CN106441176A - 一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，利用空气耦合超声自动化检测系统对至少一组多层薄膜进行厚度测量，检测采用透射式方式；所述空气耦合超声自动化检测系统至少包含一个超声发射器和超声接收器，一组多层薄膜的结构为两层厚度相同的单层薄膜，中间通过硅胶粘合在一起；本发明的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，提出一种对环境友好，可以应用到工业自动化的快速检测薄膜厚度的方法；其具有无污染性、准确性、稳定性和方便性等优点，替代了目前广泛使用的对环境有辐射污染的以及容易造成X射线装置老化的X射线薄膜检测方法。

Description

一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法

技术领域

本发明属于检测领域，具体地说涉及一种空气耦合超声波检测薄膜的厚度的方法。

背景技术

工业生产中，薄膜厚度检测的传统方法一般是X射线；薄膜厚度小于几百微米时，相比普通的螺旋测微器，X射线检测薄膜厚度的特点是不接触，且可以应用到工业自动化生产线中。

X射线检测容易对环境产生有害的放射污染，对操作人员的身体健康造成伤害；由于X射线固声的高能放射性，X射线检测薄膜装置的接收灵敏度会在不长的时间内发生比较大的变化，发射装置的稳定性也会降低，而薄膜厚度的检测结果直接与接收到的X射线能量相关，所以X射线检测薄膜厚度的稳定性和准确性急需改进；薄膜在实际生产中存在上下起伏振动的现象，影响了X射线检测的精确度。所以X射线检测薄膜厚度的方法急需改进。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种空气耦合超声波检测薄膜的厚度的方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，利用空气耦合超声自动化检测系统对单层或多层薄膜进行厚度测量，检测采用透射式方式；多层薄膜结构包含多个单层薄膜，每两个单层薄膜之间均设置有硅胶层；所述空气耦合超声自动化检测系统至少包含一个超声波发射器和超声波接收器。

优选的，根据方程式(15)：

式中，N为多层薄膜结构的总层数；A₀为超声发射器发出的超声波为平面波的幅值，A_N+1′为超声接收器收到的超声波平面波的幅值；h₀为超声发射器到第一层薄膜上表面的距离；h_N+1为最后一层薄膜下表面到超声接收器的距离，h₁、h₂、h₃···h_N依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜···第N层薄膜的厚度；σ₀和σ_N+1分别为超声发射器和超声接收器处的超声波在空气中指数衰减的常数，σ₁、σ₂和σ₃依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜的超声波的衰减系数；T₀₁为超声波从空气中垂直入射到第一层薄膜的透射常数，T₁₂、T₂₃、T₃₄…T_N(N+1)依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜…第N层薄膜的超声波透射常数；其中，A_N+1′、h₁、h₂、h₃…h_N未知，其它项都是常数；所述薄膜结构为单层时，即N＝1，方程式(15)变为式中，只声A₂′和h₁未知；得出，单层薄膜或多层薄膜的空气耦合超声波幅值与薄膜厚度呈指数衰减关系。

优选的，所述薄膜结构为多层时，其中，空气耦合超声波幅值已知；将方程式(15)的两边同时取自然对数，得到方程式(16)：

lnA_N+1′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-h₁σ₁-h₂σ₂-h₃σ₃…-h_Nσ_N

(16)

由于薄膜层的材质相同，即σ₁＝σ₃…＝σ_N；每两个薄膜层之间的硅胶层的材质相同，即σ₂＝σ₄…＝σ_N-1，方程式(16)化简为：

lnA_N+1′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-(h₁+h₃+…h_N)σ₁-(h₂+h₄+…h_N-1)σ2(17)

式中：只有A_N+1′、(h₁+h₃...+h_N)和(h₂+h₄...+h_N-1)三项未知，其它均为常数；因此，方程式(17)可记为：

z＝ax+by+c (18)

