[发明专利]一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法

摘要

一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法，属于材料超声无损检测技术领域。该测量方法采用一套包括超声探伤仪、延迟块探头、数字示波器以及安装MATLAB软件的计算机构成的超声脉冲回波检测系统。针对涂层超声测厚过程中回波信号混叠、声速未知且在不同工艺参数或非均质条件下存在波动导致涂层厚度无法测量的问题，采用超声脉冲回波技术，结合超声声压反射系数幅度谱分析方法和相关系数匹配法对试样涂层厚度和超声声速同时进行反演。该测量方法具有原理明确、易于实现、匹配精度高等优点，克服了现有高斯‑牛顿反演方法运算复杂、对初始值选取要求较高、难以用于工程应用的局限性，具有良好的推广及应用前景。

主权项

一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法，其特征是：采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头、数字示波器以及安装MATLAB软件的计算机构成的超声脉冲回波检测系统；所述测量方法采用下列步骤：(a)试样表面处理使用无水乙醇或丙酮清洗剂对被测涂层试样表面进行处理，清除试样表面存在的油污、有机溶剂污染物，使用细砂纸对试样表面粗糙度较大的位置进行适当打磨，确保试样表面平整，并根据涂层特性选取合适的耦合剂保证延迟块探头与被测涂层试样间的良好耦合；(b)材料属性确定了解被测试样涂层的密度、声衰减系数以及探头延迟块和基底材料的声速、密度材料属性，根据探头延迟块和基底材料的声速和密度计算出各自的声阻抗；(c)超声探头选取根据被测试样涂层厚度、声衰减特性及对检测精度的要求选取合适的延迟块超声探头，对涂层厚度薄、声衰减小、检测精度要求高，选用高频探头提高测厚精度；对涂层厚度大、声衰减严重、检测精度要求低，选用低频探头避免高频衰减严重导致的回波信号无法识别；(d)检测参数设置在超声探伤仪上根据需要设置脉冲重复频率PRF、能量Energy、增益Gain、滤波器带宽检测参数；(e)数据采集依照步骤(a)‑(d)完成试样表面进行处理、材料属性确定、探头选取和检测参数设置后，采集一个延迟块时域回波信号作为参考信号，然后将延迟块探头置于被测试样表面，调整数字示波器增益、检波方式、平均次数、采样频率参数，获得完整、稳定的涂层时域检测信号；(f)涂层声压反射系数幅度谱计算将数字示波器采集到的时域信号导入计算机中，利用数据处理软件对其进行FFT变换得到参考信号的幅度谱|A(f)|和检测信号的幅度谱|A(f)|*，根据公式(1)得到有效频带宽度内涂层实测声压反射系数幅度谱|r(f；d,c2)|*：|r(f;d,c2)|*=|A(f)|*|A(f)|---(1)]]>将步骤(b)中获得的材料属性参数代入到公式(2)中得到有效带宽内涂层的理论声压反射系数幅度谱|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，下角标1、2、3分别代表探头延迟块、涂层和基底材料，r12、r23为代表异质材料界面的声压反射系数、d为薄层厚度、c2和α(f)分别为涂层的声速和声衰减系数；(g)相关系数匹配分析通过赋予公式(2)中涂层厚度d和声速c2一系列连续变化值，得到理论声压反射系数幅度谱矩阵作为母体，利用公式(3)对理论计算得到的反射系数幅度谱|r(f)|和实际检测到的反射系数幅度谱|r(f)|*在‑6dB有效频带内逐一进行匹配分析，相关系数rp(d,c2)最大位置对应的d与c2即为被测试样涂层厚度与声速的最佳反演结果：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表示时域信号经FFT变换后有效频带范围内的数据点数，下角标i表示第i个频率值；|r(f；d,c2)|与|r(f；d,c2)|*分别为有效频带内理论与实测的声压反射系数幅度谱，与分别为有效频带内理论与实测的声压反射系数幅度谱的算术平均值。