RU2034236C1

RU2034236C1 - Ultrasound echo thickness gage

Info

Publication number: RU2034236C1
Authority: RU
Inventors: П.О. Липовко-Половинец
Original assignee: Межотраслевая научно-техническая лаборатория "Диагностика" - Товарищество с ограниченной ответственностью
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: nondestructive flaw detection of materials. SUBSTANCE: device has synchronization unit, echo pulse oscillator, piezoelectric transducer which is connected to input of amplifier which output is connected to one input of signal detector. Another input of signal detector is connected to synchronization unit, output of signal detector is connected to unit for normalization of amplitudes of said signals. The latter unit controls operations of time intervals meter which output serves as first output of the described device. In addition device has additional signal detector and meter of signal amplitudes, while one input of additional detector is connected either to amplifier output or to output of main signal detector, another input of additional signal detector is connected to input of amplitude meter which output serves as second output of device. EFFECT: increased range of measuring. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделий, например, проводящих покрытий в радиоэлектронике. The invention relates to the field of non-destructive testing of materials and can be used in ultrasonic testing of products, for example, conductive coatings in electronics.

Известны ультразвуковые резонансные толщиномеры, основанные на возбуждении в контролируемом изделии вынужденных толщинных колебаний с изменяемой частотой [1]
Недостатками таких толщиномеров являются узкий диапазон контролируемых толщин, сложность конструкции устройств и их эксплуатации. Поэтому в настоящее время также толщиномеры вытеснены импульсными приборами, из которых наиболее распространены эхо-импульсные толщиномеры.Known ultrasonic resonant thickness gauges based on the excitation in a controlled product of forced thickness oscillations with a variable frequency [1]
The disadvantages of such thickness gauges are a narrow range of controlled thicknesses, the complexity of the design of devices and their operation. Therefore, at present, thickness gauges are also supplanted by pulse devices, of which echo-pulse thickness gauges are most common.

Известен ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, включающий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, подключенный к входу усилителя, выход которого соединен с одним входом временного селектора полезных сигналов, другой вход которого соединен с синхронизатором, а выход с нормализатором амплитуд указанных сигналов, связанным с измерителем временных интервалов, выход которого является выходом устройства [2] Этот толщиномер обеспечивает широкий диапазон измеряемых толщин изделий от 0,1 до 300 мм. Known ultrasonic echo-pulse thickness gauge, including a serially connected synchronizer, a probe pulse generator, a piezoelectric transducer connected to an amplifier input, the output of which is connected to one input of a temporary useful signals selector, the other input of which is connected to a synchronizer, and the output with a normalizer of amplitudes of the indicated signals, associated with a time interval meter, the output of which is the output of the device [2] This thickness gauge provides a wide measuring range s products thicknesses of 0.1 to 300 mm.

Недостатком данного толщиномера является невозможность измерения малых толщин материалов и изделий, например, покрытий в радиоэлектронной аппаратуре, имеющих толщины порядка мкм или десятков мкм. Этот недостаток обусловлен пределом разрешающей способности известного ультразвукового прибора, что принципиально не позволяет определять толщины, имеющие величину менее предела разрешения приборов (в известном устройстве 0,1 мм) и требует применения в этих случаях приборов, основанных на других физических принципах, например, магнитных, вихретоковых, рентгеновских. Отмеченный недостаток ограничивает круг решаемых задач и область применения известного ультразвукового толщиномера. The disadvantage of this thickness gauge is the inability to measure small thicknesses of materials and products, for example, coatings in electronic equipment, having thicknesses of the order of microns or tens of microns. This disadvantage is due to the resolution limit of the known ultrasonic device, which fundamentally does not allow to determine thicknesses having a value less than the resolution limit of the devices (in the known device 0.1 mm) and requires the use in these cases of devices based on other physical principles, for example, magnetic, eddy current, x-ray. The noted drawback limits the range of tasks and the scope of the known ultrasonic thickness gauge.

Цель изобретения расширение диапазона измеряемых толщин изделий в сторону меньших значений в сравнении с обеспечиваемыми в известном толщиномере. The purpose of the invention is the expansion of the range of measured thicknesses of the products in the direction of lower values in comparison with those provided in the known thickness gauge.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в состав известного ультразвукового эхо-импульсного толщиномера, включающего последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, подключенный ко входу усилителя, выход которого соединен с одним входом временного селектора полезных сигналов, другой вход которого соединен с синхронизатором, а выход с нормализатором амплитуд указанных сигналов, связанным с измерителем временных интервалов, выход которого является выходом устройства, введены временной селектор начального полезного импульса и измеритель амплитуды последнего, причем один вход дополнительного селектора соединен либо с выходом усилителя, либо с выходом основного селектора полезных сигналов, а другой вход с синхронизатором, выход дополнительного селектора соединен со входом измерителя амплитуды, а выход последнего является вторым выходом устройства. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the composition of the known ultrasonic echo-pulse thickness gauge, including a serially connected synchronizer, a probe pulse generator, a piezoelectric transducer connected to an amplifier input, the output of which is connected to one input of a temporary useful signal selector, the other input of which is connected with a synchronizer, and the output with a normalizer of the amplitudes of these signals associated with a time interval meter, the output of which is With the output of the device, a time selector of the initial useful pulse and an amplitude meter of the latter are introduced, moreover, one input of the additional selector is connected either to the output of the amplifier or to the output of the main selector of useful signals, and the other input is with a synchronizer, the output of the additional selector is connected to the input of the amplitude meter, and the output of the latter is the second output of the device.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого ультразвукового эхо-импульсного толщиномера. The drawing shows a block diagram of the proposed ultrasonic echo-pulse thickness gauge.

