Gli spessimetri ad ultrasuoni di precisione a singolo elemento sono strumenti UT dedicati alla misura di spessori molto sottili (sotto il millimetro) o di alta risoluzione su materiali metallici, plastici, compositi e vetri. La sonda singolo elemento utilizza un unico cristallo piezoelettrico che funziona sia da emettitore sia da ricevitore, consentendo risoluzioni di 0,001 mm su spessori dal millimetro al decimo. Sono utilizzati in laboratori di qualità, in ricerca e sviluppo, nella verifica di componenti aerospaziali sottili, nelle pellicole protettive, nei materiali compositi multistrato.
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Principio singolo elemento
Nel principio singolo elemento, un cristallo piezoelettrico ad alta frequenza (15-100 MHz tipicamente, con peak fino a 200 MHz per applicazioni micrometriche) emette un brevissimo impulso ultrasonico nel materiale; lo stesso cristallo, dopo il tempo di trasmissione, commuta in ricezione e rileva gli echi di ritorno dalle interfacce interne (riflessione sulla superficie opposta o tra strati di un composito). La risoluzione temporale altissima permette di distinguere echi separati da pochi nanosecondi, corrispondenti a spessori sub-millimetrici. La velocità del suono e la temperatura del materiale devono essere correttamente caratterizzati.
Caratteristiche tecniche
Il range tipico è da 0,08 mm a 25 mm su acciaio, con risoluzione 0,001 mm e accuratezza ±0,01 mm sui modelli di alta gamma. Le frequenze elevate (20, 30, 50, 100 MHz) permettono la separazione di interfacce sottili. Gli strumenti integrano A-scan ad alta velocità di campionamento (1-2 GS/s), gate multipli per misure multi-layer, modalità velocity (calcolo della velocità del suono su spessore noto), datalogger, output dati. Le sonde delay-line con elemento ritardato sono indispensabili per misure su strati molto sottili.
Applicazioni
Le applicazioni includono misura di spessore di lamiere sottili e foil metallici, controllo di rivestimenti polimerici e ceramici, verifica di pellicole su PCB, controllo di compositi multilayer (laminati CFRP, GFRP), misura di vetro tempering per industria automotive, controllo di film barrier su packaging, verifica di componenti aerospaziali strutturali sottili (skin di velivoli), misura di plating metallici su substrati, controllo di sleeve di pistoni e canne motore di alta precisione. La modalità multi-echo abilita la misura di plating metallici sotto la copertura organica senza rimozione.
Modalità multi-echo
La modalità multi-echo misura il tempo tra due o più echi successivi della superficie opposta del materiale, eliminando l’errore di accoppiante (zero correction) e migliorando la ripetibilità su superfici con rivestimenti. È particolarmente utile per misure di plating metallici sotto pittura (per esempio cromature sotto verniciatura), per spessori di tubazioni rivestite, per controllo di film sotto sigillanti. Richiede materiali con basso assorbimento ultrasonico per generare echi multipli visibili e separati.
Norme e taratura
Gli spessimetri UT di precisione seguono le stesse norme dei modelli per corrosione (EN 14127, ASTM E797, ISO 16809) ma con classe di accuratezza superiore. Per applicazioni aerospaziali si applica anche NAS 410 (qualifica del personale). La taratura utilizza step gauge a salita micrometrica certificati ISO 17025. La verifica della funzione multi-echo richiede campioni con superfici parallele di altissima planarità. I criteri di scelta sono dettati dal materiale, dallo spessore minimo da misurare e dalla risoluzione richiesta.
L’evoluzione recente nei trasduttori UT include lo sviluppo di sonde Phased Array miniaturizzate che, pur mantenendo il principio di misura singolo elemento, abilitano funzioni avanzate come la scansione elettronica del raggio, utile per ispezioni accurate su geometrie complesse e per analisi di compositi stratificati con interfacce non normali al raggio di misura.