CN101055169B - 用于无损测定绝缘涂层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于为布置在物体(12)中的基底(16)上的绝缘涂层(14)确定厚度和热导率的装置(10)。该装置包括用于对物体(12)的表面快速施加多个光脉冲(24)的光源(20)，其中该表面包括绝缘涂层(14)。该系统还包括记录系统(28)，该记录系统(28)被配置成收集表示多个光脉冲在物体(12)中的传播的数据(36)。该装置还包括处理器(34)，该处理器(34)被耦合到记录系统(28)，并且被配置成接收来自记录系统(28)的数据(36)，以及被配置成确定绝缘涂层(14)的厚度值和热导率值。

Description

用于无损测定绝缘涂层的方法和装置

技术领域

本发明根据某些实施例涉及一种用于确定绝缘涂层的厚度以及传导率的无损测试技术。更特别地，本发明提供一种用于测量绝缘涂层的厚度和传导率的高速红外瞬时热成像的方法和装置。

背景技术

这些年来，已经利用各种无损超声测量技术来确定铸造金属或其它固体物体的横截面厚度。遗憾的是，进行超声测量来检查横截面厚度通常需要利用换能器对整个表面进行麻烦且耗时的机械扫描。此外，为了促进换能器与物体表面之间密切的声波接触以将超声波适当传播到物体中，必须对表面涂覆液体耦合剂的流，或者可选择地，必须调节使物体整个浸入到耦合剂中。然而，由于许多结构和材料的原因，这种调节不切实际或者甚至不可行。而且，能够扫描并在几何上分析复杂部件的超声系统通常非常昂贵且复杂。此外，换能器在大物体的表面上进行机械扫描会是耗时的过程，从而增加了成本和生产时间。

相比之下，红外(IR)瞬时热成像是稍微更通用的无损测试技术，其依赖于对经过物体的热传递的时间测量，以提供关于物体的结构和完整性的信息。经过物体的热流基本上不受物体材料的微结构和单晶取向的影响，因此，红外瞬时热成像分析基本上没有对于超声测量所产生的限制。另外，瞬时热成像分析方法没有明显地受到所测试物体的尺寸、轮廓或形状的妨碍，而且能够比大多数常规超声测量方法快十到一百倍来完成，尤其是当测试具有大的表面积的物体时。

按照惯例，红外(IR)摄像机已经用于记录并存储加热后的物体表面的连续的热图像(帧)。每个视频图像由固定数目的像素构成，每个像素表示图像阵列或帧中的一个小图像元素。在被成像物体的表面上，每个像素对应于一个称为分辨元素的矩形区域。因为在每个分辨元素处的温度直接与相应像素的强度有关，所以可以根据像素对比度的变化来分析物体表面上每个分辨元素的温度变化。

现在瞬时热成像的一种已知应用是确定在固态非金属复合材料内缺陷的尺寸和相对位置(深度)的能力；瞬时热成像的另一种应用是用于确定金属物体的厚度。近来也已经尝试测量绝缘涂层的厚度。这些尝试包括建模技术，其中绝缘涂层厚度可以通过使涂层数据适合于模型并将其与已知的厚度标准进行比较来获得。遗憾的是，这些技术包括涂层厚度的逐点测量，因此花费时间且计算复杂。绝缘涂层的厚度测量的另一方面在于，随着涂层的老化，涂层的热导率改变并影响涂层的厚度。因此，为了精确测量厚度还需要确定绝缘涂层的热导率。

因此，需要一种不用厚度标准就能定量地测量绝缘涂层的绝对厚度的技术。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于为布置在物体中基底(substrate)上的绝缘涂层确定厚度和热导率的装置。该装置包括对物体的表面快速施加多个光脉冲的光源(source)，其中该表面包括绝缘涂层。该系统还包括记录系统，该记录系统被配置成收集表示光脉冲在物体中的传播的数据。该装置还包括处理器，该处理器被耦合到记录系统，并且被配置成接收来自记录系统的数据，以及被配置成确定绝缘涂层的厚度值和热导率值。

根据本技术的另一方面，提供一种用于确定绝缘涂层的厚度和热导率的方法。该方法包括获得对于绝缘涂层和对于基底的各自的时间-温度响应，其中绝缘涂层被布置在基底上。该方法还包括根据对于涂层和对于基底的各自的时间-温度响应来测量对数增量(deltalog)值和测量拐点值。该方法还包括利用对数增量值或拐点值来计算一个或多个涂层特征值。最后，该方法包括利用一个或多个涂层特征值来确定热导率值或涂层厚度值。

