JPH0440309A - Ultrasonic measuring instrument - Google Patents

Ultrasonic measuring instrument

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JPH0440309A
JPH0440309A JP2146311A JP14631190A JPH0440309A JP H0440309 A JPH0440309 A JP H0440309A JP 2146311 A JP2146311 A JP 2146311A JP 14631190 A JP14631190 A JP 14631190A JP H0440309 A JPH0440309 A JP H0440309A
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sample
thickness
ultrasonic
pulse
power spectrum
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Tomio Endo
富男 遠藤
Masahiro Aoki
雅弘 青木
Takeshi Yamagishi
山岸 毅
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  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PURPOSE:To speed up the measurement of thickness of a sample by Fourier transforming, the power spectrum data, finding the period of variation in the intensity of the power spectrum, and calculating the thickness of the sample from the found frequency. CONSTITUTION:When a transmission trigger is outputted from a pulse control part 20 to a pulse transmission part 10, the transmission part 10 generates a single-shot pulse. This pulse wave is converted electracoustically by a transducer 11 into an ultrasonic wave pulse, which is passed through an acoustic lens 12, propagated in coupler liquid 15, and made incident on the sample 13. The reflected wave from the sample 13 is passed through the liquid 15 and lens 12 and converted by the transducer 11 into a reflected signal, which is amplified by a preamplification part 16. A gate part 17 gates the reflected signal and a sample reflected wave is extracted and inputted to a computer 21 through a sampling part 18 and an A/D conversion part 19. The computer 21 Fourier transforms the reflected wave from the sample to find the power spectrum, which is further Fourier transformed to calculate the thickness (d) from the found period fo and the sound velocity V.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波を用いて試料の厚さを測定することの
できる超音波計測装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ultrasonic measuring device that can measure the thickness of a sample using ultrasonic waves.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来より、超音波によって試料の厚さを測定する超音波
厚み計測装置が知られており、第8図に従来の超音波厚
み計測装置の構成例を示す。この超音波厚み計測装置は
、周波数を可変可能な発振器1からの出力電圧が超音波
探触子2に印加され、この印加電圧か超音波探触子2で
電気音響変換される。そして、超音波探触子2で音響変
換された超音波がカブラ液体3を通って試料4へ入射さ
れる。試料4からの反射波はカブラ液体3を通って超音
波探触子2に逆入射し、反射波強度に応じた電圧に変換
されて、発振器1の電流に変化が現れる。
2. Description of the Related Art Ultrasonic thickness measuring devices that measure the thickness of a sample using ultrasonic waves are conventionally known, and FIG. 8 shows an example of the configuration of a conventional ultrasonic thickness measuring device. In this ultrasonic thickness measuring device, an output voltage from an oscillator 1 whose frequency can be varied is applied to an ultrasonic probe 2, and this applied voltage is subjected to electroacoustic conversion by the ultrasonic probe 2. Then, the ultrasonic waves acoustically converted by the ultrasonic probe 2 are incident on the sample 4 through the Kabra liquid 3. The reflected wave from the sample 4 passes through the Kabra liquid 3 and enters the ultrasonic probe 2 in reverse, and is converted into a voltage according to the intensity of the reflected wave, causing a change in the current of the oscillator 1.

ここで、発振器1の周波数fを変化させてゆくと、試料
4中の超音波の波長λが変化する。試料4の厚さdと半
波長の整数倍(n)が等しくなるとき、つまり nλ/2−d           ・・・(1)とい
った条件が成立するときに、試料4の中で定常波が生じ
、共振する。この共振時に生じた超音 2λ 波振動エネルギーは、探触子牛で電気に変換され、。
Here, when the frequency f of the oscillator 1 is changed, the wavelength λ of the ultrasonic wave in the sample 4 is changed. When the thickness d of the sample 4 and the integral multiple of the half wavelength (n) are equal, that is, when the condition nλ/2-d (1) is established, a standing wave is generated in the sample 4 and resonance occurs. do. The ultrasonic 2λ wave vibration energy generated during this resonance is converted into electricity by the probe calf.

仁 発振器1の電流が増加する。この発振器1の電流は増幅
器5で増幅されてオシロスコープ6に表示される。よっ
て、発振器1の周波数を変化させると、オシロスコープ
6のブラウン管には第9図のような波形が表示される。
The current of the oscillator 1 increases. The current of this oscillator 1 is amplified by an amplifier 5 and displayed on an oscilloscope 6. Therefore, when the frequency of the oscillator 1 is changed, a waveform as shown in FIG. 9 is displayed on the cathode ray tube of the oscilloscope 6.

