CN106092003B - 多层聚合物管状制品层厚无损测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，包括(1)求取待检测层厚的一层或多层材料分别对应的声阻抗；(2)利用声阻抗求取超声波在对应层材料中传播的声速；(3)垂直向制品发射超声波，记录超声检测探头分别接收到待检测层厚的某一层材料上表面和下表面反射回波的时间间隔；(4)利用超声波在待检测层厚的某一层中的声速和该层对应的所述时间间隔，得到该层的厚度，进而得出所有待检测层厚的一层或多层的层厚。本发明的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，通过测量声阻抗，求得超声波的传播声速，进而结合超声波测量的时间间隔，求得对应层的层厚，整个过程不需要对管状制品进行破坏，避免了浪费；且测量精度高，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于制品层厚度测量技术领域，具体是涉及一种多层聚合物管状制品层厚无损测量方法。
背景技术
塑料注射成型广泛应用于塑料产品的制造，例如汽车组件、家电外壳、电子产品外壳等。共注成型(Co-Injection Molding，简称COIM)和流体辅助共注成型(Fluid-AssistedCo-Injection Molding，简称FACOIM)是用两种以上聚合物熔体依次注入模腔，先注入的熔体为制品的表层，后注入的熔体为制品的芯层，最后形成内外多层聚合物复合的制品。若将废旧塑料作为内层聚合物材料使用，可实现废旧塑料的回收利用。共注成型或辅助共注成型可以得到壁厚尺寸差异较大和性价比更高的复杂制品，实现塑料制品的多样化要求。同时可以降低设备投资，因而在塑料制品成型中被广泛使用。多层聚合物共注成型的制品中各层厚度的精度影响着制品的品质，有效控制壁厚是共注成型和流体辅助共注成型成熟的重要标准。
目前各层壁厚的测量方法主要是将制品切开来机械测量其横截面。这种方法最大的缺点是需要破坏制品。而利用超声波的测量方法具有快速、无损的优点，而且除了可以测量各塑料层的壁厚外，还可以间接测量制品内部空心层的厚度(流体辅助共注成型)。超声波的方法可以进一步扩展到制品成型过程中各层壁厚的实时在线测量，为实时调整注塑工艺参数提供便利，以优化制品的成型效果。
目前报道的用于多层聚合物制品层厚的测量方法，均需要对制品进行破坏，测量方法效率低，适用范围窄，实用性不强。
发明内容
本发明提供了一种多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，全程不需要对制品进行破坏，可适于各种管状制品的测量。
一种多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，包括如下步骤：
(1)求取待检测层厚的一层或多层材料分别对应的声阻抗；
(2)利用声阻抗求取超声波在对应层材料中传播的声速；
(3)垂直向制品发射超声波，记录超声检测探头分别接收到待检测层厚的某一层材料上表面和下表面反射回波的时间间隔；
(4)利用超声波在待检测层厚的某一层中的声速和该层对应的所述时间间隔，得到该层的厚度，进而得出所有待检测层厚的一层或多层的层厚。
作为优选，所述管状制品为n层结构，n为大于等于1的自然数，定义表层为第1层，最内层为第n层，步骤(1)中，求取各层材料的声阻抗的方法如下：
(1-1)利用同一超声探头发出同样的入射波到标准样和管状制品外表面，分别测量它们外表面的反射回波；作为优选方案，该步骤中采用的超声探头以及入射波方向等都与步骤(3)相同；
(1-2)利用下述公式求取管状制品表层的声阻抗：
上式中，Z1为管状制品表层的声阻抗；ZL为标准样的声阻抗、Z0为探头与被测件之间的耦合介质的声阻抗；这里的被测件包括标准样和管状制品；耦合介质一般为气体或者水；
(1-3)利用下述公式依次求出管状制品其余层的声阻抗：
上式中，Zi-1、Zi、Zi+1分别表示第i-1层、第i层和第i+1层材料的声阻抗，i为1-n的自然数，i＝1时，Zi-1＝Z0；i＝n时，Zi+1＝Zn+1，Z0和Zn+1分别表示与管状制品表层和芯层接触的介质的声阻抗。
作为优选，所述标准样为标准铝块。所述标准样也可选择其他声阻抗已知的材料，比如铜块、铁块和玻璃等。
作为优选，所述介质为水或气体。比如介质可选自空气、氮气、惰性气体等。
作为优选，所述管状制品为流体辅助共注成型制品或共注成型制品。比如可以为液体辅助共注成型制品或者气体辅助共注成型制品。所述制品芯部即可以是对外连通的结构，此时，里面可以充满水或者空气等；芯部也可以是对外封闭的结构，此时介质一般为空气。所述管状制品的横截面可以是圆形、矩形、三角形、椭圆形等等各种结构。