附图说明

当参考附图阅读以下的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解，其中整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个方面用于确定并显示绝缘涂层的厚度和热导率的示例性红外瞬时热成像系统的图示；

图2是利用图1的系统所获得的涂层和基底的时间-温度响应的一个模拟图形表示；

图3是利用图1的系统所获得的涂层和基底的时间-温度响应的对数的另一模拟图形表示；以及

图4是说明根据本发明的一个方面用于确定绝缘涂层的厚度和热导率的无损检查方法的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

通过例子，本发明涉及通过使用高速红外(IR)瞬时热成像来确定和显示绝缘涂层的实际厚度和热导率值的无损测试方法和装置。

图1是用于确定物体12的厚度和热导率的装置10的图示。更具体而言，图1的示例性装置可用于确定布置在物体12的基底16上的绝缘涂层14的厚度和热导率。基底16在一个例子中是热传导基底。在一个例子中，涂层14是热障涂层(TBC)，而在另一个例子中，涂层14是环境屏障涂层(EBC)。在一个例子中，物体12包括为有效成像而布置在绝缘涂层14上的暗色外围涂层18。在一个例子中，使用实质上是烟灰并且一旦施加就迅速变干的碳喷雾作为暗色外围涂层18。在另一个例子中，该物体12首先用强紫外线、可见光、以及红外吸收性物质例如碳基材料(比如石墨、碳、或炭黑水基涂料)的薄的速干涂层18加以涂覆(例如通过喷涂、刷涂或滚涂)。本领域技术人员将会认识到，暗色外围涂层并不改变绝缘涂层14的任何特性，并且可以在空中单独地蒸发或者在操作温度下的第一个循环中蒸发。

该装置10还包括用于将多个光脉冲24快速施加到物体12的表面上的光源20，其中该表面包括绝缘涂层14。在一个例子中，光源20包括一个或多个闪光灯，所述闪光灯在物体12的表面闪现高功率光脉冲。在示例性实施例中，闪光灯热脉冲源20被触发以快速地加热所测量物体12的表面。例如，闪光灯热脉冲源20的一个合适布置是一组四个或八个高速度、高输出功率摄影闪光灯，每个能够输出大约4.8千焦并且具有单独的电源(例如由Speedotron，Corp.ofChicago，III.制造)。

该装置10在特定例子中包括滤光片22，该滤光片22被布置在光源20与物体12之间，并且被配置成消除从光源20发出的大于约两微米的光波长。在一个例子中，闪光灯滤光片22可包括Pyrex

玻璃(Corning Inc.)、熔融石英、BK7(BK7是广泛用于透镜、窗户、以及镜面基底的硼硅酸盐冕玻璃)、或其它对可见光和UV(紫外线)光透明的光学材料，并且在面向闪光灯侧涂有红外反射涂层，以将3-5微米范围内的所有辐射反射回到闪光灯中。可以通过通用科学光学器件和光学玻璃制造商比如Oriel of Strafford，Conn.来获得或专门制造光学玻璃和镀膜滤光片。

一旦将由附图标记24总的所示的一个光学脉冲或多个脉冲施加到暗色表面18上，一个热脉冲或多个热脉冲就传播到涂层中，并被反射离开涂层/基底界面25。该反射波总的由附图标记26示出。

装置10还包括记录系统28，该记录系统28被配置为收集包括表示热脉冲在物体12中的传播的数据的反射波26。在一个例子中，使用高速IR焦平面阵列照相机作为记录系统28，以用于监视物体12中的温度或热分布并对其成像。可以注意到，IR照相机(例如从Amber Engineering of Goleta，Calif.-RaytheonCompany可得到的Radiance HS照相机)捕获位于与由闪光灯或光源20施加光脉冲的物体12的相同侧的热或温度分布。在示例性实施例中，装置10使用红外瞬时热成像方法来接收热图像，该热图像表示热脉冲在物体12中的传播并被记录系统28捕获。

