材料薄層廣泛應(yīng)用于航空航天、油氣輸送、汽車制造及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域, 例如用于材料表面保護(hù)涂層、復(fù)合結(jié)構(gòu)膠結(jié)層、稀有金屬箔狀材料和等 , 在工程技術(shù)領(lǐng)域中占有愈來(lái)愈重要的地位。在表征薄層質(zhì)量的一系列性能指標(biāo)中, 材料薄層的厚度不但是表征薄層本身幾何尺寸的一個(gè)參量, 而且對(duì)薄層的性能及壽命均有很大的影響, 因此成為薄層質(zhì)量評(píng)價(jià)中至關(guān)重要的參數(shù)之一。超聲檢測(cè)技術(shù)除具有無(wú)損和100 %檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)之外, 還因超聲波具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、能量高和對(duì)人體無(wú)害等特點(diǎn), 成為材料薄層厚度無(wú)損檢測(cè)研究的重要方向。以下是超聲波測(cè)厚儀測(cè)量材料薄層的四種方法。
脈沖回波測(cè)厚法


脈沖回波(Pulse-Echo)測(cè)厚法的原理主要是通過(guò)測(cè)量超聲脈沖在試樣中的傳播時(shí)間, 然后根據(jù)超聲脈沖在試樣中的傳播速度求出試樣厚度。脈沖回波測(cè)厚法的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1 。圖中的*產(chǎn)生一定頻率的脈沖波, 垂直入射到試樣表面。入射波在不同介質(zhì)中傳播時(shí), 在相鄰兩介質(zhì)的界面處會(huì)產(chǎn)生反射波, 從介質(zhì)1 到介質(zhì)5 界面處的反射波依次記為Sa , Sb , Sc , Sd , Se 和Sf(見(jiàn)圖1), *所接收到的回波信號(hào)。如果已知試樣的聲速v , 利用相鄰脈沖回波間的時(shí)間間隔Δτ就可以計(jì)算出相應(yīng)介質(zhì)層的厚度h 。


脈沖回波測(cè)厚法主要用于測(cè)量具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的金屬和非金屬(如塑料、玻璃和陶瓷)材料的厚度, 不適合粗晶材料和復(fù)合材料厚度的測(cè)量。與其它超聲測(cè)厚方法不同, 脈沖回波法不受被測(cè)材料幾何形狀的限制, 除了可測(cè)平面材料厚度外, 還可以測(cè)量曲面材料的厚度。Maev 等人[ 10] 曾采用寬帶換能器(中心頻率分別為15MHz 和20MHz), 利用水浸聚焦脈
圖2　不同界面處的脈沖回波信號(hào)
沖回波法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層彎曲聚合物(0 .130 ～2.033mm)的厚度測(cè)量, 測(cè)量誤差最小可達(dá)0 .6 %。脈沖回波法的不足之處:① 當(dāng)薄層厚度小于兩倍的波長(zhǎng)時(shí), 被測(cè)試樣上、下表面的反射回波就會(huì)混迭在一起, 不易分辨, 導(dǎo)致薄層測(cè)厚無(wú)法實(shí)現(xiàn);② 測(cè)厚準(zhǔn)確度受材料聲衰減和表面粗糙度的影響很大。但因脈沖回波法成本低、簡(jiǎn)單易行, 且在測(cè)量1mm以上材料的厚度時(shí)精度很高, 因而仍被廣泛采用。
時(shí)域反射場(chǎng)分析測(cè)厚法


在傳統(tǒng)超聲測(cè)厚方法(脈沖回波法)中, 當(dāng)h/ λ<2(h 為待測(cè)樣品的厚度, λ為超聲波波長(zhǎng))時(shí), 從待測(cè)試樣上、下表面反射回來(lái)的大量信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生混迭現(xiàn)象[ 11] 。利用超聲脈沖回波法已很難把這些信號(hào)分辨開(kāi)來(lái), 從而提出時(shí)域反射場(chǎng)分析(Time-Domain Reflection Field Analysis)測(cè)厚法。時(shí)域反射場(chǎng)分析測(cè)厚法的幾何模型見(jiàn)圖3 , 圖中S 0 代表具有相同聲學(xué)性能的兩塊薄層, S 代表待測(cè)試樣, 厚度為h 。
圖3　薄層的反射與透射
實(shí)驗(yàn)中, 首先獲得入射波f (t -s0 x )和聲場(chǎng)反射波的總和gr(t +s0 x)。


