脉冲回波法)中, 当h/ λ<2(h 为待测样品的厚度, λ为超声波波长)时, 从待测试样上、下表面反射回来的大量信号将会产生混迭现象[ 11] 。利用超声脉冲回波法已很难把这些信号分辨开来, 从而提出时域反射场分析(Time-Domain Reflection Field Analysis)测厚法。时域反射场分析测厚法的几何模型见图3 , 图中S 0 代表具有相同声学性能的两块薄层, S 代表待测试样, 厚度为h 。
图3 薄层的反射与透射
实验中, 首先获得入射波f (t -s0 x )和声场反射波的总和gr(t +s0 x)。
式中 s ———超声波在待测试样介质中传播的慢度
Tij ———超声波从介质i 到介质j 的透射系数
R ij ———超声波在介质i 和j 界面处的反射系数
令ξ=t +s0 x , 经过一系列推导可得
根据式(2)右边的多项式可得计算值f(ξ), 然后求出计算值f (ξ)和实验测得值f ＊(ξ)的均方根偏差
N —检测点的总数
已知待测试样的声速, 找到偏差的最小值就可以确定待测试样的厚度hd 。实验中分别采用中心频率为1MHz , 2 .25MHz 和5MHz 的换能器, 对实际厚度h＊为0 .24mm 的水层进行检测, 测量结果hd见图4 。
图4入射信号测量值和计算值的均方根偏差
时域反射场分析法是一种改进的时域测厚方法, 弥补了脉冲回波测厚方法的不足, 提高了测厚精度。Zhu Changyi 等人[ 12] 曾利用时域反射场分析技术, 采用1MHz 的换能器对铝板(0 .089 ～12.675mm)进行厚度测量, 误差可达1 %以下;Byoung-Geuk Kim 等人[ 11] 利用时域反射场分析方法对0 .06 ～ 1 .44mm 厚的水层(0 .04 <h/ λ<5 , 夹于两平行铝板之间)进行厚度测量, 测厚准确度随换能器频率的增大或h/ λ的增大而增大。
兰姆波法
兰姆波(Lamb Waves)是在无限大板状介质中传播的一种弹性波, 按其在板中振动形态的不同可分为对称型兰姆波(S 型)和反对称型兰姆波(A 型)两种。
兰姆波测厚法主要是利用兰姆波的频散特性和多模式[ 7] 特点, 首先在待测试样中激发一定频率的兰姆波并由超声换能器接收, 然后对接收到的信号进行二维傅立叶变换[ 7, 13] (2-D FFT)或根据兰姆波传播频散方程[ 7 , 13] 获得兰姆波的频散曲线, 再与理论频散曲线 相比较, 实现兰姆波的模式识别。
兰姆波在厚度为2h 的薄板(λ h)中传播时,对于零阶反对称模式A0 , 有
式中 ω———角频率
k ———波数, 且k = v L/ v T
Cp ———相速度
h ———试样厚度的一半
对于零阶对称模式S 0 , 有ω/k =Cp =2vT(1- 1k2) (6)
兰姆波在薄层中的传播速度可由CP 来近似表示, CP作为一常数可以利用2-D FFT 直接从S0模式的实验结果中获得, 也可以通过求解兰姆波的频散方程获得。A1和A2可以通过拟合等式(4)或式(5)和A0模式的实验结果获得。知道了A1,A2 和CP ,就可以求出待测薄层的厚度
目前, 兰姆波测厚法已成为国内外超声研究的热点之一, 主要用于测量固体材料薄板的厚度, 不适合涂层或薄膜的厚度测量, 且能够对粗晶材料和复合材料的厚度进行测量。Eduardo Moreno 等[ 14 , 15]利用兰姆波法实现了复合材料薄层(2 .05 ～9.80mm)的厚度测量;Gao Weimin 等[ 13] 采用激光激发兰姆波的方法对纯金属铜薄层(283μm)进行检测, 测厚的最小误差为0 .54 %。由于兰姆波测厚法是在薄层的单侧进行检测, 所以更适合容器和槽状检测环境。
表面波法
表面波(Surface Waves)是在以真空或气体为界的自由固体表面上传播的波。在厚度为h 的固体材料表面传播时, 表面波速度通常接近但小于在形成界面的介质中体波的速度, 其声速与材料的杨氏模量E 、泊松比ν及密度ρ有关, 其数学表达式如下
c公式
在固体介质中传播的表面波, 其能量仅集中在材料表面很小的区域内, 振动幅度沿深度方向呈指数变化, 且随深度的增加衰减很快, 在离表面一个波长以上的地方幅度已很微弱, 从而使其对薄膜或涂层具有很高的灵敏度, 且传播速度受薄膜或涂层材料的影响。表面波在薄膜和基体材料中的传播方程为
c(ω)=ω/k=c(E,E′,ν,ν′,π,ρ′,d/λ)(9)
式中 ω=2πf(角频率)
k=2π/λ(波矢)
E———薄膜材料的杨氏模量
ν———薄膜材料的泊松比
ρ———薄膜材料的密度
d———薄膜材料的厚度
E'———基体材料的杨氏模量
ν'———基体材料的泊松比
ρ'———基体材料的密度
在薄膜和基体材料的界面处,表面波的应变和位移是连续的。根据表面波传播位移的边界条件和Navier′s方程,可以获得一个由六个方程组成的线性系统。当线性系统的行列式为零时,就能够推导出ω和k的关系式(9),从而得到表面波的理论声速曲线。在利用表面波法对薄层进行厚度测量的过程中,通常采用激光激发高频表面波,表面波在待测试样表面激光源与换能器间不同距离处的传播信号被换能器接收。然后对接收到的信号进行FFT变换,得到表面波的实际声速曲线,再与理论声速曲线相比较就可以获得待测试样的厚度。表面波法是一种测量精度很高的超声测厚方法,能够实现对几微米到几百微米薄层的厚度测量,且受材料表面粗糙度和形状的影响较小,特别适用于薄膜和涂层材料的厚度测量,也可以用来测量胶结层状材料的厚度。FereydounLakestani等人曾利用表面波法对等离子喷涂金属(NiCoAlY)涂层(190～330μm)的厚度进行了测量;德国的Schneider等人[3～5]利用表面波法实现了TiN薄膜(1.45～2μm)的厚度测量;WuT-T等人和Flannery先后采用激光激发表面波法对胶结层和气凝胶薄膜的厚度进行了测量。
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