[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 201610165884.5
• 申請日: 2016-03-19
• 公開（公告）號: CN105651215B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林莉;張偉;馬志遠(yuǎn);羅忠兵;金士杰;雷明凱
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司21208
• 代理人: 花向陽,楊翠翠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲聲速未知條件下的涂層厚度測量方法，屬于材料超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

涂層材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、油氣輸送、汽車制造及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域，在工程技術(shù)領(lǐng)域中占有愈來愈重要的地位。在表征涂層性能的一系列指標(biāo)中，厚度不但是表征涂層自身幾何尺寸的一個參量，而且對涂層的性能及壽命均有很大影響，涂層厚度達(dá)不到或超過設(shè)計值都無法達(dá)到預(yù)定效果，而且厚度過大或不均勻還可能降低其結(jié)合強度和使用壽命，引起涂層塑性變差甚至導(dǎo)致涂層局部剝落。因此，對厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測量已成為保證涂層性能的重要手段。

現(xiàn)有的涂層測厚技術(shù)中，超聲脈沖回波技術(shù)由于具有原理明確、實現(xiàn)簡單、非破壞性以及適用范圍廣等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于層狀介質(zhì)材料的厚度測量之中。當(dāng)涂層厚度較大，涂層表面波和界面回波不發(fā)生混疊時可以通過傳統(tǒng)的超聲渡越時間法對其厚度進(jìn)行測量；當(dāng)涂層厚度較薄，超聲波在涂層中的傳播時間小于其脈沖寬度時，涂層表面波和界面波將會發(fā)生混疊，超聲渡越時間法已不再適用。通過聲壓反射系數(shù)幅度譜分析方法(URCAS)將時域信號變換到頻域進(jìn)行處理可以有效解決這一問題。然而，在超聲測厚過程中發(fā)現(xiàn)，無論是超聲渡越時間法還是URCAS信號處理方法均要求涂層的聲速為已知量，但由于受到工藝參數(shù)、涂層非均勻性等因素的影響，涂層的聲速往往為未知且在不同位置存在一定的波動。趙揚、林莉等提出采用基于二元非線性方程的高斯-牛頓迭代法進(jìn)行反演，能夠在涂層聲速未知的情況下同時確定其厚度和超聲聲速，該方法具有局部收斂速度快、匹配精度高等優(yōu)點，但對初始值的選取要求較高，如果初始值選取不當(dāng)就可能導(dǎo)致只收斂到局部最優(yōu)解甚至方程不收斂，無法得到反演結(jié)果。本發(fā)明引入統(tǒng)計學(xué)中的相關(guān)系數(shù)匹配法對涂層試樣實測聲壓反射系數(shù)幅度譜和涂層理論聲壓反射系數(shù)幅度譜矩陣在超聲檢測有效頻帶范圍內(nèi)逐一進(jìn)行匹配分析，對應(yīng)最大相關(guān)系數(shù)的薄層厚度和聲速即為最佳反演結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種超聲聲速未知條件下的涂層厚度測量方法。本方法采用一套包括超聲探傷儀、延遲塊探頭、數(shù)字示波器以及安裝MATLAB軟件的計算機構(gòu)成的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)。針對涂層超聲波測厚過程中回波信號混疊、聲速未知且在不同工藝參數(shù)或非均質(zhì)條件下存在波動導(dǎo)致涂層厚度無法測量的問題，采用超聲脈沖回波技術(shù)，結(jié)合超聲聲壓反射系數(shù)幅度譜分析方法和相關(guān)系數(shù)匹配法對試樣涂層厚度和超聲聲速同時進(jìn)行反演。本方法具有原理明確、易于實現(xiàn)、匹配精度高等優(yōu)點，克服了現(xiàn)有高斯-牛頓反演方法運算復(fù)雜、對初始值選取要求較高、難以用于工程應(yīng)用的局限性，具有良好的推廣及應(yīng)用前景。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種超聲聲速未知條件下的涂層厚度測量方法，采用一套包括超超聲波探傷儀、延遲塊探頭、數(shù)字示波器以及安裝MATLAB軟件的計算機構(gòu)成的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)；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(jìn)行處理，清除試樣表面存在的油污、有機溶劑污染物，使用細(xì)砂紙對試樣表面粗糙度較大的位置進(jìn)行適當(dāng)打磨，確保試樣表面平整，并根據(jù)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(shù)以及探頭延遲塊和基底材料的聲速、密度材料屬性，根據(jù)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(jù)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(yán)重、檢測精度要求低，選用低頻探頭避免高頻衰減嚴(yán)重導(dǎo)致的回波信號無法識別；

(d)檢測參數(shù)設(shè)置

在超聲探傷儀上根據(jù)需要設(shè)置脈沖重復(fù)頻率PRF、能量Energy、增益Gain、濾波器帶寬檢測參數(shù)；

(e)數(shù)據(jù)采集

依照步驟(a)-(d)完成試樣表面進(jìn)行處理、材料屬性確定、探頭選取和檢測參數(shù)設(shè)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(diào)整數(shù)字示波器增益、檢波方式、平均次數(shù)、采樣頻率參數(shù)，獲得完整、穩(wěn)定的涂層時域檢測信號；

(f)涂層聲壓反射系數(shù)幅度譜計算