山の部分が共振を生じている周波数である。山の部分の
周波数をfl+f2.・・・、  fffi+  ff
fie+・・・と表わせば(1)式より d−nV/2  f、               
  −(2)V:音速 となるので、nとVがわかれば、試料4の厚さdを求め
ることができる。
The peak part is the frequency at which resonance occurs. The frequency of the mountain part is fl+f2. ..., fffi+ ff
If expressed as fie+..., then from equation (1), d-nV/2 f,
-(2) V: The speed of sound, so if n and V are known, the thickness d of the sample 4 can be determined.

また、nが不明でも、隣の共振周波数との差を求めると
、次式より試料4の厚さを求めることができる。
Furthermore, even if n is unknown, the thickness of the sample 4 can be found from the following equation by finding the difference with the adjacent resonance frequency.

d−V/2 (f、ヤ、−f、)        ・・
・ (3)一方、送信波に単発パルスを使用し、試料4
からの反射波を取り出して反射波のパワースペクトルか
ら試料の厚さを求める方法もある。
d-V/2 (f, ya, -f,)...
・ (3) On the other hand, using a single pulse as the transmission wave, sample 4
There is also a method of extracting the reflected waves from the sample and determining the thickness of the sample from the power spectrum of the reflected waves.

試料からの反射波のパワースペクトルは、第10図のよ
うに、試料の上面および下面からの両反射波の干渉によ
って山や谷を生じる。この谷の時の周波数fI、f2.
fs、・・・を抽出し、それぞれの周波数が、 flの整数倍のときは d = V/ 2 f 1− (4) 奇数倍のときは d =V/4 f s           ・” (
5)となり、(4)、(5)式より試料の厚さd算出す
ることができる。
As shown in FIG. 10, the power spectrum of the reflected wave from the sample produces peaks and troughs due to the interference of both reflected waves from the upper and lower surfaces of the sample. Frequency fI at this valley, f2.
fs,..., and when each frequency is an integer multiple of fl, d = V/2 f 1- (4) When it is an odd multiple, d = V/4 f s ・" (
5), and the thickness d of the sample can be calculated from equations (4) and (5).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、上述した周波数を可変させる超音波厚み
計測装置は、試料の厚さを計測するのに長時間を要し、
高速な計測を行うことができないという問題がある。す
なわち、周波数として連続波を使用しており、共振の起
こる周波を見つけるために連続的に周波数を変化させる
必要があるため、−回の測定に時間がかかってしまう。
However, the above-mentioned ultrasonic thickness measuring device that varies the frequency takes a long time to measure the thickness of the sample.
There is a problem that high-speed measurement cannot be performed. That is, since a continuous wave is used as the frequency, and it is necessary to continuously change the frequency in order to find the frequency at which resonance occurs, it takes a long time to measure - times.

また、送信波として単発パルスを使用する超音波厚み計
測装置は、低周波数領域では雑音による影響によって正
確な測定を行うことができないという問題がある。すな
わち、パワースペクトルの谷の周波数の並びがflの整
数倍か奇数倍かで判定を行ない、flから厚さdを求め
るため、試料が厚くなるほどflの周波数は低くなり、
低い周波数ではパワースペクトルの強度も小さいため、
雑音で生じる谷とパワースペクトルの強度による谷との
区別がつかなくなる。例えば、送信側の周波数が50M
Hzの場合には、パワースペクトルは10MHz程度、
送信側が10MHzではパワースペクトルは4 M H
z程度が下限となる。従って数mm程度の厚゛さになる
と試料の厚さの計測は不可能であった。
Further, an ultrasonic thickness measuring device that uses a single pulse as a transmitted wave has a problem in that accurate measurement cannot be performed in a low frequency region due to the influence of noise. That is, since the thickness d is determined from fl by determining whether the frequency arrangement of the valleys of the power spectrum is an integer multiple or an odd multiple of fl, the thicker the sample, the lower the frequency of fl.
Since the intensity of the power spectrum is also small at low frequencies,
It becomes difficult to distinguish between valleys caused by noise and valleys caused by the intensity of the power spectrum. For example, if the transmitting frequency is 50M
In the case of Hz, the power spectrum is about 10MHz,
When the transmitting side is 10MHz, the power spectrum is 4MHz
The lower limit is about z. Therefore, it was impossible to measure the thickness of the sample when the thickness was on the order of several mm.

さらに、試料の一部分の厚みや、試料の上面や下面に凹
凸があるものの厚さは測定不可能であつた。
Furthermore, it was impossible to measure the thickness of a portion of the sample or the thickness of a sample with unevenness on the top or bottom surface.

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、
試料の厚さ計測を高速化でき、しがち計測可能な範囲を
拡大できる超音波計測装置を提供することを目的とする
The present invention was made in view of the above circumstances, and
The purpose of the present invention is to provide an ultrasonic measuring device that can speed up the measurement of the thickness of a sample and expand the measurable range.

