Giới thiệu về kỹ thuật đo chiều dày bằng siêu âm

Đo chiều dày bằng siêu âm là kỹ thuật kiểm tra không phá huỷ được sử dụng rộng rãi để đo chiều dày vật liệu từ một bên. Thiết bị siêu âm đầu tiên, sử dụng nguyên lý thu từ sóng siêu âm, được giới thiệu vào cuối năm 1940. Thiết bị nhỏ, sách tay tiện lợi cho nhiều ứng dụng khác nhau trở nên rộng rãi vào năm 1970. Sau đó với công nghệ vi xử lý tiên tiến đã đưa chúng lên tầm cao mới với những thiết bị nhỏ, tinh vi, dễ sử dụng.

1. Có thể đo được những gì:

Hầu như bất cứ vật liệu kỹ thuật thông thường nào đều có thể đo bằng siêu âm. Các thiết bị đo chiều dày siêu âm có thể cài đặt cho kim loại, nhựa, vật liệu tổng hợp, sợi thuỷ tinh, gốm, và thuỷ tinh. Có thể đo chiều dày các sản phẩm nhựa đùn hoặc kim loại cán trên dây truyền và cũng có thể đo từng lớp hoặc lớp vỏ trong cấu trúc nhiều lớp. Mực chất lỏng và các mẫu sinh vật học cũng có thể đo. Đo bằng siêu âm luôn hoàn toàn là không phá huỷ, không cần cắt hoặc phân đoạn.

Vật liệu không thích hợp để đo bằng siêu âm thông thường là gỗ, giấy, bê tông, và sản phẩm bọt.

2. Các thiết bị đo chiều dày siêu âm hoạt động như thế nào?

Năng lượng âm có thể được tạo trên dải băng tần rộng. Âm thanh có thể nghe thấy xuất hiện ở dải tần số thấp với giới hạn trên khoảng 20 000 chu kỳ trên giây (20 Kilohertz). Siêu âm là năng lượng âm ở tần số cao hơn giới hạn của con người có thể nghe được. Phần lớn kiểm tra siêu âm được thực hiện trong dải tần số giữa 500 KHz và 20 MHz, mặc dù một số thiết bị chuyên dụng có thể sử dụng tần số thấp đến 50 KHz hoặc thấp hơn và cao tới 225 MHz. Bất cứ ở tần số nào, năng lượng âm bao gồm các dao động cơ học truyền qua môi trường như không khí hoặc thép theo định luật cơ bản của vật lý về sóng.

Tất cả các thiết bị đo chiều dày siêu âm đều hoạt động bằng cách đo chính xác thời gian sóng âm được tạo ra bởi đầu dò siêu âm truyền qua chiều dày của chi tiết. Vì sóng âm phản xạ từ mặt phân cách giữa hai vật liệu khác nhau, phép đo này thường được thực hiện từ một bên theo kỹ thuật xung vọng, trong đó thiết bị sẽ đo thời gian truyền vào chi tiết và phản xạ ở mặt đáy quay lại đầu dò.

Đầu dò bao gồm biến tử áp điện được kích hoạt bởi xung lực điện ngắn để tạo ra xung của sóng âm. Sóng âm được truyền vào chi tiết kiểm tra và truyền đến khi chúng đập vào mặt đáy hoặc mặt phân cách khác và phản xạ trở lại đầu dò. Đầu dò sẽ chuyển năng lượng âm thành năng lượng điện. Về bản chất, thiết bị nghe xung vọng từ mặt đối diện. Thời gian truyền chỉ khoảng vài phần triệu giây. Thiết bị được lập trình với vận tốc âm trong vật liệu, từ đó có thể tính chiều dày của vật liệu bằng công thức toán học đơn giản.

T = (V) x (t/2)

trong đó

T = Chiều dày của chi tiết
V = Vận tốc âm trong vật liệu kiểm tra
t = Thời gian truyền một vòng đo được

Điều quan trọng cần phải chú ý là vận tốc âm trong vật liệu kiểm tra là phần chủ yếu trong phép tính này. Các vật liệu khác nhau truyền sóng âm với vận tốc khác nhau, nói chung là nhanh hơn trong các vật liệu cứng và chậm hơn trong vật liệu mềm hơn, và vận tốc âm có thể thay đổi đáng kể với nhiệt độ. Do vậy luôn luôn phải chuẩn thiết bị đo chiều dày siêu âm với vận tốc âm trong vật liệu cần đo, và độ chính xác chỉ có thể đạt tới như phép chuẩn đó.
Sóng âm trong dải MHz không truyền hiệu quả trong không khí, nên chất tiếp âm được sử dụng giữa đầu dò và chi tiết kiểm tra để đạt được sự truyền âm tốt. Các chất tiếp âm thông dụng là glycerin, propylene glycol, nước, dầu, và gel. Chỉ cần một lượng tiếp âm nhỏ, đủ để điền đầy khe hở không khí có thể tồn tại giữa đầu dò và bề mặt chi tiết.

