Giới Thiệu Đo Chiều Dày Bằng Phương Pháp Siêu Âm

GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP

Kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm là một kỹ thuật kiểm tra không phá hủy được sử dụng rộng rãi cho việc đo lường chiều dày vật liệu từ một phía. Các thiết bị siêu âm thương mại đầu tiên sử dụng các nguyên tắc có nguồn gốc từ Sonar và đã được giới thiệu cuối những năm 1940. Các thiết bị cầm tay nhỏ gọn giúp tối ưu hóa cho nhiều ứng dụng thử nghiệm đã trở nên phổ biến trong những năm 1970. Những tiến bộ về công nghệ sau này trong công nghệ vi xử lý đã mang đến hiệu suất cao trong các dụng cụ thu nhỏ, tinh vi và dễ sử dụng như hiện nay.

NHỮNG GÌ CÓ THỂ ĐO LƯỜNG?

Hầu như bất kỳ vật liệu kỹ thuật thông thường nào cũng điều đo lường được bằng sóng siêu âm, thiết bị đo chiều dày bằng sóng âm được thiết lập cho đo lường chiều dày kim loại, nhựa, composite, sợi thủy tinh, gốm sứ, thủy tinh,cao su… Có thể thực hiện trực tuyến hoặc trong quá trình đo đạc chất dẻo và kim loại cán, cũng như đo từng lớp riêng lẻ hoặc lớp phủ trong chế tạo trong nhiều lớp, và mức chất lỏng bên trong vật chứa cũng có thể đo lường được. Với phương pháp siêu âm, nó hoàn toàn không phá hủy mẫu hoặc cắt hay xén mẫu.

NGUYÊN LÝ ĐO CHIỀU DÀY BẰNG SIÊU ÂM?

Năng lượng siêu âm được tạo ra qua một dải tần số rộng. Con người nghe được âm thanh có thể xảy ra trong dải tần số thấp với giới hạn trên khoảng 20.000 vòng/giây (20 KHz). Tần số càng cao thì cảm nhận chúng ta nghe thấy càng cao. Sóng siêu âm là năng lượng âm thanh ở những tần số cao hơn, vượt quá giới hạn thính giác của con người. Hầu hết các phép đo lường bằng siêu âm thực hiện ở dải tần số khoảng từ 500 KHz đến 20 MHz, mặc dù một số thiết bị chuyên dụng giảm xuống 50 KHz và cao tới 225 MHz. Dù tần số, năng lượng âm thanh bao gồm một mô hình của các rung động cơ học có tổ chức đi qua một môi trường như không khí hoặc thép theo luật cơ bản của vật lý sóng.

Tất cả các thiết bị siêu âm đo chiều dày đều làm việc bằng cách đo chính xác khoảng thời gian cần thiết để một xung âm thanh đã được tạo ra bởi đầu dò đi qua một mẫu thử nghiệm. Vì các sóng âm phản hồi từ các ranh giới giữa các vật liệu không giống nhau, phép đo này thường được thực hiện từ một phía trong chế độ “Phát/Thu”, trong đó thiết bị sẽ tính toán thời gian truyền đi và quay về của một xung phản chiếu ra phía xa hoặc phía sau của mẫu kiểm tra.

Đầu dò bao gồm một bộ phận áp điện kích thích bởi một xung điện ngắn để tạo ra một đợt sóng siêu âm. Các sóng âm được truyền vào vật liệu kiểm tra và đi xuyên qua nó cho đến khi gặp phải một bức tường phía sau hoặc ranh giới khác. Các phản xạ sau đó sẽ quay trở lại đầu dò, chuyển năng lượng âm thanh trở lại thành năng lượng điện. Về bản chất, thiết bị đo lường sẽ nghe tiếng vọng từ phía đối diện. Thông thường khoảng thời gian này chỉ là vài phần triệu giây. Thiết bị đo lường được lập trình với tốc độ âm thanh trong vật liệu đo kiểm tra, từ đó nó có thể tính toán độ dày bằng cách sử dụng mối quan hệ toán học đơn giản như bên dưới.

T = (V) x (t / 2)    Trong đó:

• • • • • • • T là chiều dày của mẫu vật kiểm tra
            • V là vận tốc sóng âm truyền trong vật liệu kiểm tra
            • t thời gian sóng âm đi và quay trở về được đo lường

Cần lưu ý rằng vận tốc của âm thanh trong vật liệu kiểm tra là một phần thiết yếu của phép tính này. Những vật liệu khác nhau sự truyền sóng âm sẽ ở các tốc độ khác nhau, thường nhanh hơn ở vật liệu cứng và chậm hơn trong vật liệu mềm, và vận tốc âm thanh có thể thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Do đó, cần phải hiệu chuẩn thiết bị đo chiều dày siêu âm với tốc độ âm thanh trong vật liệu đang được đo lường và độ chính xác chỉ có thể tốt bởi hiệu chuẩn này.

