專利名稱：用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法，其屬于超聲無損檢測與評價技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用吸波材料進行雷達波隱身是一種十分經(jīng)濟有效的技術(shù)途徑，而雷達吸波材料厚度、涂敷層的均勻性直接影響到最終隱身效果。在現(xiàn)場涂裝施工和質(zhì)量檢驗過程中，要求每一層吸波涂層厚度均達到合格標(biāo)準。準確可靠的吸波涂層厚度無損測試方法是該領(lǐng)域的迫切工程需求。目前的吸波涂層厚度無損測試方法主要包括磁性法、渦流法、微波魔T橋式電路法、電容法和超聲法等。其中磁性法不適用于具有鐵磁性吸波涂層厚度的測量。渦流法是通過檢測探頭與基體之間由涂層厚度變化引起的提離效應(yīng)進行測厚的，僅能用于測量基體材料為金屬的吸波涂試樣。微波魔T橋式電路法是根據(jù)等效阻抗原理進行測量的，該方法只能用于控制涂層的厚度達到標(biāo)準要求，不能準確得出厚度結(jié)果。電容法是根據(jù)電磁理論建立相關(guān)的理論模型。該方法受分布電容的影響，導(dǎo)致隨著涂層厚度的增加，系統(tǒng)誤差增大。且實際吸波涂層的電容特性受工藝參數(shù)及溫度、濕度等環(huán)境因素影響很大，較難與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準試樣的電容值一致，導(dǎo)致測厚結(jié)果可靠性受到影響。超聲測量涂層厚度的傳統(tǒng)方法是根據(jù)聲壓反射系數(shù)幅度譜/功率譜來計算涂層的厚度，該方法需要在幅度譜/功率譜中讀取兩個相鄰的諧振頻率才能計算涂層厚度，對超聲探傷儀及探頭的帶寬要求較高，導(dǎo)致測量設(shè)備成本高、設(shè)備的體積及重量相應(yīng)增加，大大限制了其應(yīng)用。且需要通過經(jīng)驗判斷回波信號數(shù)據(jù)的截斷位置，人工干預(yù)因素較強，導(dǎo)致測厚結(jié)果不穩(wěn)定；對于多層吸波涂層，由于幅度譜/功率譜譜線 畸變、不規(guī)則，難以辨識諧振頻率位置，不能準確測量涂層厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法。與現(xiàn)有吸波涂層厚度測量方法相比，該方法應(yīng)克服傳統(tǒng)的超聲測厚法必須能夠讀取信號幅度譜/功率譜中兩個諧振頻率才能準確獲得涂層厚度的局限性，對吸波涂層的電學(xué)和磁學(xué)性能沒有要求，能夠準確測量單層及多層吸波涂層最外層的厚度。該裝置可以將超聲脈沖回波信號的采集、傳輸以及后處理過程集成到計算機內(nèi)，有效減小測量過程中人為干預(yù)帶來的測量誤差。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法，它采用包括一種帶寬O 35MHz的便攜式數(shù)字超聲探傷儀、延遲塊探頭或局部水浸的超聲延遲線探頭、涂層聲速標(biāo)定試樣和集成了測厚算法的計算機構(gòu)成測量包括金屬及非金屬基體的單層、雙層及三層的吸波涂層外涂層的測厚裝置；所述測厚裝置采集、傳輸以及后處理超聲脈沖回波信號，并根據(jù)超聲脈沖回波特點選擇Λ t或fn計算涂層厚度，所述測厚方法過程如下:
所述測厚方法過程中的脈沖寬度W均可通過式(I)求得:ff=NXT/2 (I)其中T為超聲波向前傳播一個波長距離時所需的時間；N為脈沖回波的高度達到屏高80%時，高于20%回波高度的峰值個數(shù)；(I)利用所述校準好的超聲測厚裝置，采集超聲延遲線探頭自身的反射回波信號R作為基準信號，計算該信號的脈沖寬度Wtl ；(2)利用超聲延遲線探頭向待測吸波涂層試樣垂直發(fā)射超聲信號，并采集涂層反射回波信號S做為試樣信號；搜索信號S內(nèi)的第一個脈沖回波S1，讀取S1的出現(xiàn)時刻并計算脈沖寬度W1 ；(3)對比基準信號R與脈沖回波S1的脈沖寬度，若Wtl ^ W1，則采用Λ t計算涂層厚度山計算公式為:d=cX Δ t/2 (3)式中c為吸波涂層聲速值；Λ t為脈沖回波聲時差；At的確定步驟:通過搜索脈沖回波S1出現(xiàn)時刻之后的一個脈沖回波S2，計算S1與S2出現(xiàn)時刻的時間差即可得到At ;(4)對比基準信號R與脈沖回波S1的脈沖寬度，若Wtl < W1,則采用fn計算涂層厚度d，計算公式為:d=n Xe/ (4 X fn) (4)·