また、本発明の他の目的は、試料の厚さ計測を高速化で
き計測可能な範囲を拡大できる他に、凹凸のある試料や
、試料の一部分の厚さも測定可能な超音波計測装置を提
供することにある。
Another object of the present invention is to provide an ultrasonic measuring device that can speed up sample thickness measurement and expand the measurable range, as well as measure the thickness of a sample with irregularities or a portion of the sample. It's about doing.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

第1の発明として超音波計測装置を、超音波パルスを試
料に入射させ、試料からの反射波を受信して受信信号に
変換する超音波送受信手段と、前記受信信号から前記試
料からの反射波成分を抽出する手段と、この手段で抽出
された反射波成分の波形データをフーリエ変換すること
によってパワースペクトルを算出する手段と、この手段
によって算出されたパワースペクトルデータを再びフー
リエ変換することによって前記パワースペクトルの強度
の強弱の周期を求める手段と、この手段によって求めら
れた周波数に基づいて前記試料の厚さを算出する手段と
を備えて構成し、 第2の発明として超音波計測装置を、前記超音波送受信
手段に、前記試料に対して超音波パルスを微小スポット
に集束する音響レンズを備えて構成した。
A first aspect of the present invention provides an ultrasonic measuring device including an ultrasonic transmitting/receiving means for making an ultrasonic pulse enter a sample, receiving a reflected wave from the sample and converting it into a received signal, and converting the received signal to a reflected wave from the sample. means for extracting a component, means for calculating a power spectrum by Fourier transforming the waveform data of the reflected wave component extracted by this means, and means for calculating a power spectrum by Fourier transforming the power spectrum data calculated by this means again. A second aspect of the present invention provides an ultrasonic measuring device comprising: means for determining the cycle of intensity of the power spectrum; and means for calculating the thickness of the sample based on the frequency determined by the means; The ultrasonic transmitting/receiving means includes an acoustic lens that focuses ultrasonic pulses onto a minute spot on the sample.

〔作用〕[Effect]

第1の発明によれば、送信波として単発パルスを使用す
るため、周波数を連続に変化させる必要がなく非常に高
速に測定可能となり、しかもパワースペクトルの強弱の
周期をフーリエ変換によって求めるため、厚い試料も測
定可能となる。
According to the first invention, since a single pulse is used as the transmission wave, there is no need to continuously change the frequency, making it possible to measure at very high speed.Moreover, since the period of strength and weakness of the power spectrum is determined by Fourier transform, Samples can also be measured.

第2の発明によれば、超音波を集束させる音響レンズを
使用することで、超音波パルスを試料の微小スポットに
集束させることができるものとなり、凹凸のある試料や
試料の一部分の厚みが測定可能となる。
According to the second invention, by using an acoustic lens that focuses ultrasonic waves, it is possible to focus ultrasonic pulses on a minute spot on a sample, and the thickness of a sample with unevenness or a part of the sample can be measured. It becomes possible.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.

第1図は本発明の実施例となる超音波計測装置を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing an ultrasonic measuring device according to an embodiment of the present invention.

この装置の超音波送受信手段は、送信パルスを発生させ
るパルス送信部10、パルス送信部10で発生する送信
パルスを超音波に変換するトランスジューサ11、トラ
ンスジューサ11で発生した超音波パルスを微小スポッ
トに集束する音響レンズ12で構成されている。音響レ
ンズ12から送波される超音波の焦点付近には試料13
が試料載置容器14内に載置されている。この試料載置
容器14内にはカプラ液体15が入れられており、音響
レンズ12と試料13との間を満たしている。
The ultrasonic transmitting/receiving means of this device includes a pulse transmitter 10 that generates a transmit pulse, a transducer 11 that converts the transmit pulse generated by the pulse transmitter 10 into an ultrasonic wave, and a transducer 11 that focuses the ultrasonic pulse generated by the transducer 11 into a minute spot. The acoustic lens 12 is composed of an acoustic lens 12. A sample 13 is located near the focus of the ultrasonic waves transmitted from the acoustic lens 12.
is placed in the sample holding container 14. A coupler liquid 15 is placed in the sample mounting container 14 and fills the space between the acoustic lens 12 and the sample 13.