式中　s ———超聲波在待測(cè)試樣介質(zhì)中傳播的慢度
Tij ———超聲波從介質(zhì)i 到介質(zhì)j 的透射系數(shù)
R ij ———超聲波在介質(zhì)i 和j 界面處的反射系數(shù)
令ξ=t +s0 x , 經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可得


根據(jù)式(2)右邊的多項(xiàng)式可得計(jì)算值f(ξ), 然后求出計(jì)算值f (ξ)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得值f ＊(ξ)的均方根偏差


N —檢測(cè)點(diǎn)的總數(shù)
已知待測(cè)試樣的聲速, 找到偏差的最小值就可以確定待測(cè)試樣的厚度hd 。實(shí)驗(yàn)中分別采用中心頻率為1MHz , 2 .25MHz 和5MHz 的換能器, 對(duì)實(shí)際厚度h＊為0 .24mm 的水層進(jìn)行檢測(cè), 測(cè)量結(jié)果hd見(jiàn)圖4 。
圖4入射信號(hào)測(cè)量值和計(jì)算值的均方根偏差
時(shí)域反射場(chǎng)分析法是一種改進(jìn)的時(shí)域測(cè)厚方法, 彌補(bǔ)了脈沖回波測(cè)厚方法的不足, 提高了測(cè)厚精度。Zhu Changyi 等人[ 12] 曾利用時(shí)域反射場(chǎng)分析技術(shù), 采用1MHz 的換能器對(duì)鋁板(0 .089 ～12.675mm)進(jìn)行厚度測(cè)量, 誤差可達(dá)1 %以下;Byoung-Geuk Kim 等人[ 11] 利用時(shí)域反射場(chǎng)分析方法對(duì)0 .06 ～ 1 .44mm 厚的水層(0 .04 <h/ λ<5 , 夾于兩平行鋁板之間)進(jìn)行厚度測(cè)量, 測(cè)厚準(zhǔn)確度隨換能器頻率的增大或h/ λ的增大而增大。
蘭姆波法


蘭姆波(Lamb Waves)是在無(wú)限大板狀介質(zhì)中傳播的一種彈性波, 按其在板中振動(dòng)形態(tài)的不同可分為對(duì)稱型蘭姆波(S 型)和反對(duì)稱型蘭姆波(A 型)兩種。
蘭姆波測(cè)厚法主要是利用蘭姆波的頻散特性和多模式[ 7] 特點(diǎn), 首先在待測(cè)試樣中激發(fā)一定頻率的蘭姆波并由*接收, 然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行二維傅立葉變換[ 7, 13] (2-D FFT)或根據(jù)蘭姆波傳播頻散方程[ 7 , 13] 獲得蘭姆波的頻散曲線, 再與理論頻散曲線 相比較, 實(shí)現(xiàn)蘭姆波的模式識(shí)別。
蘭姆波在厚度為2h 的薄板(λ h)中傳播時(shí),對(duì)于零階反對(duì)稱模式A0 , 有


式中　ω———角頻率
k ———波數(shù), 且k = v L/ v T
Cp ———相速度
h ———試樣厚度的一半
對(duì)于零階對(duì)稱模式S 0 , 有ω/k =Cp =2vT(1- 1k2) (6)
　　蘭姆波在薄層中的傳播速度可由CP 來(lái)近似表示, CP作為一常數(shù)可以利用2-D FFT 直接從S0模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲得, 也可以通過(guò)求解蘭姆波的頻散方程獲得。A1和A2可以通過(guò)擬合等式(4)或式(5)和A0模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得。知道了A1,A2 和CP ,就可以求出待測(cè)薄層的厚度