装置10还包括记录系统和光源控制器30，用于分别通过通信链路32和33与记录系统28和光源20通信。在另一例子中，记录系统和光源控制器30被包括在记录系统28内。热数据的采集优选在闪光灯通过光学触发或者通过其它合适装置来闪光时启动。通过常规闪光灯电子器件来控制闪光灯闪光，该电子器件被显示为由运行在系统计算机或处理器34上的常规视频帧采集软件(例如由来自AmberCorp.的ImageDesk

帧采集系统所提供的，或者其它常规帧采集和闪光灯控制软件，例如从Thermal Wave Imaging Inc.of Lathrup Village，Mich.可商业得到的)所管理的记录系统和光源控制器30。

系统控制计算机/图像处理器34在一个实例中是程控通用数字计算机，该计算机除了数字图像处理和显示之外还能够具有外围设备控制和通信功能。该处理器34控制记录系统和光源控制器30，以采集物体表面的预定数目的连续热图像帧，所述热图像帧被存储在存储器(未示出)中以供进一步分析。

处理器34被配置成接收来自记录系统28或者记录系统和光源控制器30的数据36。该处理器34还被配置成确定绝缘涂层的厚度值和热导率值。为了这样做，处理器34还被配置成根据由记录系统28所接收的数据26获得涂层14和基底16的时间-温度响应。该处理器在一个例子中被配置成从各自的时间-温度响应来测量对数增量值和拐点值。参考下文的公式更详细地描述这些值。该处理器34还被配置成利用所述对数增量值或拐点值计算一个或多个涂层特征值。由该处理器计算的一些值包括例如涂层蓄热系数(effusivity)值、反射率值、变量(variable)、涂层特征时间、或热扩散率值。按照下文的公式使用这些值中的一个或多个来确定绝缘涂层的厚度值和热导率值。在一个特定例子中，处理器34被配置成同时确定厚度值和热导率值，即处理器的输出包括厚度值和热导率值。

装置10在一个例子中还包括显示监视器38，以接收并显示来自处理器34的输出40。该显示监视器可被连接到打印机或任何其它设备，以用于显示来自处理器34的输出。

为了根据从记录系统28获得的测量数据来确定涂层的热导率值和厚度值，处理器34进行某些计算，如在下面的公式中所述。本领域技术人员将认识到，涂层的密度ρ和比热c_c不随老化而显著改变。因此，如公式(1)所示出的这两个值的乘积被取为常数，并在检查前被分别确定。

      ρc_c＝constant                   (1)

如参考图1所解释的，热波穿过涂层并被反射离开涂层/基底界面，其中由公式(2)给出反射系数或反射率值R：

$R=\frac{E_c-E_s}{E_c+E_s}---\left(2\right)$

其中E_c和E_s分别是由下式给出的涂层和基底“蓄热系数”：

$E_c=\sqrt{K_c{\mathrm{\ρc}}_c},E_s=\sqrt{K_s{\mathrm{\ρc}}_s}---\left(3\right)$

其中K_c是涂层的热导率，以及K_s是基底的热导率。在一个例子中，测量的单位包括用于密度(ρ)的g/cm³、用于比热c的cal/g-℃、以及用于热导率的cal/s-cm-℃：

在闪光后，在涂层表面处的涂层/基底系统的温度-时间响应由下式给出：

$T\left(t\right)=(1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n{e}^{-n^2\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{t}})T_{1/2c}\left(t\right)----\left(4\right)$

其中T_1/2c是由公式(6)所给出的涂层对闪光脉冲的“半空间”响应，

τ_c是由下式给出的厚度L和热扩散率α_c的涂层的“特征时间”：

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{L^2}{{\mathrm{\α}}_c}---\left(5\right)$

在公式(6)和(7)中所示的半空间函数是在涂层或基底的无限大“半空间”的表面处对热脉冲的“一以上根时间(one over root-time)”温度响应。由公式(4)示出的响应函数从在t＝0时由公式(6)示出的涂层半空间移动到在t＝∞时由公式(7)示出的基底半空间。

$T\left(t\right)\→T_{1/2c}\left(t\right)=\frac{1.1284I}{2E_c\sqrt{t}}t->0----\left(6\right)$

$T\left(t\right)\→T_{1/2s}\left(t\right)=\frac{1.1284I}{2E_s\sqrt{t}}t->\∞---\left(7\right)$