Những sóng âm trong phạm vi Megahertz (MHz) không truyền tốt trong không khí, do đó một chất lỏng tiếp âm được sử dụng giữa đầu dò và mẫu kiểm tra để đạt được việc truyền âm thanh tốt nhất. Các chất tiếp âm thông thường là Glycerin, Propylen glycol, Nước, Dầu hoặc Gel. Chỉ một lượng nhỏ là cần thiết, đủ để lấp đầy khe không khí cực kỳ mỏng mà nó có thể tồn tại giữa đầu dò và đối tượng kiểm tra.

Có 3 cách phổ biến để đo lường khoảng thời gian đại diện cho sóng âm đi qua vật kiểm tra. Chế độ 1 là cách tiếp cận phổ biến nhất, chỉ đơn giản là đo khoảng thời gian giữa xung kích thích tạo sóng âm và phản hồi đầu tiên và loại bỏ một giá trị ZERO nhỏ bù đắp cho thiết bị, cáp và độ trễ của đầu dò. Chế độ 2 liên quan đến việc đo khoảng thời gian giữa một xung vọng quay trở lại từ bề mặt của mẫu kiểm tra và tín hiệu vọng đầu tiên. Chế độ 3 bao gồm đo khoảng thời gian giữa hai xung vọng quay về kế tiếp. Loại đầu dò và các yêu cầu ứng dụng cụ thể thường sẽ quyết định sự lựa chọn của chế độ đo lường.

LOẠI ĐẦU DÒ ĐO LƯỜNG?

Các thiết bị đo chiều dày vật liệu hiện nay thông thường sử dụng 04 loại đầu dò loại Tiếp xúc, Biến tử kép, Đường trễ và Âm điện từ. Nhưng cũng có một số ứng dụng đặc biệt sẽ được sử dụng loại đầu dò nhúng trong nước. Mỗi loại đầu dò sẽ có các đặc điểm và tính năng khác nhau để đáp ứng cho từng ứng dụng khác nhau.

1. Đầu dò tiếp xúc: Như tên của nó, các đầu dò tiếp xúc sử dụng biến tử đơn để tiếp xúc trực tiếp với mẫu kiểm tra. Các phép đo lường với các đầu dò tiếp xúc thường là đơn giản nhất để thực hiện và chúng thường là sự lựa chọn đầu tiên đối với hầu hết các ứng dụng đo chiều dày phổ biến.
2. Đầu dò biến tử kép: Các đầu dò này được sử dụng chủ yếu để đo những bề mặt gồ ghề, ăn mòn. Việc kết hợp giữa biến tử phát và thu riêng biệt được gắn trên một đường trễ ở một góc nhỏ để tập trung năng lượng một khoảng cách được lựa chọn bên dưới bề mặt của mẫu kiểm tra. Mặc dù đo lường với những đầu dò kép đôi khi không chính xác như các loại đầu dò biến tử đơn, nhưng chúng thường cung cấp hiệu suất tốt hơn đáng kể trong các ứng dụng khảo sát ăn mòn.
3. Đầu dò đường trễ: Các đầu dò đường trễ hay còn gọi là delay line kết hợp một hình trụ nhựa, epoxy, hoặc silica được cô đặc được biết đến như một đường trễ giữa phần tử hoạt động và mẫu kiểm tra. Một lý do chính để sử dụng chúng là cho các phép đo vật liệu mỏng, trong đó điều quan trọng là phải tách riêng sự phục hồi xung kích thích từ những xung vọng phía sau. Một đường trễ có thể được sử dụng làm chất cách nhiệt, bảo vệ các bộ phận cảm biến nhạy với nhiệt độ khi tiếp xúc trực tiếp với các mẫu kiểm tra có nhiệt độ cao, và các đường trễ cũng có thể được định hình hoặc đường viền quanh để cải thiện cho việc liên kết giữa  âm thanh với các không gian cong hoặc kín.
4. Đầu dò âm điện từ: Các đầu dò phân cực điện từ hay còn gọi là EMA (Electro-Magnetic Acoustic) sử dụng một cuộn dây sắt từ để tạo ra sự phân cực điện từ vòng và từ đó tạo ra sóng âm dạng cắt (ngang) trong vật liệu kiểm tra. Lợi thế đáng kể của công nghệ mới này là không cần sử dụng một bộ nam châm vĩnh cửu do đó đầu dò khi thực hiện kiểm tra sẽ không có sự bám dính chặt với các bề mặt đang được kiểm tra bằng thép sắt từ, và cho phép đầu dò EMA kéo quét trên bề mặt đang được kiểm tra mà các chip kim loại không bám dính vào đầu dò, và đặc biệt nó không cần sử dụng chất lỏng làm tiếp âm hoặc vệ sinh sạch bề mặt mẫu kiểm tra.
5. Đầu dò nhúng: Đầu dò nhúng sử dụng một cột hoặc bồn nước để ghép đôi năng lượng âm thanh vào mẫu kiểm tra. Chúng có thể được sử dụng để đo lường trực tuyến hoặc trong quá trình đo lường sản phẩm di chuyển, để đo quét, hoặc để tối ưu hóa việc liên kết vào các bán kính, rãnh, hoặc  các khe nhỏ.