本发明可对各种材料的多层管状进行测量，比如非结晶型聚合物ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)、PS(聚苯乙烯系塑料)、PC(聚碳酸酯树脂)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等和结晶型聚合物PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)、PLA(聚乳酸)等。
作为优选，所述管状制品为两层。作为进一步优选，所述管状制品表层塑料为高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，简称为“HDPE”)、内层塑料为聚丙烯。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，通过测量声阻抗，求得超声波的传播声速，进而结合超声波检测的时间间隔，求得对应层的层厚，整体方法简单，容易实施；整个过程不需要对管状制品进行破坏，避免了浪费；且测量精度高，实用性强。
附图说明
图1为超声波在水及多层材料复合结构的试样中的传播过程示意图；
图2为试样与标准铝块反射波对比法测量声阻抗的示意图；
图3为超声波在水及试样中的传播示意图；
图4为实施例中试样的实物照片(图4中(a))和截面形状尺寸(图4中(b))；
图5为超声波在标准铝块(图5中(a))和试样外层表面的反射回波信号(图5中(b))；
图6为超声波在试样中传播时各界面的反射回波信号；
图7为将试样截面淬断后拍的扫描电镜照片((a)为HDPE层厚度(b)为PP层厚度)。
具体实施方式
如图1所示为超声波在水及多层材料复合结构的试样中的传播过程示意图，超声波从第i-1层材料垂直入射至第i层材料中，在第i-1层材料与第i层材料的界面处的声压反射系数Ri和声压透射系数Ti分别如式(1)、(2)所示：
式中，Zi-1和Zi分别为第i-1层和第i层材料的声阻抗。不考虑衰减，第i层材料上表面(靠近管状制品表层)和下表面(靠近管状制品芯部)的反射波声压幅值之间有如下关系：
式中Ri表示从第i-1层到第i层的声压反射系数，Ti表示从第i-1层到第i层的声压透射系数，T’i表示第i层到第i-1层的声压透射系数，i＝1～n，Ai为探头接收到的第i层材料上表面反射回波的声压幅值，Ai+1为探头接收到的第i+1层材料上表面反射回波的声压幅值或者第i层材料下表面反射回波的声压幅值，可由实验测得；其中pi为入射波的声压。
将公式(1)、(2)代入公式(3)，得到公式(4)。
式中Zi-1、Zi、Zi+1分别表示第i-1层、第i层和第i+1层材料的声阻抗，i＝1～n。i＝1时，Zi-1＝Z0；i＝n时，Zi+1＝Zn+1。Z0和Zn+1都表示水的声阻抗，在20℃时水的声阻抗为1.48×106N.S/m3，Ai(i＝1～n)可由实验测得。因此，公式(4)中仅Zi(i＝1～n)n个未知数，该方程组可联立n个方程，因此可以求解Zi(i＝1～n)。
但直接求解公式(4)较为复杂，为简便计算，先用试样与标准铝块的对比实验来求解第1层材料(即制品表层)的声阻抗Z1，再用公式(4)依次计算第2～n层材料的声阻抗Zi(此处i＝2～n)。
试样与标准铝块反射波对比法测量声阻抗的示意图如图2所示，用同一超声探头发出同样的声压为pi的入射波到铝块和试样的上表面，分别测量它们上表面的反射回波的声压幅值pr1和pr2，则两者上表面反射回波的声压幅值比可由公式(5)表示。
式中A表示铝和试样上表面反射波的幅值比，可通过实验测得，R1和R2分别表示铝块和试样上表面的反射率，ZL、Z1、Z0分别为铝块、第1层材料和水的声阻抗，其中ZL、Z0为已知值。
经变换求解Z1可得公式(6)。
求得Z1后，代入公式(4)可得Z2，根据求的Z2可根据公式(4)求得Z3，同理依次求得Zi(i＝4～n)。
又声阻抗与密度和声速的关系如公式(7)。
c＝z/ρ (7)
式中，c为声速，z为材料的声阻抗，ρ为材料的密度。
若材料的密度已知，则公式(7)可计算超声波在各层材料中的声速ci(i＝1～n)，从而可以根据公式(8)计算各层材料的厚度hi(i＝1～n)。
式中，Δti表示探头分别接收到第i层材料上表面和下表面反射回波的时间间隔。
具体测量例：
下面以HDPE/PP两层材料构成的气辅共注制品为例进行测量计算，图3所示为超声波在水及试样中的传播示意图。试样表层塑料为高密度聚乙烯(HDPE，牌号DMDA-8008)、内层塑料为聚丙烯(PP，牌号1102K)。其成型工艺参数如表1所示，试样的实物照片(图4中(a))和截面形状尺寸(单位：毫米)(图4中(b))如图4所示。
表1气辅共注成型工艺参数