式中：a＝-σ₁；b＝-σ₂；c＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄...T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀；x＝h₁+h₃...+h_N，为单层薄膜层的厚度和；y＝h₂+h₄...+h_N-1，为硅胶层的厚度和；z＝ln A_N+1′，为薄膜空气耦合超声波幅值的对数；在方程式(18)中，已知空气耦合超声波幅值，每两个薄膜层之间的硅胶层的的材质相同，可将方程式(18)简化为：

z＝ax+d或者

式中：d＝by+c为新的常数；在方程式(19)中，常数a和d标定后就可以根据任意薄膜的空气耦合超声波幅值检测薄膜的厚度。

优选的，所述超声波发射器和超声波接收器为聚焦型空气耦合超声波换能器，所述被测薄膜设置在超声波发射器和超声波接收器的焦点位置。

优选的，所述聚焦型空气耦合超声换能器的焦距为50mm，景深为10mm。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，提出一种对环境友好，可以应用到工业自动化的快速检测薄膜厚度的方法；其具有无污染性、准确性、稳定性和方便性等优点，替代了目前广泛使用的对环境有辐射污染的以及容易造成X射线装置老化的X射线薄膜检测方法。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明的一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法的示意图；

附图2为本发明的一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法的空气耦合超声波信号图；

附图3为本发明的一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法的PET薄膜试样的二元线性拟合图；

附图4为本发明的一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法的PET薄膜试样的一元线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明。

本发明所述的是一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，检测采用透射式方式，检测系统至少包含一个超声波发射器、一个超声波接收器和一组检测试样；不失一般性，检测试样举例为一组三层结构的薄膜，由单层薄膜层和胶粘层组成，粘胶层为工业中常见的硅胶。

空气耦合超声波检测系统对薄膜试样进行检测，薄膜试样超声波信号的时域图如图2所示。检测为透射方式，薄膜试样为两层材质相同薄膜粘接而成，总厚度80μm，换能器频率350kHz。从图中可以看出，空气耦合超声波检测系统对薄膜试样有很好的灵敏度。

通过空气耦合超声波检测系统对薄膜试样进行自动化检测，薄膜分别为三层结构(总厚度100μm)和二层结构(总厚度80μm)。三层结构中含有自然气泡，换能器频率550kHz。在实际扫描检测图中，浅蓝色代表的薄膜厚度为100μm，黄绿色代表的薄膜为厚度80μm，深蓝色区域代表着被检测的气泡，区域的位置、大小和形状代表着气泡的位置、大小和形状。扫描对薄膜的不同厚度和气泡进行了很清晰的区分。因此空气耦合超声波检测对薄膜厚度变化有很高的分辨率。

一组三层结构的PET薄膜试样(10个样本)的检测结果如表1所示。

表中，薄膜厚度和单层薄膜层厚度和是用螺旋测微器测量的，测量误差取螺旋测微器的系统误差1μm。计算两层单层薄膜层之间的硅胶层厚度，估算系统误差3μm。空气耦合超声波检测系统(型号：PRACUT-110)对薄膜试样进行检测，检测方式为透射式。段多次幅值检测的平均，并计算幅值的自然对数。

表1.PET薄膜试样的检测

假设三层PET薄膜试样结构中，两层单层薄膜层厚度分别为h₁和h₃，中间硅胶层厚度为h₂。超声波发射换能器发出的超声波为平面波且幅值大小为A₀，根据超声波在空气中的传播规律，超声波传播到空气层和单层薄膜层1的交界面时的幅值为A₀′，得A₀和A₀′的关系为：

式中：e为自然对数的底数；h₀为空气耦合超声发射换能器到最近薄膜层表面的距离；σ₀为超声波在空气中传播的指数衰减常数。

记超声波经过空气层和单层薄膜层1的交界面，透射到单层薄膜层1的超声波幅值为A₁。根据超声波在界面处发生的折射规律，记空气中透过薄膜介质1的超声波幅值为A₁，根据超声波的传播特性，幅值A₁和A₀′的关系为：

A₁＝A₀′T₀₁ (2)

式中：T₀₁为超声波在空气层到单层薄膜层1的界面透射系数。

同理，依次类推：

A₂＝A₁′T₁₂ (4)

A₃＝A₂′T₂₃ (6)

A₄＝A₃′T₃₄ 8)