試料13に入射した超音波は試料13の上面および下面
で反射し再び音響レンズ12を通り、トランスジューサ
11で電気信号(以下、「反射波信号」と呼称する)に
変換されて、前置増幅器16に入力される。前置増幅器
16の出力側にはゲート部17が接続され、ゲート部1
7で試料13の表面、裏面からの反射波(以下、「試料
反射波」と呼称する)を抽出する。このゲート部17の
出力にはサンプリング部18が接続されており、抽出さ
れた反射波をサンプリングする。このサンプリングされ
た反射波は、A/D変換部19でディジタル信号に変換
される。パルス送信部10.ゲート部17.サンプリン
グ部18.A/D変換部19はそれぞれパルス制御部2
0に接続されていて、このパルス制御部20からパルス
送信部10に対しては送信タイミングとなる送信トリガ
信号が出力され一ゲート部17にはゲートトリガ信号が
出力される。また、サンプリング部18゜A/D変換部
19には、サンプリングタイミング信号が出力されサン
プリング周波数が制御される。
The ultrasonic waves incident on the sample 13 are reflected from the upper and lower surfaces of the sample 13, pass through the acoustic lens 12 again, are converted into electrical signals (hereinafter referred to as "reflected wave signals") by the transducer 11, and are sent to the preamplifier 16. is input. A gate section 17 is connected to the output side of the preamplifier 16, and the gate section 1
In step 7, reflected waves from the front and back surfaces of the sample 13 (hereinafter referred to as "sample reflected waves") are extracted. A sampling section 18 is connected to the output of the gate section 17, and samples the extracted reflected wave. This sampled reflected wave is converted into a digital signal by an A/D converter 19. Pulse transmitter 10. Gate part 17. Sampling section 18. Each A/D converter 19 has a pulse controller 2.
The pulse controller 20 outputs a transmission trigger signal, which is the transmission timing, to the pulse transmitter 10 and outputs a gate trigger signal to the gate 17. Further, a sampling timing signal is output to the sampling section 18 and the A/D converting section 19 to control the sampling frequency.

A/D変換部19から出力されるディジタル信号はコン
ピュータ21中のメモリに格納される。コンピュータ2
1は、後述する厚さ演算処理によって試料の厚さを求め
、その演算結果を接続されているデイスプレィ22に表
示する。
The digital signal output from the A/D converter 19 is stored in a memory in the computer 21. computer 2
1 determines the thickness of the sample through thickness calculation processing, which will be described later, and displays the calculation result on the connected display 22.

次に、本実施例の動作について説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.

厚さ測定時の動作は、パルス制御部20からパルス送信
部10に対して送信トリガが出力されると、パルス送信
部10は単発パルスを発生する。
In the operation during thickness measurement, when the pulse controller 20 outputs a transmission trigger to the pulse transmitter 10, the pulse transmitter 10 generates a single pulse.

このパルス波はトランスジューサ11で電気音響変換さ
れて超音波パルスとなり、音響レンズ12を通り、カブ
ラ液体15中を伝播して試料13に入射する。試料13
からの反射波は再びカブラ液体15中を伝播し音響レン
ズ12を通ってトランスジューサ11で反射波信号に変
換される。この反射波信号は前置増幅器16で増幅され
る。前置増幅器16で増幅された反射波信号は、第2図
(a)に示すように、送信もれ、レンズ内反射、の他に
試料上面反射、試料下面反射等の試料反射波を含んでい
る。ゲート部17では反射波信号に対して第2図(b)
に示すタイミングでゲートがかけられて、試料反射波が
抽出される。ゲート部17で抽出された試料反射波はサ
ンプリング周波数が反射波の含む周波数の2倍以上に調
整されたサンプリング部18、A/D変換部19でディ
ジタル信号に変換されコンピュータ21に入力される。
This pulse wave is electroacoustically converted by the transducer 11 to become an ultrasonic pulse, which passes through the acoustic lens 12, propagates through the Kabra liquid 15, and enters the sample 13. Sample 13
The reflected wave propagates through the Kabra liquid 15 again, passes through the acoustic lens 12, and is converted into a reflected wave signal by the transducer 11. This reflected wave signal is amplified by a preamplifier 16. As shown in FIG. 2(a), the reflected wave signal amplified by the preamplifier 16 includes sample reflected waves such as transmission leakage, reflection inside the lens, and reflection from the top surface of the sample and reflection from the bottom surface of the sample. There is. The gate section 17 receives the reflected wave signal as shown in FIG. 2(b).
A gate is applied at the timing shown in , and the sample reflected wave is extracted. The sample reflected wave extracted by the gate section 17 is converted into a digital signal by a sampling section 18 whose sampling frequency is adjusted to be at least twice the frequency included in the reflected wave, and an A/D conversion section 19, and is input to the computer 21.

以下、コンピュータ21における厚さ演算処理について
詳しく説明する。
The thickness calculation process in the computer 21 will be described in detail below.