式中c為吸波涂層聲速值；fn為諧振頻率；n為諧振頻率階數(shù)；fn與η的確定步驟:對試樣信號S進行矩形窗加窗處理，矩形窗起始位置為h，力口窗寬度為B=ZXWtl，得到加窗后的信號S1 ;求取信號S1對應(yīng)的聲壓反射系數(shù)功率譜V1，并對功率譜V1進行自相關(guān)處理得出自相關(guān)結(jié)果C1 ;讀取C1的第一峰值位置F1，根據(jù)F值重新計算加窗寬度B=VF1，重復(fù)以上步驟，直至兩次自相關(guān)結(jié)果的第一峰值位置Fi與匕+1之間的差值小于5%，此時得到信號Si，信號Si為最外層涂層的界面回波信號；求取信號Si對應(yīng)的功率譜，并讀取探頭中心頻率附近的諧振頻率fn，根據(jù)自相關(guān)結(jié)果Fi+1，判斷η的具體數(shù)值，其中:fn=nXFi+1/2 (5)若已知吸波涂層聲速值C，根據(jù)式(4)可計算涂層厚度d。本發(fā)明的有益效果是:克服了傳統(tǒng)的超聲測厚法必須能夠讀取信號幅度譜/功率譜中兩個諧振頻率才能準確獲得涂層厚度的局限性，一個諧振頻率即可測厚，降低了對超聲探傷儀及探頭的帶寬要求。而且對基體和涂層的電學(xué)及磁學(xué)性能沒有要求，可以測量基體材料為金屬或非金屬的試樣。其截斷方法使得測量多層吸波涂層外涂層厚度時，不受底層涂層回波信號的干擾，測量結(jié)果更精確。多組超聲延遲線探頭能夠?qū)Σ煌穸鹊奈ㄍ繉釉嚇舆M行準確的厚度測量。當(dāng)待測涂層的厚度范圍為0.2 0.7mm時，選擇15MHz的超聲延遲線探頭；當(dāng)待測涂層的厚度范圍為0.6 1.1mm時，選擇IOMHz的超聲延遲線探頭；當(dāng)待測試樣的厚度范圍為1.0 1.6mm時，選擇5.0MHz的超聲延遲線探頭；當(dāng)待測試樣的厚度范圍為1.5 3mm時，選擇2.25MHz的超聲延遲線探頭。本發(fā)明可方便靈活地測量單層、多層吸波涂層外涂層的厚度，所用設(shè)備輕巧、便攜、可操作性強、成本低，測量精度高、范圍廣，現(xiàn)場測厚結(jié)果穩(wěn)定可靠，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是一種用超聲檢測多層吸波涂層測厚裝置的硬件結(jié)構(gòu)連接示意圖。圖2是延遲塊探頭的回波信號R。圖3是鋼基吸波涂層反射回波信號S。圖4是鋼基單層吸波涂層試樣橫截面的金相照片。圖5是鋼基雙層吸波涂層試樣橫截面的金相照片。圖6是鋼基三層吸波涂層試樣橫截面的金相照片。圖7是鋁基吸波涂層試樣橫截面的金相照片。圖8是復(fù)材基吸波涂層試樣橫截面的金相照片。
具體實施例方式本超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置以及測厚方法由圖1所示的一種帶寬O 35MHz的便攜式數(shù)字超聲探傷儀、延遲塊探頭或局部水浸的超聲延遲線探頭、涂層聲速標(biāo)定試樣和集成了測厚算法的計算機構(gòu)成?？蓽y量包括金屬及非金屬基體的單層、雙層及三層的吸波涂層外涂層的涂層厚度。所述測厚方法過程如下:針對涂層厚度范圍為0.3 0.7mm的鋼基吸波涂層試樣，選擇標(biāo)稱頻率15MHz的延遲塊探頭，首先將測量裝置進行系統(tǒng)連接及儀器校正。(I)采集該延遲塊探頭的反射回波信號R (基準信號)，如圖2所示，依據(jù)公式(I)計算該信號的脈沖寬度Wtl=0.32μ S ；(2)將延遲塊探頭耦合到已知涂層厚度(d=0.5mm)的聲速標(biāo)定試樣上，采集一個涂層反射回波信號S，如圖3所示，搜索信號S內(nèi)的第一個脈沖回波S1，并讀取S1的出現(xiàn)時刻t!=9.94 μ s 和脈沖寬度 W1=0.51 μ s ;(3)對比基準信號R與脈沖回波S1的脈沖寬度，Ttl < T1，采用公式(4)計算聲速標(biāo)定試樣的涂層聲速值c ；(4)對試樣信號S進行矩形窗加窗處理，矩形窗起始位置為t1=9.94 μ s,寬度為B=0.64 μ s，得到加窗后的信號S1 ;求取信號S1對應(yīng)的聲壓反射系數(shù)功率譜V1，并對功率譜V1進行自相關(guān)處理得出自相關(guān)結(jié)果C1 ;讀取C1的第一峰值位置F，根據(jù)F值重新計算加窗寬度B=l/F，重復(fù)以上步驟，得到信號Si以及自相關(guān)結(jié)果Fi+1=3.96MHz。(5)求取信號Si的功率譜，讀取探頭中心頻率附近的諧振頻率fn=8.02MHz，根據(jù)自相關(guān)結(jié)果Fi+1=3.96MHz，判斷n=4。(6)已知聲速標(biāo)定試樣的涂層厚度d=0.50mm,可計算該涂層的聲速值為c=4010m/ So(7)將延遲塊探頭耦合到鋼基吸波涂層試樣上，按照上述步驟，測量試樣10個不同位置的涂層厚度d，測厚結(jié)果如表I所示。表I鋼基吸波涂層試樣10個不同位置的涂層厚度d
