[发明专利]一种利用高次驻波谐振定量检测弹性板厚度的方法

摘要

本发明通过片状纵波压电换能器在弹性板中激发纵波，纵波在弹性板中传播，到弹性板的另一表面处反射，在弹性板中形成驻波谐振动；然后利用阻抗分析仪或网络分析仪得到弹性板的高次驻波谐振模式；再计算每个高次谐振模式的有效机电耦合系数，得到最大有效机电耦合系数对应的谐振模式的并联谐振频率，根据片状纵波压电换能器和被检测弹性板的厚度方向纵波声阻抗的关系，得到弹性板的厚度。本发明的检测具有更高的灵敏度，而且设备简单，易于实现；灵敏度高、易于观察；本发明中弹性板驻波谐振对表面状况敏感，能标定弹性板表面的腐蚀状。

主权项

一种利用高次驻波谐振定量检测弹性板厚度的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)将被检测弹性板的一个表面与片状纵波压电换能器耦合；(2)由阻抗分析仪或网络分析仪测量片状纵波压电换能器的输入电阻抗，得到输入电阻抗曲线图；(3)测量高次谐振模式的有效机电耦合系数：改变阻抗分析仪或网络分析仪的频率范围，使频率分辨率达到相应的要求；采取频率范围分段测量的方式，从低频到高频连续测量片状纵波压电换能器的输入阻抗曲线，直至输入阻抗曲线平滑为止，对测量的数据进行分析，确定每一个谐振模式对应的并联谐振频率和串联谐振频率，根据公式(1)计算出高次谐振模式的有效机电耦合系数； k eff 2 ( m ) = π 2 4 · f s ( m ) f p ( m ) · [ 1 - f s ( m ) f p ( m ) ] 公式(1)其中，fs(m)和fp(m)分别是第m阶模式串联谐振频率和并联谐振频率；m为自然数1，2，3...；阻抗分析仪或网络分析仪的频率分辨率fmin需满足公式(2)：fmin＜Δfp/2                                公式(2)其中，Δfp＝fp(la+d)-fp(la)                 公式(3)其中，d为被测弹性板厚度的检测精度，la为被检测弹性板厚度的估算厚度，fp(la+d)和fp(la)分别是板厚为la+d和la的最大有效机电耦合系数对应谐振模式的并联谐振频率；(4)将步骤(3)中得到的高次谐振模式的有效机电耦合系数进行比较，确定最大有效机电耦合系数对应的谐振模式；对于被检测弹性板的声阻抗小于片状纵波压电换能器的声阻抗情形，即Zsb/Z＜1时，最大有效机电耦合系数对应谐振模式的并联谐振频率： f p = ( m N z sb + 1 ) 2 ( z e 1 l e 1 V e 1 + z sb l sb V sb + z e 2 l e 2 V e 2 + l V ) 公式(4)其中， m N = V ( l sb + 0.5 ρ e 2 l e 2 / ρ ) V sb ( l + 0.5 ρ e 2 l e 2 / ρ + ρ e 1 l e 1 / ρ ) , 忽略电极厚度，则公式(4)简化为： f p = ( m N z sb + 1 ) 2 ( z sb l sb V sb + l V ) 公式(5)其中，mN＝Vlsb/Vsbl对于被检测弹性板的声阻抗大于或等于片状纵波压电换能器的声阻抗情形，即Zsb/Z≥1，最大有效机电耦合系数对应谐振模式的并联谐振频率为： f p = 1 2 z sb · m T + 0.5 + z sb / 2 l V + l sb z sb V sb + z e 1 l e 1 V e 1 + l e 2 z e 2 V e 2 公式(6)式中， m T = [ V ( l sb + 0.5 ρ e 2 l e 2 / ρ ) V sb ( l + 0.5 ρ e 2 l e 2 / ρ + ρ e 1 l e 1 / ρ ) - 1 ] / 2 ; 忽略电极的厚度，公式(6)可以简化为 f p = 1 2 z sb · m T + 0.5 + z sb / 2 l V + l sb z sb V sb 公式(7)式中， m T = [ Vl sb V sb l - 1 ] / 2 . 上述公式(4)、(5)、(6)和(7)中，Z、Zsb、Ze1、Ze2分别是片状纵波压电换能器、弹性板、上电极和下电极的声阻抗，l、lsb、le1、le2分别是片状纵波压电换能器、弹性板、上电极和下电极的厚度，V、Vsb、Ve1、Ve2分别是片状纵波压电换能器、弹性板、上电极和下电极沿垂直于表面方向的纵波声速度，ρ、ρsb、ρe1、ρe2分别是片状纵波压电换能器、弹性板、上电极和下电极的密度；(5)根据片状纵波压电换能器和被检测弹性板的厚度方向纵波声阻抗的比较大小关系，利用公式(4)、(5)、(6)或(7)得到被测量样品的厚度。