先ず、測定原理を説明する。第3図のように物質Eと物
質Gの間に存在する厚さdの物質Fに、第3図の上方か
ら超音波が入射する場合を考える。
First, the measurement principle will be explained. Consider a case where an ultrasonic wave is incident on a material F having a thickness d existing between a material E and a material G as shown in FIG. 3 from above in FIG.

このとき、入射される超音波は、物質Fの上面で反射す
る経路Aと物質Fの下面で反射する経路Bの2つが存在
する。経路Aの波をCA (1)とすると、この波CA
 (t)は次式で現される。
At this time, the incident ultrasonic wave has two paths: a path A in which it is reflected on the upper surface of the material F, and a path B in which it is reflected in the lower surface of the material F. If the wave on path A is CA (1), then this wave CA
(t) is expressed by the following equation.

CA (t) −RJ’a (f) e””’ df 
    −(6)(6)式において、Rは物質Eと物質
Fの界面の反射率、a (f)は入射波の各周波数にお
ける強度、fは周波数をそれぞれ表わしている。また、
経路Bを通る波をCB (t)とすると、この波CB 
 (t)は物質Fの厚さdの往復分だけ音路長が長いの
で、この分位相がずれる。物質Fの減衰係数をα(f)
、物質Eと物質Fの界面の透過係数をS、物質Fと物質
Gの界面の反射係数をR′で表わせば、CB (t)は
次式のようになる。
CA (t) -RJ'a (f) e""' df
-(6) In equation (6), R represents the reflectance of the interface between substance E and substance F, a (f) represents the intensity at each frequency of the incident wave, and f represents the frequency. Also,
If the wave passing through path B is CB (t), then this wave CB
(t) has a long sound path length corresponding to the thickness d of the material F, so the phase is shifted by this amount. The attenuation coefficient of material F is α(f)
, if the transmission coefficient of the interface between substance E and substance F is expressed as S, and the reflection coefficient of the interface between substance F and substance G is expressed as R', then CB (t) becomes as shown in the following equation.

CB(t)−±RZ 5J’a(f) e−ffi+1
1−24. eII2MN −72m+・・・ (7) ここで、物質E1物質F1物質Gの音響インピーダンス
をそれぞれZE、ZP、Zcとおくと、(7)式の符号
は次のようになる。
CB(t)-±RZ 5J'a(f) e-ffi+1
1-24. eII2MN -72m+... (7) Here, if the acoustic impedances of the material E1, the material F1, and the material G are respectively ZE, ZP, and Zc, the signs of equation (7) are as follows.

(a)ZE >Z、>Zc又は Z、<Zp <26(1)とe! 符号は正 (b)Z、>Z、、z、<Zc又は zE<Zp 、Z、>Zo (7)とき符号は負 (6)式および(7)式より、経路AおよびBの反射波
が互いに干渉し合って生成された試料反射波をC(t)
とすれば ・・・ (8) となる。(8)式をフーリエ変換すれば(C(t)のフ
ーリエ変換をCF  (f)とする)Cp  (f) 
=a (f)  (R±SR#  e−alll°2d
、 e−17つ  ・ (9)となる。
(a) ZE >Z, >Zc or Z, <Zp <26 (1) and e! The sign is positive (b) When Z, > Z, , z, < Zc or zE < Zp , Z, > Zo (7) The sign is negative From equations (6) and (7), the reflected waves of paths A and B The sample reflected waves generated by interference with each other are C(t)
Then... (8) becomes. If we perform Fourier transform on equation (8), we can obtain Cp (f) (assuming the Fourier transform of C(t) is CF (f)).
=a (f) (R±SR# e-all°2d
, e-17 ・(9).

以上のことから反射波のパワースペクトルは次のように
なる。
From the above, the power spectrum of the reflected wave is as follows.

Cp  (f)12=la (f)12 (R2+S2
R” e−”””±2 RR’  e−2au)a  
、coS(antす)・・・ (10) (10)式の1a(f’)12は入射した超音波の周波
数強度であり、第4図に示すような波形となる。すなわ
ち、ある周波数にピークを持ち、その前後の周波数でゆ
るやかに減少する関数となる。また、e−′。°6につ
いては、α(f)”1/f2が成り立つので、周波数が
大きくなるに従って単調減少する関数となる。また、(
10)式の最後の項は、周期f。−V/2dで増減する
ことを表わしている。これらから、経路A、Bの互いの
反射波が干渉し合って生成された反射波のパワースペク
トルは、第5図に示すように、第4図に示す波形に周期
関数が重畳した波形となる。
Cp (f)12=la (f)12 (R2+S2
R"e-"""±2RR' e-2au)a
, coS(antsu)... (10) In equation (10), 1a(f')12 is the frequency intensity of the incident ultrasonic wave, which has a waveform as shown in FIG. In other words, it is a function that has a peak at a certain frequency and gradually decreases at frequencies before and after that. Also, e-′. For °6, α(f)''1/f2 holds true, so it is a function that monotonically decreases as the frequency increases. Also, (
10) The last term in the equation is the period f. -V/2d represents an increase/decrease. From these, the power spectrum of the reflected wave generated by interference between the reflected waves of paths A and B becomes a waveform in which a periodic function is superimposed on the waveform shown in FIG. 4, as shown in FIG. .

