High precision ΔE effect measurement with the use of ultrasonic-wave-time-of-flight method

• Autorzy: Grzelak S. , Wydźgowski L. , Czoków J. , Chaberski D. , Zieliński M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2016.11.21

Warianty tytułu

PL

Precyzyjny pomiar zmiany modułu Younga metodą czasu przelotu fali ultradźwiękowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper provides description of very accurate measurement method of ferromagnetic rod Young modulus variations (ΔE effect) as a function of the magnetic field. The Young’s modulus variations measurement principle is based on change of sound velocity. The high resolution time of flight of ultrasonic wave measurement was applied. High resolution as good as 15 ps TDC (Time to Digital Converter) implemented in FPGA (Field Programmable Gate Array) was used. This feature allows measuring ΔE with accuracy of about a few ppm. The measurement accuracy mainly depends on resolution of time of flight measurement and sound speed in the tested material. The analog front-end part which is responsible for the time location of the reflected ultrasonic wave is very important part of the measurement system. In the article the results of measurements for different samples made of carbon steel are described.

PL

W artykule przedstawiono metodę pomiaru zmiany modułu Younga w pręcie ferromagnetycznym pod wpływem pola magnetycznego. Zastosowana metoda pomiaru zmiany modułu Younga polega na wysokorozdzielczym pomiarze czasu przelotu fali ultradźwiękowej. Zastosowano układ TDC (Time to Digital Converter) zaimplementowany w strukturze FPGA (Field Programmable Gate Array) o rozdzielczości rzędu 15 ps, co pozwala mierzyć zmianę modułu Younga z dokładnością kilku ppm. Uzyskiwana rozdzielczość pomiaru zależy głównie od rozdzielczości pomiaru czasu jak i od prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w ośrodku. Ważnym elementem systemu pomiarowego jest analogowy układ do lokalizacji w czasie czoła odbitej fali ultradźwiękowej. Zaprezentowano również przykładowe wyniki pomiarów dla różnych gatunków stali węglowej.

Słowa kluczowe

EN

Young's modulus; ΔE effect; ultrasound; FPGA

PL

moduł Younga; ΔE efekt; ultradźwięki; FPGA

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 92, nr 11
• Strony: 83--86
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Grzelak S.

• Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

autor

Wydźgowski L.

• Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

autor

Czoków J.

• Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

autor

Chaberski D.

• Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

autor

Zieliński M.

• Instytut Fizyki, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń

Bibliografia

• [1] Marcelo J. Dapino, Ralph C. Smith, Alison B. Flatau, Model for the ΔE effect in magnetostrictive transducers, Proc. SPIE 3985, Smart Structures and Materials 2000: Smart Structures and Integrated Systems, (2000)
• [2] Gubicza J., Determination of Young’s modulus from depth sensing Vickers Indentation Tests, Solid State Phenomena, Vol. 56, (1997), 195-200
• [3] Pharr G. M., Oliver W. C., Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology, J. Mater. Res., 19 (2004), n.1, 123-127
• [4] Vaz F., Carvalho S., Rebouta L., Silva M. Z., Paul A., Schneider D., Young’s modulus of (Ti,Si) N films by surface acoustic waves and indentation techniques, Thin Solid Films, 408 (2002), 160–168
• [5] Akiko N. Itakura, Masaya Toda, Koji Miyake, Renate Forch, Rudiger Berger, Effective Young’s Modulus Measurement of Thin Film Using Micromechanical Cantilever Sensors, Japanese Journal of Applied Physics, 52 (2013), 110-111
• [6] Sharpe W. N., Bin Yuan Jr., Vaidyanathan R., Edwards R. L., Measurements of Young’s modulus, Poisson’s ratio and tensile strength of polysilicon, Proceedings of the Tenth IEEE International Workshop on Microelectromechanical Systems, (1997), 424-429
• [7] Kwaaitaal Th., Schoofs A. J. G., Determination of Young's modulus or Poisson's ratio using eddy currents, Experimental Mechanics, 19 (1979), n.12, 450-455
• [8] Zeeshan M. Siddiqui, Fawad Tariq, Nausheen Naz, M. Fahad Ahmed, Determination of Young’s modulus of metallic and composite materials by digital image correlation, Journal of Space Technology, 1 (2012), 18-25
• [9] Hristoforoua E., Ktenab A., Magnetostriction and magnetostrictive materials for sensing applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316 (2007) 372–378
• [10] Grzelak S., Czokow J., Kowalski M., et al. Ultrasonic flow measurement with high resolution, Metrology and Measurement Systems, 21 (2014), 305-316
• [11] Grzelak S., Kowalski M., Czokow J., et al., High resolution time-interval measurement systems applied to flow measurement, Metrology and Measurement Systems, 21 (2014), 77-84
• [12] Zielinski M., Kowalski M., Chaberski D, et al., Measurement system of oscillators' phase fluctuation and its applications, Przeglad Elektrotechniczny, 84 (2008), 259-264

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.