目前, 蘭姆波測(cè)厚法已成為國(guó)內(nèi)外超聲研究的熱點(diǎn)之一, 主要用于測(cè)量固體材料薄板的厚度, 不適合涂層或薄膜的厚度測(cè)量, 且能夠?qū)Υ志Р牧虾蛷?fù)合材料的厚度進(jìn)行測(cè)量。Eduardo Moreno 等[ 14 , 15]利用蘭姆波法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料薄層(2 .05 ～9.80mm)的厚度測(cè)量;Gao Weimin 等[ 13] 采用激光激發(fā)蘭姆波的方法對(duì)純金屬銅薄層(283μm)進(jìn)行檢測(cè), 測(cè)厚的最小誤差為0 .54 %。由于蘭姆波測(cè)厚法是在薄層的單側(cè)進(jìn)行檢測(cè), 所以更適合容器和槽狀檢測(cè)環(huán)境。
表面波法


表面波(Surface Waves)是在以真空或氣體為界的自由固體表面上傳播的波。在厚度為h 的固體材料表面?zhèn)鞑r(shí), 表面波速度通常接近但小于在形成界面的介質(zhì)中體波的速度, 其聲速與材料的楊氏模量E 、泊松比ν及密度ρ有關(guān), 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下
c公式
在固體介質(zhì)中傳播的表面波, 其能量?jī)H集中在材料表面很小的區(qū)域內(nèi), 振動(dòng)幅度沿深度方向呈指數(shù)變化, 且隨深度的增加衰減很快, 在離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地方幅度已很微弱, 從而使其對(duì)薄膜或涂層具有很高的靈敏度, 且傳播速度受薄膜或涂層材料的影響。表面波在薄膜和基體材料中的傳播方程為
c(ω)=ω/k=c(E,E′,ν,ν′,π,ρ′,d/λ)(9)
式中　ω=2πf(角頻率)
k=2π/λ(波矢)
E———薄膜材料的楊氏模量
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'———基體材料的楊氏模量
ν'———基體材料的泊松比
ρ'———基體材料的密度
在薄膜和基體材料的界面處,表面波的應(yīng)變和位移是連續(xù)的。根據(jù)表面波傳播位移的邊界條件和Navier′s方程,可以獲得一個(gè)由六個(gè)方程組成的線性系統(tǒng)。當(dāng)線性系統(tǒng)的行列式為零時(shí),就能夠推導(dǎo)出ω和k的關(guān)系式(9),從而得到表面波的理論聲速曲線。在利用表面波法對(duì)薄層進(jìn)行厚度測(cè)量的過(guò)程中,通常采用激光激發(fā)高頻表面波,表面波在待測(cè)試樣表面激光源與換能器間不同距離處的傳播信號(hào)被換能器接收。然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行FFT變換,得到表面波的實(shí)際聲速曲線,再與理論聲速曲線相比較就可以獲得待測(cè)試樣的厚度。表面波法是一種測(cè)量精度很高的超聲測(cè)厚方法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)幾微米到幾百微米薄層的厚度測(cè)量,且受材料表面粗糙度和形狀的影響較小,特別適用于薄膜和涂層材料的厚度測(cè)量,也可以用來(lái)測(cè)量膠結(jié)層狀材料的厚度。FereydounLakestani等人曾利用表面波法對(duì)等離子噴涂金屬(NiCoAlY)涂層(190～330μm)的厚度進(jìn)行了測(cè)量;德國(guó)的Schneider等人[3～5]利用表面波法實(shí)現(xiàn)了TiN薄膜(1.45～2μm)的厚度測(cè)量;WuT-T等人和Flannery先后采用激光激發(fā)表面波法對(duì)膠結(jié)層和氣凝膠薄膜的厚度進(jìn)行了測(cè)量。
以上就是超聲波測(cè)厚儀的四種測(cè)量方法。