第5図のパワースペクトルを再びフーリエ変換してスペ
クトルを求めると、第6図に示す波形となる。第6図に
おいて、強いピークを持つ周期をSとする。ディジタル
フーリエ変換では必ず周波数帯域が制限されるので、パ
ワースペクトルのフーリエ変換時の帯域をfmとすると
、第5図における強弱の周波数周期f。は次式のように
なる。
When the power spectrum in FIG. 5 is Fourier-transformed again to obtain a spectrum, the waveform shown in FIG. 6 is obtained. In FIG. 6, let S be a period with a strong peak. Since the frequency band is always limited in digital Fourier transform, if the band during Fourier transform of the power spectrum is fm, then the frequency period f of the strength and weakness in FIG. is as follows.

fo−fm/S          −(11)また(
10)式より、強弱の周期f。はf、−V/2d   
       −(12)であるから、物質Fの厚さd
は d−V/2 f 、           −(13)
となる。従って、音速Vがわかれば、厚さdを求めるこ
とができる。
fo-fm/S - (11) Also (
From formula 10), the period of strength and weakness is f. is f, -V/2d
-(12), so the thickness d of the substance F
is d-V/2 f , -(13)
becomes. Therefore, if the sound velocity V is known, the thickness d can be determined.

よって、コンピュータ21では、試料反射波をフーリエ
変換して第5図に示す試料反射波のパワースペクトルを
求め、さらにこのパワースペクトルをフーリエ変換して
、第6図に示す周期Sを算出する。そして、この求めた
周期Sとフーリエ変換時の帯域fmとから第5図におけ
る周期f。を求める。次に、この求めた周期f。と予め
わかっている音速■とから、(13)式より厚さdが算
出される。この算出結果はデイスプレィ22に表示され
る。
Therefore, the computer 21 performs Fourier transform on the sample reflected wave to obtain the power spectrum of the sample reflected wave shown in FIG. 5, and further performs Fourier transform on this power spectrum to calculate the period S shown in FIG. 6. Then, the period f in FIG. 5 is determined from the obtained period S and the band fm during Fourier transform. seek. Next, this determined period f. The thickness d is calculated from equation (13) from the previously known sound velocity ■. This calculation result is displayed on the display 22.

なお、薄い試料の厚さを測定するときは、試料反射波の
パワースペクトルの周期f。が大きな値をとるため、パ
ワースペクトルの強弱の周期の幅も大きくなり、パワー
スペクトルをフーリエ変換したときの周期が小さくなる
。ディジタルフーリエ変換(D F T)では、整数の
周期しか求められないため、薄い試料はど精度が悪くな
る。
Note that when measuring the thickness of a thin sample, the period f of the power spectrum of the sample reflected wave. Since takes a large value, the width of the period of strength and weakness of the power spectrum also becomes large, and the period when the power spectrum is Fourier transformed becomes small. In digital Fourier transform (DFT), since only integer periods can be obtained, the accuracy becomes worse for thin samples.

そこで、このような時は、第6図に示すスペクトルがピ
ークを示す周期の近傍の値から、Gauss関数や5i
nc関数で補間を行ない、ピーク周期を求めたり、最大
エントロピー法でピーク周期を求めることが望ましい。
Therefore, in such a case, the Gaussian function or the 5i
It is preferable to perform interpolation using an nc function to obtain the peak period, or to obtain the peak period using the maximum entropy method.

この様に本実施例によれば、送信波として単発パルスを
使用したので、−回の超音波送波によるデータサンプリ
ングで試料の厚さを測定することができ、試料の厚さ測
定を高速化できる。
As described above, according to this embodiment, since a single pulse is used as the transmitted wave, the thickness of the sample can be measured by data sampling by - times of ultrasonic wave transmission, which speeds up the measurement of the sample thickness. can.

また、試料反射波に対して2回のフーリエ変換を施すよ
うにしたので、試料反射波のパワースペクトルの周期S
を極めて容易かつ高速に求めることができ、また従来の
単発パルスを用いた厚さ計測ではノイズの影響によって
測定不可能であった厚さの試料に関しても測定可能にな
った。
In addition, since the sample reflected wave is subjected to Fourier transformation twice, the period S of the power spectrum of the sample reflected wave is
can be determined extremely easily and quickly, and it has also become possible to measure sample thicknesses that could not be measured due to the influence of noise using conventional thickness measurements using single pulses.