Толщиномер состоит из последовательно соединенных синхронизатора 1, генератора 2 зондирующих импульсов, совмещенного пьезопреобразователя 3, одновременно соединенного с входом усилителя 4, выход которого соединен с последовательной цепью, состоящей из временного селектора 5 полезных сигналов, нормализатора 6 амплитуд и измерителя 7 временных интервалов. Одновременно выход усилителя 4 соединен с последовательной цепью, состоящей из временного селектора 8 начального полезного эхоимпульса и измерителя 9 амплитуд эхоимпульсов. Кроме того синхронизатор 1 соединен со вторыми, управляющими входами основного селектора 5 и дополнительного селектора 8. Как вариант, хотя и менее предпочтительный ввиду возможного взаимовлияния, возможно подсоединение сигнального входа дополнительного селектора 8 не к выходу усилителя 4, а к выходу основного селектора 5. The thickness gauge consists of a serially connected synchronizer 1, a probe pulse generator 2, a combined piezoelectric transducer 3, simultaneously connected to the input of an amplifier 4, the output of which is connected to a serial circuit consisting of a time selector 5 of useful signals, an amplitude normalizer 6 and a 7 time interval meter. At the same time, the output of amplifier 4 is connected to a serial circuit consisting of a temporary selector 8 of the initial useful echo pulse and a meter 9 of echo pulse amplitudes. In addition, the synchronizer 1 is connected to the second control inputs of the main selector 5 and the additional selector 8. As an option, although less preferred due to possible interference, it is possible to connect the signal input of the additional selector 8 not to the output of the amplifier 4, but to the output of the main selector 5.

Пьезопреобразователь 3 может быть не совмещенной, а раздельно-совмещенной конструкции. Это принципиально не влияет на состав и работу устройства, но обеспечивает уменьшение мертвой зоны. The piezoelectric transducer 3 may not be combined, but separately combined design. This does not fundamentally affect the composition and operation of the device, but provides a reduction in the dead zone.

Устройство имеет два выхода, выполняющих разные функции. Выход измерителя 7 временных интервалов является первым выходом толщиномера и предназначен для индикации результатов измерения "больших" толщин изделий, т.е. тех значений толщины, измерение которых обеспечивается известным толщиномером. Выход измерителя 9 амплитуд эхо-импульсов является вторым выходом устройства и предназначен для индикации результатов измерения "малых" толщин изделий, т.е. тех значений толщины, которые не могут быть измерены известным толщиномером, поскольку находятся вне пределов разрешения последнего. The device has two outputs that perform different functions. The output of the meter 7 time intervals is the first output of the thickness gauge and is intended to indicate the measurement results of the "large" thickness of the products, i.e. those thickness values, the measurement of which is provided by a known thickness gauge. The output of the meter 9 of the amplitude of the echo pulses is the second output of the device and is intended to indicate the measurement results of the "small" thickness of the products, i.e. those thickness values that cannot be measured by a known thickness gauge, since they are outside the limits of the resolution of the latter.

Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер работает следующим образом. Ultrasonic echo-pulse thickness gauge works as follows.

Вначале пьезопреобразователь 3 вводят в акустический контакт с измеряемым изделием 10 по наружной поверхности 11 последнего. Синхронизатор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые запускают генератор 2 зондирующих импульсов, электрически возбуждающих пьезопреобразователь 3. Последний излучает в измеряемое изделие 10 ультразвуковые импульсы, которые достигают тыльной поверхности 12 изделия 10, отражаются от нее, возвращаются к пьезопреобразователю 3 и принимаются им. Далее преобразованные в электрическую форму полезные сигналы, соответствующие отражениям от наружной 11 и тыльной 12 поверхностей изделия 10, поступают на вход усилителя 4, после него на сигнальные входы основного 5 и дополнительного 8 временных селекторов, на управляющие входы которых поступают импульсы синхронизатора 1. Импульсы синхронизатора могут подаваться на входы селекторов либо через линии задержки (не показаны), либо без них. В последнем случае разные величины задержек обеспечиваются срабатыванием селекторов от переднего и заднего фронтов прямоугольных импульсов синхронизатора 1. First, the piezoelectric transducer 3 is introduced into acoustic contact with the measured product 10 along the outer surface 11 of the latter. The synchronizer 1 generates rectangular pulses that trigger the probe pulse generator 2, which electrically excites the piezoelectric transducer 3. The latter emits ultrasonic pulses into the measured product 10, which reach the rear surface 12 of the product 10, are reflected from it, returned to the piezoelectric transducer 3 and received by it. Next, useful signals converted into electrical form, corresponding to reflections from the outer 11 and back 12 surfaces of the product 10, are fed to the input of amplifier 4, after which to the signal inputs of the main 5 and additional 8 time selectors, the control inputs of which receive pulses of the synchronizer 1. Pulses of the synchronizer can be applied to the inputs of the selectors either through delay lines (not shown), or without them. In the latter case, different values of the delays are provided by the operation of the selectors from the leading and trailing edges of the rectangular pulses of the synchronizer 1.