Có ba cách thông dụng để đo khoảng thời gian sóng âm truyền qua chi tiết. Cách 1 là phương pháp thông dụng nhất, đo đơn giản khoảng thời gian giữa xung kích hoạt để phát sóng âm và xung phản xạ thứ nhất và trừ đi giá trị lệch 0 bù cho phần trễ của bản thân thiết bị, dây cáp, và đầu dò. Cách 2 yêu cầu đo khoảng thời gian giữa xung phản xạ từ mặt trước và mặt đáy của chi tiết. Cách 3 yêu cầu đo khoảng thời gian giữa hai xung đáy liên tiếp. Dạng đầu dò và yêu cầu cụ thể của ứng dụng thường sẽ đưa ra sự lựa chọn cách đo.


3. Các loại đầu dò

Đầu dò tiếp xúc: Đầu dò tiếp xúc được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với chi tiết kiểm tra. Phép đo với đầu dò tiếp xúc thường thực hiện đơn giản nhất và là sự lựa chọn đầu tiên cho các ứng dụng đo chiều dày bằng siêu âm thông dụng hơn là để đo ăn mòn.

Đầu dò trễ: Đầu dò trễ kết hợp phần trụ bằng chất dẻo, epoxy, hoặc silica nóng chảy giữa biến tử của đầu dò và chi tiết kiểm tra. Lý do chính sử dụng chúng là để đo vật liệu mỏng vì cần thiết tách xung phát ra khỏi xung đáy. Phần trễ có thể sử dụng như phần cách nhiệt, bảo vệ biến tử rất nhạy với nhiệt độ của đầu dò khi tiếp xúc với chi tiết nóng, và phần trễ này cũng có thể được tạo hình dạng hoặc đường bao để tiếp âm với các mặt cong đột ngột hoặc những vị trí khó tiếp cận.

Đầu dò nhúng: Đầu dò nhúng sử dụng cột nước hoặc bể nước để truyền năng lượng âm vào chi tiết kiểm tra. Chúng có thể được sử dụng để đo các sản phẩm chuyển động trên dây truyền, phép đo quét, hoặc tối ưu sự truyền âm đối với các cung nhỏ, rãnh, hoặc máng.

Đầu dò kép: Đầu dò kép được sử dụng chủ yếu để đo trên các bề mặt thô ráp, ăn mòn. Các biến tử phát và thu riêng rẽ được gắn phần trễ nghiêng một góc nhỏ để hội tụ năng lượng âm ở khoảng cách đã chọn trong chi tiết. Mặc dù phép đo với đầu dò kép đôi khi không được chính xác như các loại đầu dò khác, nhưng chúng thực hiện tốt hơn trong các ứng dụng kiểm tra sự ăn mòn.

4. Những yếu tố cần quan tâm:

Trong các ứng dụng đo bằng siêu âm, sự lựa chọn thiết bị và đầu dò sẽ phụ thuộc vào vật liệu cần đo, dải chiều dày, kích thước hình học, nhiệt độ, yêu cầu về độ chính xác và những điều kiện đặc biệt có thể có. Sau đây là các yếu tố chính cần được quan tâm.

Vật liệu: Loại vật liệu và dải chiều dày sẽ đo là những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị và đầu dò. Rất nhiều vật liệu kỹ thuật thông thường bao gồm phần lớn kim loại, gốm, và thủy tinh truyền sóng âm rất hiệu quả và có thể đo dải rộng cho chiều dày. Phần lớn các chất dẻo hấp thụ năng lượng âm nhanh hơn vì vậy dải đo chiều dày cao nhất bị hạn chế nhiều, nhưng vẫn có thể đo dễ dàng trong phần lớn các điều kiện sản xuất. Cao su, sợi thủy tinh, và nhiều loại vật liệu tổng hợp suy giảm năng lượng âm nhiều hơn và luôn yêu cầu thiết bị có khả năng truyền sâu cùng với bộ thu/phát được tối ưu hóa cho hoạt động với tần số thấp.