さらに、音響レンズ12を使用することによって、試料
13の任意の点に超音波パルスを集束させることができ
、よって凹凸のある試料の厚さや試料の一部分の厚さを
測定できる。また、超音波を利用して、試料反射の必要
部分をゲート部17で抽出するため、試料内部にある物
質の厚さも測定可能である。
Furthermore, by using the acoustic lens 12, it is possible to focus the ultrasonic pulses on any point on the sample 13, thereby making it possible to measure the thickness of an uneven sample or the thickness of a portion of the sample. Further, since the required part of the sample reflection is extracted by the gate part 17 using ultrasonic waves, it is also possible to measure the thickness of the substance inside the sample.

なお、上記実施例ではゲート部17で試料反射波を抽出
しているが、広い範囲の波形をディジタル信号に変換し
てコンピュータ21に入力し、その後コンピュータ21
内で試料反射を抽出するようにすれば、ゲート部17を
削除した構成にすることができる。
In the above embodiment, the sample reflected wave is extracted at the gate section 17, but the waveform in a wide range is converted into a digital signal and input to the computer 21, and then the computer 21
If the sample reflection is extracted within the gate, it is possible to create a configuration in which the gate section 17 is omitted.

第7図に本発明の第2実施例を示す。FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention.

この第2実施例は、第1図に示す超音波計測装置のゲー
ト部17とサンプリング部18の間にスペクトラムアナ
ライザ30を挿入した構成である。
This second embodiment has a configuration in which a spectrum analyzer 30 is inserted between the gate section 17 and the sampling section 18 of the ultrasonic measuring device shown in FIG.

ゲート部17で抽出された試料反射波はスペクトルアナ
ライザ30に入力される。スペクトルアナライザ30で
は入力された試料反射波に対してフーリエ変換等の波形
解析によってそのスペクトルを求め、この求めたスペク
トルを出力する。出力されたスペクトルはサンプリング
部18、A/D変換部19でディジタル信号に変換され
てコンピユー21に入力される。コンピュータ21では
、入力されたスペクトルを再びフーリエ変換して、第1
実施例と同様の厚さ演算処理によって試料の厚さを演算
する。なお、本実施例では、コンピュータ2]への入力
が既にスペクトルデータとなっているため、厚さ演算処
理でのフーリエ変換は1回だけでよい。
The sample reflected wave extracted by the gate section 17 is input to the spectrum analyzer 30. The spectrum analyzer 30 obtains a spectrum of the input sample reflected wave by waveform analysis such as Fourier transform, and outputs the obtained spectrum. The output spectrum is converted into a digital signal by a sampling section 18 and an A/D conversion section 19, and is input to a computer 21. In the computer 21, the input spectrum is Fourier-transformed again and the first
The thickness of the sample is calculated by the same thickness calculation process as in the example. Note that in this embodiment, since the input to the computer 2 is already spectral data, Fourier transformation in the thickness calculation process only needs to be performed once.

この様な第2実施例によれば、上記第1実施例と同様の
作用効果を得ることができ、さらにコンピュータ21内
の厚さ演算処理において、上記第1実施例に比べてフー
リエ変換を一回少なくすることができるので、さらに高
速な厚み測定が可能である。
According to the second embodiment, it is possible to obtain the same effects as the first embodiment, and furthermore, in the thickness calculation process in the computer 21, the Fourier transform is more uniform than in the first embodiment. Since the number of times can be reduced, even faster thickness measurement is possible.

上記第1および第2実施例では、超音波を微小スポット
に集束させるために音響レンズ12を使用しているが、
試料の一部分や、凹凸部の厚さ測定以外では、集束型で
ない超音波探触子を用いることも考えられる。この場合
でもパルス波を使用するために非常に高速に厚さ測定可
能であり、従来は測定不可能であったような厚い試料の
厚さ測定も可能である。
In the first and second embodiments described above, the acoustic lens 12 is used to focus the ultrasonic waves onto a minute spot.
For purposes other than measuring the thickness of a portion of a sample or an uneven portion, it is conceivable to use a non-focusing type ultrasonic probe. Even in this case, since pulse waves are used, the thickness can be measured very quickly, and it is also possible to measure the thickness of thick samples that were previously impossible to measure.

また、波形又はパワースペクトルの測定を複数回行なっ
て、これらのデータをコンピュータ21り取込んで平均
値を演算し、この平均値を用いて前記厚さ演算処理を行
うようにしてもよく、このようにすることにより雑音の
影響を除去することが可能で、測定精度を向上させるこ
とができる。
Alternatively, the waveform or power spectrum may be measured a plurality of times, and the data may be imported into the computer 21 to calculate an average value, and this average value may be used to perform the thickness calculation process. By doing so, it is possible to remove the influence of noise, and the measurement accuracy can be improved.