这通过使用由公式(2)对R的定义在t-＞0和t-＞∞的极限值在公式(4)中求无限和来容易地示出。

在一个例子中，接近t＝0的对数差被定义为“对数增量”：

    deltalog＝log[T_coating(t＝0)]-log[T_substrate(t＝0)]        (8)

然后由公式(6)和(7)，根据对数增量来定义涂层蓄热系数与基底蓄热系数的比：

$\frac{E_c}{E_s}=10^{-\mathrm{delta}\log }.---\left(9\right)$

反射率值也可由对数增量定义：

$R=\frac{1-{10}^{\mathrm{delta}\log }}{1+{10}^{\mathrm{delta}\log }}---\left(10\right)$

理论上可通过对公式(4)所示的T-t曲线求微分并将结果设置为零来导出在时间上的拐点。然后通过使用变量“p”来求解以下给出的公式(12)，以找到最大斜率的时间点(拐点时间，即“t_inflection”)。

本领域技术人员可以注意到，由下式来定义“p”：

$p\≡\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{t_{\mathrm{inflection}}}$ 或者τ_c＝pt_inflection                        (11)

其中τ_c是涂层特征时间。

求解“p”的公式由下式给出：

$p\left[\frac{\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n{n}^4{e}^{-n^{2}p}}{\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n{n}^2{e}^{-n^{2}p}}\right]-2p\left[\frac{\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n{n}^2{e}^{-n^{2}p}}{1+2\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n{e}^{-n^{2}p}}\right]-1=0---\left(12\right)$

正如本领域技术人员将认识到的，公式(12)的输入是实验值R，该实验值R从公式(10)得到。如果已经从公式(12)中得到了变量“p”，那么通过对曲线求微分并找到最大时间，在实验上获得了T-t曲线的拐点或拐点时间“t_inflection”。然后在公式(11)中使用该拐点时间来确定涂层特征时间τ_c。

涂层的热扩散率α_c被定义为：

${\mathrm{\α}}_c\≡\frac{K_c}{\mathrm{\ρ}{c}_c}---\left(13\right)$

由公式(3)中的涂层蓄热系数的定义得到热导率K_c：

$K_c=\frac{{E_c}^2}{\mathrm{\ρ}{c}_c}---\left(14\right)$

因为ρc_c由(1)得知并且E_c由公式(9)得知，所以可以确定如由公式(13)所给出的α_c。

最后，于是从公式(5)得到涂层厚度L：

$L=\sqrt{{\mathrm{\α}}_c{\mathrm{\τ}}_c}---\left(15\right)$

图2-3说明如前面参考图1所述由处理器34获得的示例性模拟时间-温度响应曲线图。图2是图形表示70，其中X轴以秒为单位示出时间，并且总的用附图标记72表示，以及Y轴以任意单位示出温度，并且总的用附图标记74表示。曲线图70说明了总的由附图标记76所示的涂层的时间-温度响应、以及总的由附图标记78所示的基底的时间-温度响应。从曲线图70可以看出，曲线79从切线80所示的涂层半空间连续过渡到由切线82所示的基底半空间。这在温度与时间的对数-对数曲线图中变得甚至更清楚，并且在图3中示出。

如上所述，图3是温度与时间在线性轴上的对数-对数曲线图84。X轴由附图标记86表示，并表示以秒为单位的时间的对数，以及由附图标记88表示的Y轴表示任意单位的温度的对数。虚线90是由公式(6)所表示的涂层半空间曲线。下面的虚直线92是由公式(7)所表示的基底半空间曲线，以及公式(4)是过渡曲线100。因而，图3清楚地说明了由附图标记94和96表示的曲线100的几个部分在对数-对数曲线图上具有等于-1/2的斜率。曲线100在两线90和92之间还具有最大斜率点102或拐点(或拐点时间“t_inflection”)。

曲线图84中的第二个重要特征是在两条线性(以对数-对数)半空间曲线之间的偏移104。尽管在对数空间中线90和92之间有差值，但是该偏移是线性空间中的比，并且被定义为如在此所述并由公式(8)给出的对数增量。本领域技术人员将认识到，通过取得涂层温度与基底温度的比，消掉了除蓄热系数以外的所有项，如公式(6)和(7)中所示。也就是，该比仅取决于涂层和基底的热特性，而非闪光强度。基底的热特性是已知的或预定的。因此，如果采用实验方式获得该比，如图3中的偏移104所示，那么还获得了涂层蓄热系数，并因此获得反射率。