Chiều dày: Dải chiều dày cũng đóng vai trò quyết định tới loại thiết bị và đầu dò nên lựa chọn. Nói chung, vật liệu mỏng đo ở tần số cao và vật liệu dày hoặc vật liệu suy giảm âm nhiều cần đo ở tần số thấp. Đầu dò trễ thường được sử dụng cho vật liệu quá mỏng, tuy nhiên đối với đầu dò trễ (và nhúng) chiều dày lớn nhất có thể đo được bị hạn chế bởi ảnh hưởng bởi sự lặp của xung bề mặt. Trong một số trường hợp yêu cầu đo dải rộng chiều dày và hoặc nhiều loại vật liệu, có thể yêu cầu hai loại đầu dò trở lên.

Kích thước hình học: Khi độ cong của bề mặt càng lớn, hiệu quả truyền âm giữa đầu dò và chi tiết kiểm tra càng giảm, nên khi độ cong tăng lên thì kích thước của đầu dò cần giảm đi. Phép đo trên bề mặt cong đột ngột, đặc biệt là mặt lõm, có thể yêu cầu đầu dò trễ đặc biệt bám sát mặt cần đo hoặc đầu dò nhúng để truyền âm được hiệu quả. Đầu dò trễ hoặc nhúng cũng có thể được sử dụng để đo ở các đường rãnh, lỗ hổng và những khu vực tương tự nhưng tiếp cận bị hạn chế.

Nhiệt độ: Đầu dò tiếp xúc thông thường nói chung được sử dụng trên bề mặt có nhiệt độ tới 50 độ C. Nếu sử dụng đầu dò tiếp xúc trên vật liệu nóng hơn có thể gây hư hại vĩnh viễn bởi ảnh hưởng của sự giãn nở vì nhiệt. Trong những trường hợp như vậy nên sử dụng đầu dò trễ với phần trễ chịu nhiệt, đầu dò nhúng, hoặc đầu dò kép chịu được nhiệt độ cao.

Sự đảo pha: Đôi khi có những ứng dụng mà vật liệu có âm trở nhỏ liên kết với vật liệu có âm trở cao hơn. Các ví dụ điển hình là lớp phủ bằng chất dẻo, cao su, và thủy tinh trên thép hoặc kim loại khác, và lớp polymer bao phủ trên sợi thủy tinh. Trong những trường hợp này thì xung phản xạ từ mặt phân cách giữa hai vật liệu sẽ đảo pha so với xung thu được từ mặt phân cách với không khí. Tình trạng này có thể điều chỉnh đơn giản trong thiết bị, nhưng nếu không tính đến thì kết quả đọc sẽ không chính xác.

Độ chính xác: Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo trong ứng dụng nhất định, bao gồm chuẩn thiết bị đúng cách, tính đồng đều của vận tốc âm trong vật liệu, độ suy giảm và tán xạ âm, độ ráp của bề mặt, độ cong bề mặt, tiếp xúc kém, và độ không song song của mặt đáy. Tất cả những yếu tố này cần được quan tâm khi lựa chọn thiết bị và đầu dò. Với hiệu chuẩn đúng cách, phép đo có thể được thực hiện với độ chính xác +/- 0.001" hay 0.01 mm, và trong một số trường hợp độ chính xác có thể đạt tới 0.0001" hay 0.001 mm. Độ chính xác trong một ứng dụng nhất định có thể xác định tốt nhất thông qua sử dụng mẫu đối chứng đã biết chính xác chiều dày. Nói chung, thiết bị sử dụng đầu dò trễ hoặc đầu dò nhúng với cách đo 3 thì có khả năng xác định chiều dày của chi tiết chính xác nhất.

chào anh! ở đoạn thứ 5 của phần 2
2. Các thiết bị đo chiều dày siêu âm hoạt động như thế nào?
Có ba cách thông dụng để đo khoảng thời gian sóng âm truyền qua chi tiết. Cách 1 là phương pháp thông dụng nhất, đo đơn giản khoảng thời gian giữa xung kích hoạt để phát sóng âm và xung phản xạ thứ nhất và trừ đi giá trị lệch 0 bù cho phần trễ của bản thân thiết bị, dây cáp, và đầu dò. Cách 2 yêu cầu đo khoảng thời gian giữa xung phản xạ từ mặt trước và mặt đáy của chi tiết. Cách 3 yêu cầu đo khoảng thời gian giữa hai xung đáy liên tiếp. Dạng đầu dò và yêu cầu cụ thể của ứng dụng thường sẽ đưa ra sự lựa chọn cách đo.

Em không rõ lắm về cách thứ 3, làm sao tính ra bề dày từ time giữa 2 xung đáy . anh giúp em với. thanks anh