Способ измерения толщины покрытий

 

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины покрытий и тонких пленок из ферромагнитных материалов. Цель изобретения - повышение точности и упрощение при измерении толщины ферромагнитных покрытий . Это достигается благодаря тому, что в способе измерения толщины покрытий, заключающемся в возбуждении в изделии поверхностных ультразвуковых волн, последние возбуждают и принимают с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, частоту f возбуждения выбирают из условия f , где а . JrL2 коэффициент, определяемый свойствами материала покрытия; L-максимальное значение диапазона измеряемых покрытий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. w Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01. В 17/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4783709/28 (22) 18.01.90 (46) 30.04.92, Бюл, hh 16 (71) Физико-технический институт со специальным конструкторским бюро и опытным производством Уральского отделения . АН СССР (72) P.Ñ. Ильясов, С.Э, Бабкин и В.А. Комаров . (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 538223, кл, G 01 В 17/02, 23.07,75.

Авторское свидетельство СССР

М 389401, кл. G 01 В 17/02, 21.06.71.

Авторское свидетельство СССР

М 146137, кл. G 01 В 17/02, 26.10.59.

Авторское свидетельство СССР

ФЭ 991165, кл. G 01 В 17/02, 25.08.81, Авторское свидетельство СССР

Й. 1280519, кл. G 01 В 17/02, 22.04.85.

Авторское свидетельство СССР

М 198691, кл. G 01 В 17/02, 25.04.66.

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины покрытий и тонких пленок из ферромагнитных материалов.

Известен способ измерения толщины слоев и покрытий, основанный на изменении частотного спектра ультразвуковых ко- .лебаний, прошедших через слой.

Недостатком этого способа является низкая точность и сложность, связанные с необходимостью спектрального анализа сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения толщины пленки, „„59„„1730536 А1 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИ.Й (57) Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины покрытий и тонких пленок из ферромагнитных материалов. Цель изобретения— повышение точности и упрощение при измерении толщины ферромагнитных покрытий. Это достигается благодаря тому, что в способе измерения толщины IIокрытий, заключающемся в возбуждении в изделии поверхностных ультразвуковых волн, последние возбуждают и принимают с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, частоту f возбуждения выбирают из условия f < ., где а— а г коэффициент, определяемый свойствами материала покрытия; L- максимальное значение диапазона измеряемых покрытий. 1 з,п. ф-лы, 2 ил. заключающийся в возбуждении и регистрации ультразвуковых поверхностных волн в подложке, на которую нанесена пленка, по затуханию которых судят о толщине пленки.

Недостатками данного способа являются низкая точность измерений, обусловленная зависимостью показаний от свойств и качест.ва подложки и от адгезии пленки, а также сложность. связанная с необходимостью изготовлять участки подложки, не занятые пленкой, для ввода и вывода ультразвука.

Целью изобретения является повыше, ние точности и упрощение измерения толщины ферромагнитных покрытий.

1730536

Использование предлагаемого способа обеспечивает измерение толщины ферромагнитных покрытий в бесконтактном варианте (ЭМА-способ является бесконтактным). Скорость контроля определяется частотой повторения возбуждающих волну импульсов (в импульсном варианте), это величина 500 — 1000 Гц. Кроме того, параллельно с измерением толщины покрытия можно измерять в нем скорость волны по измерению времени распространения импульса от возбуждаю цего преобразователя до приемного.

Сущность изобретения состоит в том, что в ферромагнитном покрытии с помощью электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают и принимают ультразвуковые поверхностные волны и по амплитуде принятых волн определяют толщину покрытия, Частоту возбуждения поверхностных волн f выбирают из условия

< г с м где а — коэффициент, определяемый свойствами материала покрытия;

d> — максимальное значение диапазона измеряемых толщин покрытий.

Кроме того, в качестве поверхностной волны использована волна Лява.

ЭМА-преобразование, т. е. преобразование электромагнитной энергии индукционной катушки в энергию ультразвуковых колебаний в твердом теле, происходит в скинслое, т. е. в слое, куда эффективно проникает электромагнитное поле частотой f. Толщина скин-слоя д выражается формулой ч 1 Ка (2) fppo <

1 ,и,и, 0 ,и, — магнитная постоянная; ,и — динамическая магнитная проницаемость материала; д — удельная электропроводность материала.