式中：A₁′、A₂′、A₃′和A₄′分别为超声波在单层薄膜层1、硅胶层1、单层薄膜层2和空气层2中向前传播到达交界面时的幅值大小；h₁、h₂、h₃和h₄分别为单层薄膜层1、硅胶层1、单层薄膜层2和空气层2的厚度；T₁₂、T₂₃和T₃₄分别为超声波经过单层薄膜层1到硅胶层1、硅胶层1到薄膜层2、薄膜层2到空气层2的界面透射常数；σ₁、σ₂、σ₃和σ₄分别为超声波在单层薄膜层1、硅胶层1、单层薄膜层2和空气层2中的衰减系数。

空气层中的衰减系数相等，所以

σ₄＝σ₀ (10)

综合方程式(1)-(10)，得：

方程式两边同时取自然对数，得：

lnA₄′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄)-(h₀+h₄)σ₀-h₁σ₁-h₂σ₂-h₃σ₃

(12)

式中：只有A₄′、h₁、h₂、h₃未知，其它项都是常数。方程式可写为：

z＝ax+by+c (18)

式中：a＝-σ₁；b＝-σ₂；c＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄)-(h₀+h₄)σ₀；x＝h₁+h₃，为单层薄膜层厚度和；y＝h₂，为硅胶层厚度；z＝ln A₄′，为薄膜空气耦合超声波幅值的对数。

按照上述推导过程对表1中的9个三层结构的PET薄膜试样样本数据进行二元一次多项式拟合，如图3所示。图中，拟合曲线的函数方程为z＝-0.007695x-0.01343y+8.091；R²＝0.9999。这表明，薄膜的空气耦合超声波幅值的对数与薄膜厚度呈良好的线性函数关系。

特别的，实际生产中，单层薄膜层中间粘合的硅胶层厚度通常是稳定不变的，即h₂是一个常量，方程式简化为：

z＝ax+d或者

式中：d＝by+c为新的常数。方程式(19)中，如果已知2组数据，即可标定常数a和d。如果超过2组已和数据，可以利用最小二乘法更加准确地标定常数a和d。常数a和d标定后就可以根据任意薄膜的空气耦合超声波幅值检测薄膜的厚度。

选取表1中硅胶层估算厚度都为10μm的6个PET薄膜样本(标号分别为3、5、6、7、8、9)组成表格2，如下所示：

表2. PET薄膜试样的检测(硅胶层厚度相同)

表2中，对每一个薄膜样本，首先用其它所有样本的检测数据根据最小二乘法原理计算参数a和d，然后根据空气耦合超声波检测的薄膜幅值的自然对数估算单层薄膜层厚度和，并和实际测量值比较，计算估算误差和误差百分比。观察发现，本发明提出的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，检测值小于100μm时，与实际测量值的误差小于1μm；检测值大于100μm时，与实际测量值的误差也在误差允许的范围内。

对表2的6个PET薄膜试样(硅胶层厚度相同)进行一元线性拟合，如图4所示。拟合函数为z＝-0.007512*x+7.941；R²＝0.9984。拟合结果良好。

只要超声波发射换能器发出的趋声波幅值A₀保持稳定，且空气耦合超声波接收换能器的性能不变，方程式(18)和(19)的线性系数就不会变化。

实际应用中，传统X射线接收器的灵敏度容易在工作一段时间后老化下降，而空气耦合超声波接收换能器接收的是微小能量，所以换能器的稳定性较好，可以长时间稳定地工作。相比X射线定射装置需要数十万伏的高压，空气耦合超声波发射换能器所需的工作电压仅在一百伏的量级，而且空气耦合超声波换能器本身的稳定性也非常好，所以空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法容易保证超声波A₀长时间保持在稳定的水平。特殊的，实际中如果发生A₀强度减小的情况，只要适当调整空气耦合超声检测的发射电压就可以补偿A0的强度。实际应用中，可以定期的移走检测样品，通过调节发射电压等简单操作来校准检测系统的准确度。

实际生产应用中，为进一步提高空气耦合超声波检测薄膜厚度的稳定性，可采用聚焦型空气耦合超声波换能器。将被测薄膜放在超声波发射和接收换能器的焦点位置，由于聚焦型空气耦合超声换能器检测时允许一定的景深起伏，所以薄膜在景深范围内振动时对检测结果的影响可以忽略。这种检测时允许样品振动的特点在实际应用中非常重要。由于机械振动的原因，自动化流水线上的薄膜通常都会上下震动。不失一般性，本发明采用焦距50mm，景深10mm的聚焦型空气耦合超声换能器，当被测薄膜在距离发射换能器45mm到55mm的范围内起伏振动时，薄膜厚度的检测结果在误差范围内固定不变。

