小说非接触方法描述Air-Coupled超声散射表面轮廓

Deden滇Sukmana Ikuo Ihara

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AZojomo (ISSN 1833 - 122 x)卷22006年11月

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本文提出了一种新的非接触方法表面轮廓特征的材料欧洲杯足球竞彩通过air-coupled超声波散射。超声测量与宽带air-coupled电容传感器有一个中心频率为0.5 MHz已经进行十标本的表面经受是不同的。这两个标本的表面轮廓的统计参数,均方根粗糙度中移动和表面相关长度λ_o的范围从0.04到244.1μm和从29到445年μm,分别。标本测量的超声波分散在不同散射角。散射波的振幅之间的关系和参数,中移动和λ_o,是然后检查。它已被证明非相干分量的振幅non-specular反射角度显著的变化与中移动和λ_o,而在镜面反射振幅的相干分量角是敏感中移动。实验结果验证了使用Kirchhoff-based散射模型。

关键字

电气性能,composite-conductive,natural-oils,percolationthreshold,carbonb缺乏。

介绍

表面粗糙度是一个重要的参数评估材料表面的质量,因为它直接影响到摩擦学的和光学性质的材料[1 - 3]。欧洲杯足球竞彩虽然两种方法,唱针分析和光学散射,广泛用于测量表面粗糙度[4 - 6],它们都有缺点,不适合实际应用。例如,手写笔的方法,由于其机械接触测量,可以破坏材料表面时被评估的表面是微妙的或脆弱。光学方法可以提供基于光束照射的非接触测量。然而,粗糙度的测量范围的上限参数小于1μm因为短的波长的光[6]。因此,它是理想的另一种非接触测量技术经受的相对较大的范围,如从1μm 100μm。使用声波的波长通常是大于电磁测量的光学表面粗糙度得到了相当大的关注[7]。尽管有几个实验尝试超声波粗糙度测量(地位),他们中的大多数已经使用浸技术使用水或其他液体作为耦合介质。在许多情况下,使用水或其他液体通常是不受欢迎的,因为他们可能会引起严重退化的材料表面有低的水阻力。因此,许多工业应用非接触测量更可取。 Air-coupled ultrasound [16-18] which can provide noncontact measurement without any liquid couplant can be a promising candidate for surface roughness evaluation. Although some ultrasonic measurements using air-coupled ultrasound have been performed [19-21], the application to surface roughness evaluation has never been studied. In our previous work [22], we had used an air-coupled ultrasound with broadband capacitance transducers [17] for characterizing specimen surfaces with a relative large range of roughnesses, root-mean-square roughness中移动,244μm。我们有工作,所示中移动可以从的相干分量特征的粗糙表面散射的超声波。然而,中移动主要反映表面几何的高度信息,因此横向信息很难获得中移动。为了获得更详细的描述表面的几何形状,另一个参数是密切相关的侧表面的几何信息是必要的。因为众所周知,一个非相干散射波的表面相关长度有关λ_o用来描述表面的横向信息几何[7],有趣的是检查的不连贯的组件来描述表面吗相关长度λ_o。摘要,理论和实验调查了检查之间的关系λ_o和散射波的非相干分量。一条宽带电容传感器用于反射结构测量散射波在不同散射角的标本的表面。散射波的振幅之间的关系和两个表面轮廓的统计参数,中移动和λ_o已检查。测量结果与理论值相比从Kirchhoff-based散射模型计算。

从粗糙表面散射的超声波

从粗糙表面散射的超声波被认为是一个相干叠加组件反映在non-specular反射镜面反射角度和非相干分量角[22]。这些组件的散射波的构成取决于程度的粗糙度。粗糙表面增加了非相干组件和降低了连贯的组件。运用基尔霍夫理论在一些假设的平面波入射下,一个单一的散射情况下,高斯分布的表面高度,高斯相关函数的表面高度,和远场条件,总体散射场的强度可以写成[23]

(1)

散射场的相干分量定期与入射波相位,给出了散射几何图1所示

(2)

在哪里我_o是能量反射表面光滑, ,k是波数,中移动是均方根粗糙度,θ_我和θ_r分别的反射光和入射角度。不连贯的组件是不规则的,缺乏与入射波相位匹配是由[23]

(3)