图4是说明用于确定绝缘涂层的厚度和热导率的无损测试或检查方法的示例性步骤的流程图106。该方法包括如上文参考图1所述的将光脉冲施加到物体表面上的步骤108。在步骤110，该方法包括获得表示热脉冲在物体的表面的传播的数据。在步骤112，由数据获得涂层和基底的各自时间-温度响应，如图2和3中所示。

在步骤114，根据时间-温度响应获得的其中一个值是如前参考公式(8)所述的对数增量值，并且是基底和涂层的各自时间-温度响应的对数差。在步骤116，涂层蓄热系数值根据由公式(9)所给出的对数增量值来计算。然后在步骤118，利用公式(3)所给出的涂层蓄热系数值来计算热导率值。

在步骤120，还利用对数增量值来计算反射率值，如由公式(10)所给出。在步骤122，利用反射率值来计算变量“p”，如由公式(12)所给出。在步骤124，由各自时间-温度响应来获得拐点“t_inflection”。该拐点是该时间-温度响应中的最大斜率点，并且参考图3以图形示出。在步骤126，由拐点“t_inflection”和变量“p”获得涂层特征时间，如由公式(11)所给出。

在步骤128，利用热导率值来计算该涂层的热扩散率值α_c，如由公式(13)所给出。最后在步骤130，利用热扩散率值和涂层特征时间计算涂层厚度值，如由公式(15)所给出。本领域技术人员可以注意到，使用在此所述的技术可以确定的厚度极限取决于闪光灯功率和涂层孔隙度的可用性。

虽然在此仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此应当理解，所附的权利要求书打算覆盖落在本发明的实际精神内所有这样的修改和变化。

             附图标记列表

10  装置

12  物体

14  绝缘涂层

16  基底

18  暗色外围涂层

20  光源

22  滤光片

24  光脉冲

25  涂层-基底界面

26  表示热脉冲的传播的数据

28  记录系统

30  记录系统和光源控制器

32  通信链路

33  控制信号

34  处理器

36  来自记录系统的数据

38  显示监视器

40  来自处理器的输出

70  曲线图

72  X轴

74  Y轴

76  涂层响应曲线

78  基底响应曲线

79  曲线

80  线-涂层半空间

82  线-基底半空间

84  曲线图(logT-logt)

86  X轴

88  Y轴

90  线-涂层半空间

92  线-基底半空间

94  涂层响应曲线

96  基底响应曲线

98

100 曲线

102 拐点

104 对数增量值

106 流程图

108-130 示例性步骤

Claims (5)

1.一种用于为布置在物体的基底上的绝缘涂层确定厚度和热导率的装置，该装置包括：

光源，用于对物体的表面快速施加多个光脉冲，其中该表面包括绝缘涂层；

滤光片，其被布置在该光源和物体之间，并且被配置成消除从该光源发出的大于约两微米的光波长；

记录系统，其被配置成收集包括表示由所述对所述物体中的绝缘涂层快速施加多个光脉冲而产生的多个热脉冲在所述绝缘涂层中的传播并反射离开所述绝缘涂层的数据的反射波；以及

处理器，其被耦合到该记录系统，并且被配置成接收来自记录系统的数据以确定所述绝缘涂层的厚度值和热导率值，所述确定所述厚度值和热导率值的步骤包括：

根据所述数据获得所述绝缘涂层和基底的各自的时间-温度响应，根据各自的时间-温度响应测量对数增量值，根据所述对数增量值计算所述绝缘涂层的蓄热系数值，根据所述蓄热系数值计算热导率值，根据所述对数增量值计算反射率值，利用所述反射率值确定变量，根据所述绝缘涂层和基底的各自的时间-温度响应测量拐点值，利用所述拐点值和所述变量计算所述绝缘涂层的特征时间，利用所述热导率值计算热扩散率值，以及根据所述热扩散率值和所述特征时间确定所述绝缘涂层的厚度值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该物体的表面包括布置在所述绝缘涂层上的暗色外围涂层。

3.根据权利要求1所述的装置，其中该绝缘涂层是热障涂层(TBC)或环境屏障涂层(EBC)中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的装置，其中该光源包括一个或多个闪光灯。

5.根据权利要求1所述的装置，其中该记录系统包括红外焦平面阵列照相机。

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