上述实施例只为说明本发明的技水构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，部应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，其特征在于：利用空气耦合超声自动化检测系统对单层或多层薄膜进行厚度测量，检测采用透射式方式；多层薄膜结构包含多个单层薄膜，每两个单层薄膜之间均设置有硅胶层；所述空气耦合超声自动化检测系统至少包含一个超声波发射器和超声波接收器。

2.根据权利要求1所述的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，其特征在于：根据方程式(15)：

${A_{N+1}}^{\′}=A_0{T}_{01}{T}_{12}{T}_{23}{T}_{24}...T_{N(N+1)}{e}^{-(h_0+h_{N+1}){\mathrm{\σ}}_0-h_1{\mathrm{\σ}}_1-h_2{\mathrm{\σ}}_2-h_3{\mathrm{\σ}}_3...-h_N{\mathrm{\σ}}_N}---\left(15\right)$

式中，N为多层薄膜结构的总层数；A₀为超声发射器发出的超声波为平面波的幅值，A_N+1′为超声接收器收到的超声波平面波的幅值；h₀为超声发射器到第一层薄膜上表面的距离；h_N+1为最后一层薄膜下表面到超声接收器的距离，h₁、h₂、h₃…h_N依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜…第N层薄膜的厚度；σ₀和σ_N+1分别为超声发射器和超声接收器处的超声波在空气中指数衰减的常数，σ₁、σ₂和σ₃依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜的超声波的衰减系数；T₀₁为超声波从空气中垂直入射到第一层薄膜的透射常数，T₁₂、T₂₃、T₃₄…T_N(N+1)依次为第一层薄膜、硅胶层、第二层薄膜…第N层薄膜的超声波透射常数；其中，A_N+1′、h₁、h₂、h₃…h_N未知，其它项都是常数；所述薄膜结构为单层时，即N＝1，方程式(15)变为式中，只有A₂′和h₁未知；得出，单层薄膜或多层薄膜的空气耦合超声波幅值与薄膜厚度呈指数衰减关系。

3.根据权利要求2所述的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，其特征在于：所述薄膜结构为多层时，其中，空气耦合超声波幅值已知；将方程式(15)的两边同时取自然对数，得到方程式(16)：

lnA_N+1′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-h₁σ₁-h₂σ₂-h₃σ₃…-h_Nσ_N(16)

由于薄膜层的材质相同，即σ₁＝σ₃…＝σ_N；每两个薄膜层之间的硅胶层的材质相同，即σ₂＝σ₄…＝σ_N-1，方程式(16)化简为：

lnA_N+1’＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-(h₁+h₃+…h_N)σ₁-(h₂+h₄+…h_N-1)σ₂(17)

式中：只有A_N+1′、(h₁+h₃…+h_N)和(h₂+h₄…+h_N-1)三项未知，其它均为常数；因此，方程式(17)可记为：

z＝ax+by+c (18)

式中：a＝-σ₁；b＝-σ₂；c＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀：x＝h₁+h₃…+h_N，为单层薄膜层的厚度和；y＝h₂+h₄…+h_N-1，为硅胶层的厚度和；z＝lnA_N+1′，为薄膜空气耦合超声波幅值的对数；在方程式(18)中，已知空气耦合超声波幅值，每两个薄膜层之间的硅胶层的材质相同，可将方程式(18)简化为：

z＝ax+d或者

式中：d＝by+c为新的常数；在方程式(19)中，常数a和d标定后就可以根据任意薄膜的空气耦合超声波幅值检测薄膜的厚度。

4.根据以上任意一项权利要求所述的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，其特征在于：所述超声波发射器和超声波接收器为聚焦型空气耦合超声波换能器，所述被测薄膜设置在超声波发射器和超声波接收器的焦点位置。

5.根据权利要求4所述的空气耦合超声波检测薄膜厚度的方法，其特征在于：所述聚焦型空气耦合超声换能器的焦距为50mm，景深为10mm。