[發明專利]一種超聲聲速未知條件下的涂層厚度測量方法

有效

• 申請號: 201610165884.5
• 申請日: 2016-03-19
• 公開（公告）號: CN105651215B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 林莉;張偉;馬志遠;羅忠兵;金士杰;雷明凱
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司21208
• 代理人: 花向陽,楊翠翠

1.一種超聲聲速未知條件下的涂層厚度測量方法，其特征是：采用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭、數字示波器以及安裝MATLAB軟件的計算機構成的超聲脈沖回波檢測系統；所述測量方法采用下列步驟：

(a)試樣表面處理

使用無水乙醇或丙酮清洗劑對被測涂層試樣表面進行處理，清除試樣表面存在的油污、有機溶劑污染物，使用細砂紙對試樣表面粗糙度較大的位置進行適當打磨，確保試樣表面平整，并根據涂層特性選取合適的耦合劑保證延遲塊探頭與被測涂層試樣間的良好耦合；

(b)材料屬性確定

了解被測試樣涂層的密度、聲衰減系數以及探頭延遲塊和基底材料的聲速、密度材料屬性，根據探頭延遲塊和基底材料的聲速和密度計算出各自的聲阻抗；

(c)超聲探頭選取

根據被測試樣涂層厚度、聲衰減特性及對檢測精度的要求選取合適的延遲塊超聲探頭，對涂層厚度薄、聲衰減小、檢測精度要求高，選用高頻探頭提高測厚精度；對涂層厚度大、聲衰減嚴重、檢測精度要求低，選用低頻探頭避免高頻衰減嚴重導致的回波信號無法識別；

(d)檢測參數設置

在超聲探傷儀上根據需要設置脈沖重復頻率PRF、能量Energy、增益Gain、濾波器帶寬檢測參數；

(e)數據采集

依照步驟(a)-(d)完成試樣表面進行處理、材料屬性確定、探頭選取和檢測參數設置后，采集一個延遲塊時域回波信號作為參考信號，然后將延遲塊探頭置于被測試樣表面，調整數字示波器增益、檢波方式、平均次數、采樣頻率參數，獲得完整、穩定的涂層時域檢測信號；

(f)涂層聲壓反射系數幅度譜計算

將數字示波器采集到的時域信號導入計算機中，利用數據處理軟件對其進行FFT變換得到參考信號的幅度譜|A(f)|和檢測信號的幅度譜|A(f)|^*，根據公式(1)得到有效頻帶寬度內涂層實測聲壓反射系數幅度譜|r(f；d,c₂)|^*：

|r(f;d,c2)|*=|A(f)|*|A(f)|---(1)]]>

將步驟(b)中獲得的材料屬性參數代入到公式(2)中得到有效帶寬內涂層的理論聲壓反射系數幅度譜|r(f；d,c₂)|：

|r(f;d,c2)|=[(r12+r23exp(-2α(f)d))2-4r12r23exp(-2α(f)d)sin2(2πfd/c2)(1+r12r23exp(-2α(f)d))2-4r12r23exp(-2α(f)d)sin2(2πfd/c2)]1/2---(2)]]>

式中，下角標1、2、3分別代表探頭延遲塊、涂層和基底材料，r₁₂、r₂₃為代表異質材料界面的聲壓反射系數、d為薄層厚度、c₂和α(f)分別為涂層的聲速和聲衰減系數；

(g)相關系數匹配分析

通過賦予公式(2)中涂層厚度d和聲速c₂一系列連續變化值，得到理論聲壓反射系數幅度譜矩陣作為母體，利用公式(3)對理論計算得到的反射系數幅度譜|r(f)|和實際檢測到的反射系數幅度譜|r(f)|^*在-6dB有效頻帶內逐一進行匹配分析，相關系數r_p(d,c₂)最大位置對應的d與c₂即為被測試樣涂層厚度與聲速的最佳反演結果：

rp(d,c2)=Σi=1N[|r(f;d,c2)|-|r(f;d,c2)|‾][|r(f;d,c2)|*-|r(f;d,c2)|*‾]Σi=1N[|r(f;d,c2)|-|r(f;d,c2)|‾]2Σi=1N[|r(f;d,c2)|*-|r(f;d,c2)|*‾]2---(3)]]>

其中，N表示時域信號經FFT變換后有效頻帶范圍內的數據點數，下角標i表示第i個頻率值；|r(f；d,c₂)|與|r(f；d,c₂)|^*分別為有效頻帶內理論與實測的聲壓反射系數幅度譜，與分別為有效頻帶內理論與實測的聲壓反射系數幅度譜的算術平均值。