JP3043941B2 - 複層材料の表層厚さ測定方法 - Google Patents

複層材料の表層厚さ測定方法

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JP3043941B2
JP3043941B2 JP6035062A JP3506294A JP3043941B2 JP 3043941 B2 JP3043941 B2 JP 3043941B2 JP 6035062 A JP6035062 A JP 6035062A JP 3506294 A JP3506294 A JP 3506294A JP 3043941 B2 JP3043941 B2 JP 3043941B2
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敬和 小林
建志 宇田川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、クラッド鋼など表層
と内層で組成や組織が異なる複層材料の表層厚さを超音
波により効率良く正確、かつ確実に検出し、また複層材
料の表面が平滑でない場合に於ても効率良く正確、かつ
確実に検出することができる複層材料の表層厚さ測定方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】複層鋼板は、耐食性、耐摩耗性などが優
れた表層材を用いることで、内層材が持つ加工性、靭性
を損なうことなく耐久性を持たせた鋼材である。これら
の鋼材の耐食性、耐摩耗性などはその表層厚さに密接に
関連しているために、必要充分な表層厚さがあることを
保証することが、不可欠である。そのために何らかの方
法により、層厚さを非破壊的に測定することが必要不可
欠であり、超音波パルス反射法による測定が一般的に用
いられている。この複層鋼板の超音波パルス反射法によ
る表層厚さ測定法については、日刊工業編「超音波探傷
法」(1997年改定新版)P522−に開示されてい
る。
【0003】この方法を用いるには界面からの充分な反
射エコーが得られることが必要であり、ごく一般的な複
層鋼板の場合、例えば表層はSUS304材のようなオ
ーステナイト系ステンレス鋼、内層はSM400のよう
な鋼材の場合、界面からの超音波の反射率は1%程度と
かなり大きいために、容易に界面エコーが得られ、層厚
さ測定が可能である。
【0004】しかし、近年、連続鋳造時に直接複層鋼材
を造り、そのまま圧延して複層鋼板とする新製造法が開
発され、似通った組織や組成の鋼種を組み合せた複層鋼
板を容易に製造することが可能となった。この様な鋼材
では表層と内層で組成、組織が似通っているため界面で
の反射率が非常に小さくなり、そのために界面エコーも
非常に小さいものとなり、検出が困難となる。
【0005】上記課題を解決し、より効率良く正確、か
つ確実に検出する方法として、本発明者らは、特願平5
−091601号において、表面エコーを検出するため
には、低利得アンプを設けその低利得アンプからの出力
信号があらかじめ設定しておいたスレッシュホールドを
越える位置を特定し、また界面エコーを検出するために
は、更に低利得アンプの出力信号を高利得で増幅し、そ
の高利得アンプからの出力信号があらかじめ設定してお
いたスレッシュホールドを越える位置を特定し、それら
2つの特定した位置の時間差から表層厚さを測定すると
いう、2段階にアンプを設けることにより超音波パルス
反射法を改良する方法を提案した。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図4に示す、従来の超
音波パルス反射法を改良した2段階のアンプを設ける方
法では、低利得アンプの出力信号17を、界面エコーを
得るために、更にかなりの高利得で増幅するために、図
5に示すように高利得アンプからの出力信号18はかな
りS/N比が悪く、高利得アンプの出力信号に対して、
信号の立上りを読み取るためのスレッシュホールドをど
のレベルに設けるかが非常に困難となるばかりでなく、
時としてノイズレベルが設定しておいたスレッシュホー
ルドを越えることがあり、測定ミスの原因となる。
【0007】また、連続鋳造時に直接複層鋼材を造り、
そのまま圧延して複層鋼板とする新製造法においては、
早期時期に製造工程へ表層厚さ情報を提供するニーズが
高く、スラブ段階での表層厚さ測定が必要となってい
る。しかし、スラブでは表面のオシレーションマークの
ために、図5に示すように表面エコーが乱れてしまい、
層厚さ測定に必要不可欠な表面エコーのスレッシュホー
ルドレベルの設定、立上り位置の特定が非常に困難とな
るばかりではなく、界面エコーも表面での音波の散乱の
ために、さらに小さくなり測定が不可能となる。
【0008】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、表層と内層で組成や組織が似通った複層材料の表
層厚さを表面が平滑でない場合に於ても、超音波反射法
により効率良く正確に、かつ確実に検出する方法を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、超音波を送信する送信器と、超音波探
触子と、探触子の出力信号を増幅するアンプが、低利得