当再保险F = (1 + cosθ_我+θ_r)/ (cosθ_我+θ_r)= sinθ_我-sinθ_r,r散射点的距离远离表面,一个米的面积是指平面的表面,和λ_o表面相关长度。我们可以看到从方程(2)和(3)主要取决于连贯的组件中移动,而非相干分量取决于两种中移动和表面相关长度λ_o。因此,这两个相干和非相干组件可用于定量评估的参数中移动和λ_o。

图1。散射几何用于实验。

实验的程序

一条宽带air-coupled电容传感器(微声有限公司加拿大的蝙蝠)有一个中心频率为0.5 MHz是用于pitch-catch配置[22]。每个传感器的直径是10毫米。传感器和样品表面之间的工作距离35毫米。方波脉冲发生器(美国Ritec, sp - 801 A)和宽带接收机(美国Ritec, br - 640)被用来发送和接收宽带超声脉冲波。超声波信号是使用串行采集板100 MHz的采样率,然后进行了信号处理和数据分析与个人电脑运行的虚拟仪器^TM软件。回波脉冲使用传感器测量操作重复率为0.5 kHz。T他超声波入射到样品表面60°的入射角和散射波测量角度从0°- 80°每隔5°。为了减少背景噪音的测量信号,平均值是来自几百获得信号在每个散射角。五个独立的测量都是在不同的位置为每个标本和峰间值的平均值测量信号的振幅用于讨论。这项工作中所使用的测量条件,评价区域(由超声波在试样表面使声穿透区)被认为是大约10毫米直径。

标本

九种砂纸表有不同的粒度大小是用于标本。砂纸都连着一个钢板平面。抛光不锈钢板作为参考样品表面光滑。图2显示了表面的标本测量由针表面光度仪(东京精密、SURFCOM3000A,日本)使用2μm尖端半径为0.7 mN笔负载跟踪在长度为40毫米的表面。虽然有是几个参数评估表面粗糙度,如平均粗糙度类风湿性关节炎,最大peak-to-valley高度变化中和其他参数(JIS B0601)设计了量化的信息从表面轮廓数据得到一个针方法,密切相关的参数超声用于这项工作的散射现象是均方根粗糙度中移动和表面相关长度λ_o所示的方程(2)和(3),平均粗糙度之间的经验关系类风湿性关节炎和均方根粗糙度中移动可以找到一个吗高斯表面轮廓的高度分布类风湿性关节炎≅0.8中移动[24]。的中移动,类风湿性关节炎或变化中表面轮廓的高度特征相关。然而,表面相关长度λ_o与外侧表面轮廓的特征。因为两个不同的表面可能有相同的值类风湿性关节炎或中移动[25],横向的信息λ_o区分这些表面是很有用的。

图2。表面的每个标本测量针的方法。

均方根粗糙度中移动竖直维度的方差计算表面的高度吗h (x)。对于离散的情况,中移动是由[26]

(4)

在哪里N是数据点的数量,h_我在表面轮廓高度每一点,然后呢 的平均身高是表面轮廓。获得表面相关长度的自相关函数h (x)。自相关函数的空间位移x '= nΔx是由[26]

(5)

在哪里h_{我+ n}是一个点的空间位移点吗h_我,n是一个整数≥0。表面相关长度λ_ο被定义为距离x '在这C (x ')= 1 / e [26]。表面相关长度λ_ο提供信息的粗糙表面的平均侧峰之间的距离。根据Takafuji等。[24],λ_ο等于的倒数的数量占主导地位峰单位长度(PPI),λo≅1 / PPI。因此,表面相关长度可以被认为是一个占主导地位的空间频率的表面轮廓。的中移动和λ_o砂纸使用的范围从9.8到244.1μm和从29到445年μm,分别如图2所示。图3显示了自相关函数的高度C (x ')的标本有中移动= 42.6μm。的理论高斯相关函数图3所示。统计特性,如高度分布[22]和试样表面的高度的相关函数,由高斯近似。