權(quán)利要求
1.一種用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法，其特征是:它采用包括一種帶寬O 35MHz的便攜式數(shù)字超聲探傷儀、延遲塊探頭或局部水浸的超聲延遲線探頭、涂層聲速標(biāo)定試樣和集成了測厚算法的計算機構(gòu)成測量包括金屬及非金屬基體的單層、雙層及三層的吸波涂層外涂層的測厚裝置；所述測厚裝置對超聲脈沖回波信號進行采集、傳輸以及后處理，并根據(jù)超聲脈沖回波特點選擇Λ t或fn計算涂層厚度，所述測厚方法過程如下: 所述測厚方法過程中的脈沖寬度W均可通過式(I)求得: W=NX T/2 (I) 其中T為超聲波向前傳播一個波長距離時所需的時間；N為脈沖回波的高度達到屏高80%時，高于20%回波高度的峰值個數(shù)； (1)利用所述校準好的超聲測厚裝置，采集超聲延遲線探頭自身的反射回波信號R作為基準信號，計算該信號的脈沖寬度Wtl ； (2)利用超聲延遲線探頭向待測吸波涂層試樣垂直發(fā)射超聲信號，并采集涂層反射回波信號S做為試樣信號；搜索信號S內(nèi)的第一個脈沖回波S1，讀取S1的出現(xiàn)時刻h并計算脈沖寬度W1 ； (3)對比基準信號R與脈沖回波S1的脈沖寬度，若Wtl彡W1，則采用Λt計算涂層厚度d，計算公式為: d=cX Δ t/2 (3) 式中c為吸波涂層聲速值；△ t為脈沖回波聲時差； At的確定步驟:通過搜索脈沖回 波S1出現(xiàn)時刻之后的一個脈沖回波S2,計算S1與S2出現(xiàn)時刻的時間差即可得到At; (4)對比基準信號R與脈沖回波S1的脈沖寬度，若Wtl< W1，則采用fn計算涂層厚度d，計算公式為:d=n Xe/ (4 X fn) (4) 式中c為吸波涂層聲速值；fn為諧振頻率；n為諧振頻率階數(shù)； fn與η的確定步驟:對試樣信號S進行矩形窗加窗處理，矩形窗起始位置為h，加窗寬度為B=ZXWtl，得到加窗后的信號S1 ;求取信號S1對應(yīng)的聲壓反射系數(shù)功率譜V1，并對功率譜' 進行自相關(guān)處理得出自相關(guān)結(jié)果C1 ;讀取C1的第一峰值位置F1，根據(jù)F值重新計算加窗寬度B=VF1，重復(fù)以上步驟，直至兩次自相關(guān)結(jié)果的第一峰值位置Fi與匕+1之間的差值小于5%，此時得到信號Si，信號Si為最外層涂層的界面回波信號；求取信號Si對應(yīng)的功率譜，并讀取探頭中心頻率附近的諧振頻率fn，根據(jù)自相關(guān)結(jié)果Fi+1，判斷η的具體數(shù)值，其中: fn=nXFi+1/2 (5) 若已知吸波涂層聲速值C，根據(jù)式(4)可計算涂層厚度d。
全文摘要
一種用超聲檢測多層吸波涂層的測厚裝置及其測厚方法，屬于超聲無損檢測與評價技術(shù)領(lǐng)域。該裝置采用包括一種帶寬0～35MHz的便攜式數(shù)字超聲探傷儀、延遲塊探頭或局部水浸的超聲延遲線探頭、涂層聲速標(biāo)定試樣和集成了測厚算法的計算機構(gòu)成的測厚裝置。該裝置根據(jù)超聲回波特點選擇△t或fn計算涂層厚度。通過將自相關(guān)方法與聲壓反射系數(shù)功率譜方法相結(jié)合迭代加窗分析，選擇一個準確的fn實現(xiàn)涂層測厚。該測厚裝置及其測厚方法克服了現(xiàn)有超聲測厚技術(shù)對探傷儀和探頭頻帶要求高、數(shù)據(jù)截取需要人工干預(yù)以及只適用于單層涂層等局限性。所用設(shè)備體積小、重量輕，適于多種基體、多層涂層外涂層的現(xiàn)場測厚，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
文檔編號G01B17/02GK103245311SQ20131017414
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月11日
發(fā)明者雷明凱, 林莉, 羅忠兵, 胡志雄, 馬志遠, 李廣凱, 李喜孟 申請人:大連理工大學(xué)