のアンプと、その出力に時間ゲートをかけたのち高利得
で増幅するアンプを備えた表層厚さ測定手段を用いた複
層材料の表層厚さ測定方法において、測定しようとする
試料の表層材と同一材質、かつ表層厚さとほぼ同一厚さ
の表面の滑らかな単相材から、前記低利得アンプを用い
予め採取した表面の信号を低アンプ用参照データ、裏面
の信号を高利得用参照データとしてデジタル化して保存
しておき、被測定試料に対する低利得アンプ、高利得ア
ンプの出力をそれぞれデジタル化して、それぞれに対応
した前記参照データとの相関関数計算をそれぞれに行
い、それらの最大値を示す時間の差と、予め求めてある
音速を掛けて表層厚さを求めることを特徴とする複層材
料の表層厚さ測定方法方法を提供するものである。
【0010】また、請求項1において、前記相関関数か
ら最大値を示す時間を求める方法が、相関関数計算によ
り得られた2つの関数に対し、それぞれの関数の絶対値
を取り、絶対値を取った2つの関数のそれぞれの包絡曲
線を計算し、それらの最大値を示す時間の差と、予め求
めてある音速を掛けて表層厚さを求めることを特徴とす
る複層材料の表層厚さ測定方法を提供するものである。
【0011】
【作用】本発明に係る複層材料の表層厚さ測定方法は、
上記構成により超音波パルス波、または超音波バースト
波の反射波を使用し、相関関数を用いることで表層厚さ
を測定することとした。
【0012】まず、高利得、低利得アンプからの出力信
号を別々にA/D変換ボードを介してデジタル信号とし
て計算機に取り込む。高感度の測定では鋼材の中心偏析
などに起因する散乱エコーが板厚の4分の1から板厚中
心付近まで発生し、界面エコーと誤判断しないように板
表面から中心偏析などに起因する散乱エコーの手前まで
の受信信号をCRT画面を見ながら取り出す。低利得ア
ンプからの出力信号と該出力に対応する低利得アンプ用
参照データとの相関の強い場所を、相関関数計算を行う
ことにより、該関数の最大値の位置を見つけることで、
表面エコーのスレッシュホールドの設定を行わずに、特
定することができる。また、該高利得アンプからの出力
信号と該出力に対応する高利得アンプ用参照データとの
相関の強い場所を、相関関数計算を行い最大値の位置を
見つけることで、スレッシュホールドの設定を行わずに
界面エコーを特定することができる。上記2つの相関関
数の最大値間の時間差を、あらかじめ測定しておいた板
内での縦波の音速で換算し、表層厚さを測定することで
精度よく複層材料の表層厚さ測定することが可能となっ
た。
【0013】また、相関関数計算により得られた2つの
関数に対し、更にその各々の関数の絶対値を取り、絶対
値を取った2つの関数の各々の包絡曲線を計算する手段
を設け、各々の包絡曲線の最大値間の時間差から表層厚
さを測定することにより、界面での位相の反転を気にす
ることなく、また散乱などの波の干渉より生じる相関関
数曲線の乱れを軽減でき、より精度よく複層材料の表層
厚さ測定することが可能となった。
【0014】
【実施例】本発明の装置構成の一例を図1に示す。ま
た、本発明方法の動作を説明するためのタイムチャート
を図2に示す。複層鋼板1は板厚200mmで、内層材9
は普通鋼、表層材10,11はNi系SUS材で平均的
表層厚さは各々20mmのオシレーションマークのあるス
ラブとする。あらかじめ水没させておいた複層鋼板1に
対して、探触子2は送信器3によって5MHz の超音波バ
ースト波を3周期分発信する。超音波は水中および鋼中
を経路15、16の様に伝播し、再び探触子2で受信さ
れる。
【0015】本方法では、探触子2で受信された超音波
信号は低利得アンプ4にて増幅される。低利得アンプ4
の出力17はA/D変換ボード6によりデジタル信号に
変換され、デジタル信号A1 (t)27となる。
【0016】一方、低利得アンプ4の出力19はさらに
高利得アンプ5に導入される。ここで、高利得アンプ5
は高い利得の増幅器であり、高利得の信号では鋼材の中
心偏析などに起因する散乱エコーが板厚の4分の1から
板厚中心付近まで発生するため、界面エコーと誤判断し
易い。そのため、表面エコー後方から中心偏析などに起
因する散乱エコーの手前までの信号のみを禁止ゲート2
1を設けることで取り出す。高利得アンプ5からの出力
18はA/D変換ボード7によりデジタル信号A
2 (t)29に変換される。本実施例の場合、平均表層
厚さが20mm程度であるので、表面エコーの後方から板
厚約5分の1部分までの受信信号3kワード(サンプリ
ング周波数200Ms/s )を、信号A2 (t)29とし
て取り出す。
【0017】また、予め表層材(Ni系SUS材)10
と同材質で縦100mm、横100mmで厚さが20mmの研
摩された試料を用い、表面エコーを図3(a)の低利得
アンプ用参照波形h1 (n)(表面エコー)33とし
て、底面エコーを図3(b)の高利得アンプ用参照波形
2 (n)(界面エコー)34として低利得アンプと同
程度の増幅率で1μs(200ワード)を保存部23に
蓄積しておく。
【0018】該低利得アンプからの出力信号と該信号に
対する参照波形(表面エコー)との相関関数F1 (t)
28(F1 (t)=1/200(Σn =1200
1 (n)×A1 (n+t)))を計算するとともに、該