图3。自相关函数的高度Rq = 42.6µ标本米。

结果与讨论

图4显示了散射波的振幅的变化为每个标本与散射角。这里使用峰振幅的测量脉冲信号。我们可以看到,每个曲线的峰值振幅变化的反射60°角振幅峰值逐渐降低的散射角是除了60°。由于入射角是60°,60°的反射角度的镜面角度超声波强烈反映在试样表面。镜面角度的反射波组件辐照区域的同相,因此这样的组件之间的相位匹配强振幅反射。这样的组件被称为一个连贯的组件。这样一个连贯的组件之间的关系和表面粗糙度已经讨论了在前面的工作[22]。图5(一个)显示的波形一致的组件的不同的值中移动获得反射60°角和图5 (b)显示了它们的频率谱。图6显示了相干分量的振幅之间的关系和规范化的粗糙度Rq∙f[22]频率成分的0.25,0.5,和0.75 MHz在图5 (b)。实线是方程(2)的理论计算结果。结果表明,测量振幅也同意理论的范围Rq∙f不到50毫秒¹。测量和理论之间的分歧的范围Rq∙f大于50毫秒¹可能是由于语无伦次的生成组件中不容忽视的测量信号。我们可以看到在图6中,振幅时明显减少Rq∙f小于100女士吗¹。自相似的结果如图6所示也获得了不同的镜面反射角度,如30°[22],入射角的选择可以是一个无关紧要的因素从连贯的粗糙度测量组件在这个工作。

图4。振幅的变化与散射角不同的粗糙度中移动。

(一)

(b)

图5。波形(a)和他们的频率谱(b)的相干分量反映样本有不同的粗糙度中移动(θ_我=θ_r= 60°)。

图6。振幅和规范化粗糙度之间的关系Rq∙f(θ_我=θ_r= 60°)。

non-specular反射角度,如< 50°或> 70°如图4所示,认为没有连贯的组件,只有不连贯的组件存在。自不连贯的组件是分散到不同方向不同相的条件下,组件的振幅很小而连贯的组件。图7显示了散射角的波形测量每个标本30°。我们可以看到,波形的变化中移动与连贯的不同组件如图5所示(一个)。自振幅随中移动和波形不期间保持定期的振幅变化,不连贯的组件是占统治地位的为30°的角度测量波。它可以从方程(3)的振幅不仅取决于不连贯的组件中移动而且表面相关长度λ_o。理解的影响中移动和λ_o因此在非相干分量的振幅的一个重要方面评估散射波的表面粗糙度。图8显示了变化的振幅计算方程(3)的函数中移动和λ_o事件和散射角60°和30°,分别。其他参数用于计算上述实验中使用的相同。应该注意的是,非相干分量的振幅都很敏感中移动和λ_o。从图8可以看出,表面相关长度λ_o可以估计从语无伦次组件时中移动是已知的。图9显示了之间的关系λ_o每个标本和非相干分量的振幅,振幅在哪里除以振幅归一化的样本中移动= 244.1μm和λ_o使用手写笔轮廓曲线仪测量。测量振幅和之间的关系λ_o几乎同意的理论结果。实验和理论结果之间的差异被发现的标本中移动小于52.3μm。这是因为非相干分量的振幅很小对于这样小的值中移动因此它被认为是类似的测量信号的噪声。这样的噪音会造成理论和实验结果之间的差异。