また、本発明は従来より試料の深部観察用として使用さ
れている単発パルスの超音波顕微鏡や超音波探傷器にデ
ジタルストレージオシロスコープやFFTアナライザを
つけて、厚さ演算処理に関するソフトを移植することで
容易に厚さ測定を可能にできる。
In addition, the present invention attaches a digital storage oscilloscope and FFT analyzer to a single-pulse ultrasonic microscope and ultrasonic flaw detector, which have been conventionally used for deep observation of samples, and implants software related to thickness calculation processing. Can easily measure thickness.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳記したように第1の発明によれば、試料の厚さ計
測を高速化でき、しかも計測可能な範囲を拡大できる超
音波計測装置を提供でき、第2の発明によれば、試料の
厚さ計測を高速化でき計測可能な範囲を拡大できる他に
、凹凸のある試料や、試料の一部分の厚さも測定可能な
超音波計測装置を提供できる。
As detailed above, according to the first invention, it is possible to provide an ultrasonic measuring device that can speed up the measurement of the thickness of a sample and expand the measurable range. In addition to speeding up thickness measurement and expanding the measurable range, it is also possible to provide an ultrasonic measuring device that can measure the thickness of a sample with irregularities or a portion of the sample.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は第1実施例となる超音波計測装置の構成図、第
2図は同実施例の試料反射波抽出動作を説明するための
図、第3図は厚さdの物質に対する超音波の反射経路を
示す図、第4図〜第6図は同実施例の厚さ演算処理を説
明するための図、第7図は第2実施例となる超音波計測
装置の構成図、第8図は従来の超音波厚み計測装置の構
成図、第9図は試料内での超音波の共振による電圧変化
と共振周波数との関係を示す図、第10図は反射波のパ
ワースペクトルを示す図である。 10・・・パルス送信部、11・・・トランスジューサ
、2・・・音響レンズ、13・・・試料、17・・・ゲ
ート部、8・・・サンプリング部、19・・・A/D変
換部、0・・・パルス制御部、21・・・コンピュータ
、0・・・スペクトラムアナライザ。
Fig. 1 is a block diagram of the ultrasonic measuring device according to the first embodiment, Fig. 2 is a diagram for explaining the sample reflected wave extraction operation of the same embodiment, and Fig. 3 is an ultrasonic wave on a material having a thickness of d. FIG. 4 to FIG. 6 are diagrams for explaining the thickness calculation process of the same embodiment. FIG. 7 is a configuration diagram of the ultrasonic measuring device according to the second embodiment. The figure is a diagram showing the configuration of a conventional ultrasonic thickness measuring device, Figure 9 is a diagram showing the relationship between the voltage change due to ultrasound resonance within the sample and the resonant frequency, and Figure 10 is a diagram showing the power spectrum of reflected waves. It is. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Pulse transmission part, 11... Transducer, 2... Acoustic lens, 13... Sample, 17... Gate part, 8... Sampling part, 19... A/D conversion part , 0... Pulse control unit, 21... Computer, 0... Spectrum analyzer.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)超音波パルスを試料に入射させ、試料からの反射
波を受信して受信信号に変換する超音波送受信手段と、
前記受信信号から前記試料からの反射波成分を抽出する
手段と、この手段で抽出された反射波成分の波形データ
をフーリエ変換することによってパワースペクトルを算
出する手段と、この手段によって算出されたパワースペ
クトルデータを再びフーリエ変換することによって前記
パワースペクトルの強度の強弱の周期を求める手段と、
この手段によって求められた周波数に基づいて前記試料
の厚さを算出する手段とを具備したことを特徴とする超
音波計測装置
(1) an ultrasonic transmitting/receiving means that makes an ultrasonic pulse enter a sample, receives a reflected wave from the sample, and converts it into a received signal;
means for extracting a reflected wave component from the sample from the received signal; means for calculating a power spectrum by Fourier transforming the waveform data of the reflected wave component extracted by this means; and the power calculated by this means. means for determining the period of intensity of the power spectrum by Fourier transforming the spectral data again;
An ultrasonic measuring device characterized by comprising means for calculating the thickness of the sample based on the frequency determined by this means.
(2)前記超音波送受信手段は、前記試料に対して超音
波パルスを微小スポットに集束する音響レンズを含むこ
とを特徴とする超音波計測装置。
(2) The ultrasonic measuring device is characterized in that the ultrasonic transmitting/receiving means includes an acoustic lens that focuses ultrasonic pulses onto a minute spot on the sample.
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