高利得アンプからの出力信号と該信号に対する参照波形
(界面エコー)との相関関数F2 (t)30(F
2 (t)=1/200(Σn =1200 2 (n)×A2
(n+t)))を計算をする。上記2つの相関関数の最
大値間の時間差Δt1 を、あらかじめ試料を用いて測定
しておいた縦波音速で換算し、表層厚さを計算する。2
5が最大値時間検出部、26が層厚さ計算部を示す。
【0019】また、相関関数計算により得られた2つの
関数に対し、更にその各々の関数の絶対値|F1 (t)
|、|F2 (t)|を取り、絶対値を取った2つの関数
の各の包絡曲線31、32を計算し、各々の包絡曲線の
最大値間の時間差Δt2 から、予め測定しておいた縦波
音速で換算し、表層厚さが測定される。
【0020】
【発明の効果】以上の本発明により表層と内層で近似し
た組織の鋼種を組み合せた複層材料の表層厚さを、超音
波反射法により正確かつ効率よく検出することができ
る。また、複層材料の耐食性、耐摩耗性などを左右する
表層厚さを非破壊的に測定することが可能となり品質管
理、品質保証におおいに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である複層材料の表層厚さ測
定方法の概要を示す説明図である。
【図2】本発明の上記複層材料の表層厚さ測定方法にお
いて、一実施例の動作を示すタイムチャートである。
【図3】本発明の上記複層材料の表層厚さ測定方法にお
いて、一実施例の参照波形を示す説明図である。
【図4】従来の超音波パルス反射法を改良した2段階の
アンプを設ける方法の一例である。
【図5】従来の超音波パルス反射法を改良した2段階の
アンプを設ける方法の測定波形の一例である。
【符号の説明】
1 複層材料 2 探触子 3 送信器 4 低利得アンプ 5 高利得アンプ 6、7 A/D変換ボー
ド 8 同期部 9 内層 10、11 表層 12 界面 13 水槽 14 水 15 表面エコーの伝播経路 16 界面エコーの
伝播経路 17、19 低利得アンプ出力 18 高利得アンプ
出力 20 同期信号 21、22 禁止ゲート発
生器 23 保存部 24 相関関数計算
部 25 最大値時間検出部 26 層厚さ計算部 27 デジタル信号A1 (t) 28 表面相関関数
計算F1 (t) 29 デジタル信号A2 (t) 30 界面相関関数
計算F2 (t) 31 |F1 (t)|の包絡曲線 32 |F2 (t)
|の包絡曲線 33 低アンプ用参照データh1 (n) 34 高アンプ用参照データh2 (n) 35、36 立上りパルス発生器 37厚さ測定器 38 表示器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 一雄 神奈川県相模原市淵野辺5−10−1 新 日本製鐵株式会社 エレクトロニクス研 究所内 (56)参考文献 特開 平7−239227(JP,A) 特開 平6−300549(JP,A) 特開 平6−58751(JP,A) 特開 平4−143610(JP,A) 特開 昭62−226006(JP,A) 実開 昭55−137305(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 17/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超音波を送信する送信器と、超音波探触
    子と、探触子の出力信号を増幅するアンプが、低利得の
    アンプと、その出力に時間ゲートをかけたのち高利得で
    増幅するアンプを備えた表層厚さ測定手段を用いた複層
    材料の表層厚さ測定方法において、 測定しようとする試料の表層材と同一材質、かつ表層厚
    さとほぼ同一厚さの表面の滑らかな単相材から、前記低
    利得アンプを用い予め採取した表面の信号を低利得アン
    プ用参照データ、裏面の信号を高利得アンプ用参照デー
    タとしてデジタル化して保存しておき、被測定試料に対
    する低利得アンプ、高利得アンプの出力をそれぞれデジ
    タル化して、それぞれに対応した前記参照データとの相
    関関数計算をそれぞれに行い、それらの最大値を示す時
    間の差と、予め求めてある音速を掛けて表層厚さを求め
    ることを特徴とする複層材料の表層厚さ測定方法。
  2. 【請求項2】 前記相関関数から最大値を示す時間を求
    める方法が、相関関数計算により得られた2つの関数に
    対し、それぞれの関数の絶対値を取り、絶対値を取った
    2つの関数のそれぞれの包絡曲線を計算して求めること
    を特徴とする請求項1記載の複層材料の表層厚さ測定方
    法。
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CN112433217B (zh) * 2020-11-10 2024-05-14 广州市东儒电子科技有限公司 基于超声波的物体测厚方法、装置、系统、设备及介质
CN113358072B (zh) * 2021-06-03 2024-02-06 河南科技大学 一种板材层数的超声波测量设备及其测量方法

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