图8。非相干分量的振幅分布计算粗糙度的功能中移动和表面相关长度λo(θ我= 60°,θr= 30°)。 图9。表面相关长度之间的关系λo和非相干分量的振幅(θ我= 60°,θr= 30°)。 测量结果表明,air-coupled超声波是可行的较大范围的经受的非接触测量,比如50μm或更多,光学不能应用。建立了表面轮廓评价技术,进一步研究应该进行灵敏度和测量误差。 结论 我们已经进行了非接触特性的表面轮廓用air-coupled超声波宽带电容传感器中心频率为0.5 MHz。均方根粗糙度的标本用统计参数中移动和表面相关长度λo,从244到0.04μm和29 - 445μm,分别。散射波和两参数之间的关系中移动和λο已被确认。实验表明,散射波的不连贯的组件的行为与表面粗糙度与连贯的不同组件。 测量非相干分量的振幅之间的关系和参数中移动和λο已经获得,验证使用Kirchhoff-based散射模型。自非相干分量的振幅取决于两种中移动和λο,我t已被证明是可能的估计λo从非相干分量的振幅时的价值中移动是已知的。 Acknowledgem树人 金融支持科学研究补助金(B17360351) jsp和21世纪卓越中心(COE)计划的教育,文化,体育,科学和技术是感激地感谢。欧洲杯线上买球 参考年代 1。问:道,惠普李和s . p . Lim“接触力学与各种模型表面的粗糙度描述”,穿,卷。249年,539 - 545,2001年。 2。c·李·g·w·Kattawar p·杨,“表面粗糙度对由小粒子光散射的影响”,j .定量光谱和Rad。转让、欧洲杯猜球平台卷。89年,123 - 131,2004年。 3所示。d·j·怀特豪斯“表面计量”,量。科学。抛光工艺。卷。8,955 - 972,1997年。 4所示。k .三井“进程内的传感器表面粗糙度及其应用”,精密Eng。,卷。8,212 - 220,1986年。 5。j·m·班纳特小姐,”最近的事态发展在表面粗糙度表征”,量。科学。抛光工艺。卷。3,1119 - 1127,1992年。 6。t . v . Vorburger e .马克思和t·r·Lettieri“政权的表面粗糙度测量的光散射”,达成。选择。卷。32,3401 - 3408,1993年。 7所示。j . a .奥美“从随机粗糙表面散射理论”,眼压、布里斯托尔(1991)32。 8。s . j . y . c . Shin哦,s . a .科钦,“表面粗糙度测量超声波传感过程监控”,j·英格。在工业上,卷。117年,439 - 447,1995年。 9。g . v .祝福,j . a . Slowinski d . g . Eitzen和h . m .瑞安,超声波测量表面粗糙度,达成。选择。卷。32,3433 - 3437,1993年。 10。s . j .哦,y . c . Shin和e . s . Furgason“通过超声散射表面粗糙度评价”,IEEE反式。UFFC,卷。41,863 - 871,1994年。 11。m . deBilly f . c . Tenoudji g .昆汀·k·刘易斯和l·阿德勒的“超声评价的几何参数和表面粗糙固体缺陷”,j .无损Eval。卷。1,249 - 261,1980年。 12。彼得森p c和a .水鸟”的应用时间延迟为粗糙表面特征谱”,超声学,卷。39,101 - 108,2001年。 13。彼得森j . e . Wilhjelm p c和s·m·雅各布森”粗糙度的影响,角度、范围和传感器类型从平面回波信号接口”,IEEE反式。UFFC,卷。48,511 - 521,2001年。 14。m·德·比利,f c . Tenoudji Jungman和g . j .昆汀“分配一个签名的可能性粗糙表面使用超声波反向散射图”,IEEE反式。UFFC,卷。23,356 - 363,1976年。 15。p·f·史密斯和m . a球员,“强化表面参数化使用马克西姆熵超声波脉冲信号处理”,量。科学。抛光工艺。2(1991)419 - 429。 16。h . Nagahara t . Hashida m .铃木和m .桥本”发展高灵敏度超声换能器在空气Nanofoam材料”,日本。j:。理论物理,卷。44,4485 - 4489,2005年。 17所示。d . w . Schindel d·a·哈钦斯l .邹和m .说话的“微型机械的设计和描述Air-coupled电容传感器”,IEEE反式。UFFC,卷。42,42-51,1995年。 18岁。a·g·d·a·哈钦斯d . w . Schindel Bashford和w·m·d·莱特“超声波静电传导的进步”,超声学,卷。36,1 - 6,1998年。 19所示。k .佐佐木m . Nishihara和k . Imano Nanometer-Order分辨率位移测量系统由Air-Coupled超声波引入最大Phase-Sensitivity调优”,日本。j:。理论物理,卷。44,4411 - 4416,2005年。 20.r . Stoessel n . Krohn k Pfleiderer和g .会Air-Coupled超声检验各种材料,超声学,欧洲杯足球竞彩卷。40,159 - 163,2002年。 21。d . w . Schindel和d·a·哈钦斯”应用程序的微型机械电容传感器在Air-Coupled超声学和无损评价”,IEEE反式。UFFC,卷。42,51-58,1995年。 22。d d Sukmana和i Ihara Air-Coupled超声波的应用非接触表面粗糙度评价”,日本。j:。理论物理,卷。44,4417 - 4420,2005年。 23。Ref。7) 88 - 89页。 24。h . Takafuji t石田和r . Kusaka”的新定量表示表面粗糙度的分析及其应用光散射从钢板表面”,反式。ISIJ,卷。62年,75 - 83,1976年,(在日本)。 25。Ref。7) p。13。 26岁。d·j·怀特豪斯“表面计量手册”,物理研究所出版,伦敦(1994)p。15 & 53页。 详细联系方式

Deden殿Sukmana*和IkuoIhara 长冈技术大学机械工程系 长冈,940 - 2188 日本 *电子邮件:(电子邮件保护)

T这篇文章也发表在“技术进步欧洲杯足球竞彩材料和材料加工日报》8 [2](2006)248 - 255”。