NHỮNG YẾU TỐ CẦN XEM XÉT

Trong bất kỳ ứng dụng siêu âm nào, việc lựa chọn thiết bị và đầu dò sẽ phụ thuộc vào vật liệu cần kiểm tra, phạm vi chiều dày, dạng hình học mẫu kiểm tra, nhiệt độ, yêu cầu độ chính xác và bất kỳ điều kiện đặc biệt nào có thể có. Dưới đây là những yếu tố chính cần được xem xét.

Vật liệu và chiều dày: Loại vật liệu và phạm vi dày được đo lường là những yếu tố quan trọng nhất trong việc chọn thiết bị và đầu dò. Nhiều vật liệu kỹ thuật phổ biến bao gồm hầu hết các kim loại, gốm sứ và thủy tinh truyền tải rất hiệu quả và có thể dễ dàng đo được trên một dải rộng. Hầu hết các chất dẻo hấp thụ năng lượng siêu âm nhanh hơn và do đó có một phạm vi chiều dày tối đa trong việc kiểm tra sẽ hạn chế, nhưng vẫn có thể thực hiện được dễ dàng trong hầu hết các trường hợp sản xuất. Vật liệu cao su, sợi thủy tinh và composite có thể suy giảm âm nhiều hơn do đó thường đòi hỏi phải có các thiết bị và đầu dò có dải băng thông tần số thấp để tối ưu hóa cho việc kiểm tra.

Hình dạng mẫu kiểm tra: Khi độ cong bề mặt gia tăng, hiệu quả liên kết giữa đầu dò và vật kiểm tra sẽ giảm, do đó, bán kính của đường cong sẽ làm giảm kích thước của đầu dò. Đo lường trên các bán kính có các đường cong lõm, có thể yêu cầu các đầu dò loại đường trễ (delay line) đặc biệt hoặc các đầu dò nhúng không tiếp xúc để liên kết âm tốt hơn. Đầu dò đường trễ và đầu dò nhúng cũng có thể được sử dụng để đo lường trong các rãnh, lỗ khoét và các khu vực tương tự có hạn chế việc tiếp cận.

Nhiệt độ: Các đầu dò tiếp xúc thông thường có thể được sử dụng trên bề mặt lên đến khoảng 50°C. Sử dụng hầu hết các đầu dò tiếp xúc trên các vật liệu nóng hơn có thể dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn do các hiệu ứng giãn nở nhiệt. Trong những trường hợp như vậy, nên luôn luôn sử dụng các đầu dò dòng trễ với đường trễ chống nhiệt hoặc các đầu dò biến tử kép cho ứng dụng nhiệt độ cao.

Giai đoạn đảo ngược: Có những ứng dụng thường xuyên, nơi một vật liệu trở kháng âm thấp (mật độ nhân với vận tốc sóng âm) được liên kết với một vật liệu trở kháng cao hơn. Các ví dụ điển hình bao gồm nhựa, cao su, thủy tinh phủ trên thép hoặc các kim loại khác, và lớp phủ polyme trên sợi thủy tinh. Trong những trường hợp này xung vọng từ ranh giới giữa hai vật liệu sẽ được đảo ngược pha hoặc đảo ngược đối với xung vọng thu được từ một ranh giới không khí. Tình trạng này thường có thể được điều chỉnh bằng một sự thay đổi thiết lập đơn giản trong thiết bị, nhưng nếu nó không được tính đến, các giá trị đọc có thể không chính xác. Trong trường hợp này chúng ta có thể sử dụng các đầu dò loại biển tử kép cho ứng dụng đo qua lớp phủ hoặc các đầu dò âm điện từ EMA.

Độ chính xác: Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo trong một ứng dụng nhất định, bao gồm hiệu chuẩn thiết bị thích hợp, tính đồng nhất của vận tốc âm trong vật liệu, độ suy giảm âm và tán xạ, độ gồ ghề bề mặt, độ cong, liên kết  âm kém và tính không song song của xung dội quay về. Tất cả các yếu tố này cần được xem xét khi lựa chọn thiết bị và đầu dò. Với phép hiệu chuẩn thích hợp, các phép đo thường có thể được thực hiện với độ chính xác lên đến 0.01 mm, và trong một số trường hợp độ chính xác có thể đạt tới 0.001 mm. Độ chính xác trong một ứng dụng nhất định có thể được xác định tốt nhất thông qua việc sử dụng các bộ mẫu tham chiếu có chiều dày chính xác được biết trước. Nói chung, thiết bị đo lường sử dụng đầu dò trễ hoặc đầu dò nhúng cho phép đo lường ở Chế độ 3 có thể xác định được chiều dày của mẫu kiểm tra chính xác nhất.