Если толщина объекта d, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, больше величины скин-слоя, то величина d не влияет на эффективность ЭМА-преобразования, т. е. на ту долю электромагнитной энергии, которая превращается в энергию ультразвуковых колебаний, Если же имеем тонкие ферромагнитные покрытия или пленки, для которых d < д, а это, как видно из формулы (2), будет выполняться при частоте возбуждения

f <

X(P то должна наблюдаться зависимость эффективности ЭМА-преобразования от толщины покрытия: чем больше d (в рамках условия d < д), тем выше эффективность

ЭМА-преобразования, а значит, больше интенсивность (амплитуда смещений) образовавшейся ультразвуковой волны.

Таким образом, если с помощью ЭМАспособа в покрытии возбудить поверхностную волну, принять ее на некотором расстоянии, то амплитуда принятого сигнала будет зависеть от толщины покрытия.

В покрытиях можно возбудить несколько типов поверхностных волн. Наиболее предпочтительный тип для измерения толщины покрытий — волна Лява. Она имеет малое затухание и менее чувствительна к воздействию внешних демпфирующих факторов. Таким образом, применение волны

Лява в качестве поверхностной позволит увеличить точность измерения.

На фиг. 1 показана схема устройства

25 для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 — зависимость амплитуды принятого сигнала А (в относительных единицах) от .толщины покрытия d (в микронах) для приведенного примера, Устройство для осуществления предлагаемого способа (фиг. 1) содержит ЭМА-дефектоскоп 1 для возбуждения и приема

ЭМА-сигналов и возбуждающий 2 и приемный 3 преобразователи, которые устанавливаются на поверхность изделия 4 с покрытием 5.

Способ заключается в следующем.

Устанавливают преобразователи 2 и 3 на поверхность иэделия 4 с покрытием 5.

40 Частоту возбуждения выбирают из условия (1). По образцам с известной толщиной покрытия строят градуировочную зависимость амплитуды принятого сигнала от толщины покрытия. 8 дальнейшем изме45 рение покрытий ведут к данной градуировочной кривой.

П р и м е.р, Исследовали никелевые покрытия толщиной от 5 до 20 мкм на основе из алюминия толщиной 5 мм (покрытие на50 несено гальваническим способом).

Для ЭМА-преобразования поверхностных волн испольэовали устройство, содержащее электромагнит и меандровую катушку. Для преобразования волн рэле55 евского типа витки меандровой катушки устанавливались перпендикулярно подмагничивающему полю, для волн Лява — параллельно. Частота колебаний 1,5 МГц, при этом длина волны равна 2 мм, а толщина

1730536

4 (аа) .70

iy 1Z

d äàì)

Диг2

Составитель С. Бабкин

Техред М.Моргентал Корректор О. Головач

Редактор Е. Копча

Заказ 1508 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 скин-слоя 50 мкм, т. е. выполнялось условие d < д. 8 качестве ЭМА-дефектоскопа использовали серийный прибор ДУК-68.

Амплитуду принятого ЭМА-сигнала измеряли по осциллографу С1 — 70. Зависимость амплйтуды ЭМА-сигнала А от.толщины покрытия d представлена на фиг. 2. Сплошная линия соответствует волнам рэлеевского типа, пунктирная — волнам Лява, Квадратичная зависимость амплитуды ЭМА-сигнала от толщины покрытия обьясняется использованием двойного ЭМА-преобразования.

Формула изобретения

1. Способ измерения толщины покрытий, заключающийся в возбуждении в изделии ультразвуковых поверхностных волн, измерении амплитуды принятых волн и использовании их для определения толщины покрытия, отличающийся тем. что, с . целью повышения точности и упрощения при измерении толщины ферромагнитных покрытий, ультразвуковые поверхностные

5 волны возбуждают и принимают с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, а частоту f возбуждения выбирают из условия а

10 „2 где а — коэффициент, определяемый свойствами материала покрытия;

L — максимальное значение диапазона

15 измеряемых толщин покрытий.

2. Способ по и. 1., отличающийся тем, что возбуждают поверхностные волны

Лява.