表1中A、B料分别表示内、外层塑料。
超声发射采集装置为广东汕头超声电子有限公司生产的多通道超声探伤仪，型号为CTS-04PC。超声探头采用频率为5MHz、晶片直径8mm的窄脉冲探头，型号为5N8。既能满足分辨率的要求，又避免衰减过大。
测量结果
(1)根据上述内容所述的测量方法，先用标准铝块对比法测量HDPE的声阻抗Z1。超声波在标准铝块和试样上表面的反射回波信号分别如图5(a)和(b)所示。选取各自的最大声压幅值来计算比值，经多次实验采集数据求取平均值，铝块的最大声压幅值为127mV，试样的最大声压幅值为28mV，声压幅值比为A＝4.54。
(2)标准铝块的声阻抗ZL＝1.69×107N.S/m3，水的声阻抗Z0＝1.48×106N.S/m3，A＝4.54，代入公式(6)计算得HDPE的声阻抗Z1＝2.15×106N.S/m3。又HDPE的密度为951kg/m3，代入公式(7)计算得超声波在HDPE中的声速为c1＝2261.8m/s。
(3)超声波在试样中传播，各界面的反射回波信号如图6所示。经多次实验采集数据求取平均值，LB、LS、LG的最大幅值分别为A1＝170mV、A2＝32mV、A3＝122mV，将计算得到的HDPE声阻抗Z1＝2.15×106N.S/m3和水的声阻抗Z0＝1.48×106N.S/m3代入公式(4)可以得到PP的声阻抗Z2＝2.31×106N.S/m3，又PP的密度为918kg/m3，因此超声波在PP中的声速为c2＝2516.3m/s。
(4)图6采样的数据中△t1＝1483.1978ns，△t2＝1151.8451ns，将c1、c2、△t1、△t2代入公式(8)计算，得到h1＝1.68mm，h2＝1.45mm。总厚度h＝3.13mm。
图7是将试样截面淬断后拍的扫描电镜照片，并分别对两材料层进行了厚度测量。HDPE层的厚度为h* 1＝1.76mm(图7中(a))，PP层的厚度为h* 2＝1.42mm(图7中(b))。
由此可知，采用本发明的方法，能够准确的测量气辅共注成型工艺制得的制品的厚度。
Claims (7)
1.一种多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)求取待检测层厚的一层或多层材料分别对应的声阻抗；
所述管状制品为n层结构，定义表层为第1层，最内层为第n层，步骤(1)中，求取各层材料的声阻抗的方法如下：
(1-1)利用同一超声探头发出同样的入射波到标准样和管状制品外表面，分别测量它们外表面的反射回波；
(1-2)利用下述公式求取管状制品表层的声阻抗：
上式中，Z1为管状制品表层的声阻抗；ZL为标准样的声阻抗、Z0为探头与被测件之间的耦合介质的声阻抗；A表示标准样和管状制品外表面反射波的幅值比；
(1-3)利用下述公式依次求出管状制品其余层的声阻抗：
上式中，Zi-1、Zi、Zi+1分别表示第i-1层、第i层和第i+1层材料的声阻抗，i为1-n的自然数，i＝1时，Zi-1＝Z0；i＝n时，Zi+1＝Zn+1，Z0和Zn+1分别表示与管状制品表层和芯层接触的介质的声阻抗；
(2)利用声阻抗求取超声波在对应层材料中传播的声速；
(3)垂直向制品发射超声波，记录超声检测探头分别接收到待检测层厚的某一层材料上表面和下表面反射回波的时间间隔；
(4)利用超声波在待检测层厚的某一层中的声速和该层对应的所述时间间隔，得到该层的厚度，进而得出所有待检测层厚的一层或多层的层厚。
2.根据权利要求1所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述标准样为标准铝块、铜块、铁块和玻璃中的一种。
3.根据权利要求1所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述介质为水或气体。
4.根据权利要求1所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述管状制品为共注成型或流体辅助共注成型制品。
5.根据权利要求1所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述聚合物选自下列聚合物的一种或多种：非结晶型聚合物ABS、PS、PC、PMMA和结晶型聚合物PP、PE、PA、PLA。
6.根据权利要求1或4或5所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述管状制品为两层。
7.根据权利要求6所述的多层聚合物管状制品层厚无损测量方法，其特征在于，所述管状制品表层塑料为高密度聚乙烯、内层塑料为聚丙烯。
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