Временной селектор 5 выделяет следующие полезные эхо-импульсы: от наружной 11 и от тыльной 12 поверхностей изделия, т.е. соответственно начальный и конечный сигналы. Временной селектор 8 выделяет только начальный полезный импульс от поверхности 11 изделия. Отселектированные пары импульсов (начального и конечного) с выхода селектора 5 поступают на нормализатор 6 их амплитуд, а затем на вход измерителя 7 временных интервалов. Причем нормализованный начальный импульс формирует сигнал "старт" измерителя временных интервалов, а конечный импульс сигнал "стоп". Измеренный в измерителе 7 интервал времени между рассматриваемыми импульсами и служит мерой толщины измеряемого изделия 10, что индицируется на первом выходе устройства. The temporary selector 5 selects the following useful echo pulses: from the outer 11 and from the rear 12 surfaces of the product, i.e. start and end signals, respectively. The time selector 8 selects only the initial useful pulse from the surface 11 of the product. Selected pairs of pulses (initial and final) from the output of the selector 5 are fed to the normalizer 6 of their amplitudes, and then to the input of the meter 7 time intervals. Moreover, the normalized initial pulse generates a signal "start" of the time interval meter, and the final pulse signal "stop". Measured in the meter 7, the time interval between the considered pulses and serves as a measure of the thickness of the measured product 10, which is indicated on the first output of the device.

Отселектированные начальные импульсы после селектора 8 поступают на вход измерителя 9 их амплитуд. Амплитуда начального импульса служит мерой малой толщины материала, прилегающего к наружной поверхности 11 изделия 10 и отличающегося по акустическим свойствам от основного материала последнего, что индицируется на втором выходе устройства. Так если изделие 10 представляет собой радиоэлектронную плату с керамической подложкой, имеющей тыльную поверхность 12, и проводящим покрытием, имеющим наружную поверхность 11, то между покрытием и подложкой возникнет дополнительная граница (показана пунктиром), представляющая собой границу между акустически разнородными материалами. При малой толщине покрытия, находящейся вне пределов разрешения прибора, отраженный от нее сигнал приведет к изменению амплитуды начального полезного импульса. Это не отразится на показаниях с выхода измерителя 7 временных интервалов, так как амплитуды соответствующих импульсов нормализуются в нормализаторе 6, однако обязательно будет зарегистрировано на выходе измерителя 8 9 амплитуд начальных импульсов. Применяя традиционные методы калибровки амплитуд, на втором выходе прибора можно зарегистрировать показания измеряемой толщины, например, в мкм. Selected initial pulses after the selector 8 are fed to the input of the meter 9 of their amplitudes. The amplitude of the initial pulse is a measure of the small thickness of the material adjacent to the outer surface 11 of the product 10 and differs in acoustic properties from the main material of the latter, which is indicated on the second output of the device. So, if the product 10 is an electronic circuit board with a ceramic substrate having a rear surface 12 and a conductive coating having an outer surface 11, an additional boundary (shown by a dotted line) will appear between the coating and the substrate, which is the boundary between acoustically dissimilar materials. With a small coating thickness that is outside the limits of the resolution of the device, the signal reflected from it will lead to a change in the amplitude of the initial useful pulse. This will not affect the readings from the output of the meter for 7 time intervals, since the amplitudes of the corresponding pulses are normalized in the normalizer 6, but it will be recorded at the output of the meter 8 9 amplitudes of the initial pulses. Using traditional methods of amplitude calibration, at the second output of the device, it is possible to register the readings of the measured thickness, for example, in microns.

Claims

ULTRASONIC ECHO-PULSE THICKNESS THERMOMETER containing a synchronizer, a probe pulse generator, a piezoelectric transducer, an amplifier, a useful signal timing selector, an amplitude normalizer and a time interval meter, and a second time selector input connected to a synchronizer output, characterized in that it is equipped with a time synchronizer the initial useful pulse and the amplitude meter connected to it, the first input of the temporary selector of the initial useful pulse with single with the output of the synchronizer, and the second input with the output of the amplifier or with the output of the temporary selector of useful signals.