[发明专利]基于Welch法谱估计的超薄涂层厚度均匀性无损检测方法

摘要

本文提出一种基于Welch法谱估计的超薄涂层厚度均匀性无损检测方法。该方法利用超声显微镜系统进行全波采集，对于每一个扫查点获取的涂层上表面反射回波以及涂层下表面n次反射回波所混叠的超声A扫信号，利用聚焦探头的脉冲持续时间去除A扫信号中的涂层上表面回波信号，得到涂层下表面n次反射回波的信号，声束反射透射传播原理如附图所示。然后对n次反射回波信号进行Welch法谱估计，在Welch功率谱上读取各个极大值对应的频率，结合涂层的声速计算得到涂层的厚度，并将厚度值转换成对应的颜色来表征。最后依次计算得到各扫描点的厚度值，并用对应颜色表示，便可形成用于涂层厚度均匀性的评估C扫描成像图。该方法简单实用，测量速度快，适用于涂层的现场测量。

主权项

一种基于Welch法谱估计的超薄涂层厚度均匀性无损检测方法，包括超声检测装置、水浸聚焦探头、涂层试样、驱动装置、高频示波器以及计算机组成的超声显微镜系统，其特征是：所述方法采用的测量步骤如下：(1)首先根据公式1计算得到探头与试样的距离d_w，然后将聚焦探头置于试样上表面，并保证探头主声束轴线与试样表面处置，调节探头与试样上表面的距离至d_w，公式1：d_wb＝d_f‑(C_T/C_w)t式中：d_wb表示探头与表面的距离，C_T为基底声速，C_w为水中声速,t为集体厚度,d_f为探头焦距。(2)利用超声显微系统向涂层试样垂直发射纵波，并利用示波器采集涂层某一点的上表面反射回波和下表面n次回波混叠所形成的A扫信号。(3)根据所采用聚焦探头的脉冲持续时间，去除(2)采集到的A扫波形的上表面回波，得到下表面n次回波信号。(4)将所述(3)中的n次回波信号x_N(n)代入公式2，得到涂层试样的Welch功率谱，公式2：$P_{\mathrm{per}}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{MUL}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_N^i\left(n\right)d_2\left(n\right)e^{-\mathrm{jwn}}\right|}^2$式中：P_per(f)表示试样的Welch功率谱，L表示数据分成的段数，M表示每一段的数据长度,U表示归一化因子,d₂(n)表示汉明窗。(5)由公式3可知，P_per(f)图上会出现极大值，其对应的频率与涂层厚度相关。在(4)中求取的P_per(f)中读取两个相邻极大值对应的频率f₁、f₂，并计算得到Δf(Δf＝f₂‑f₁)。公式3：(6)将(5)中计算得到的Δf和涂层声速c₂代入公式3便可求得涂层某一点的厚度d。公式3：$d=\frac{c_2}{2\mathrm{\Δf}}$(7)利用超声显微扫查系统C扫描采集得到涂层试样的全波数据，然后根据(1)～(6)所述Welch法谱估计方法编写的数据后处理程序得到对应涂层的厚度分布C扫图，利用离散的颜色值表示不同的厚度范围，用于评估涂层厚度的均匀性。