CN103245311B

CN103245311B - 用超声检测多层吸波涂层测厚装置的测厚方法

Info

Publication number: CN103245311B
Application number: CN201310174143.XA
Authority: CN
Inventors: 雷明凯; 林莉; 罗忠兵; 胡志雄; 马志远; 李广凯; 李喜孟
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-05-11
Filing date: 2013-05-11
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: CN103245311A

Abstract

一种用超声检测多层吸波涂层的测厚装置及其测厚方法，属于超声无损检测与评价技术领域。该装置采用包括一种带宽0～35MHz的便携式数字超声探伤仪、延迟块探头或局部水浸的超声延迟线探头、涂层声速标定试样和集成了测厚算法的计算机构成的测厚装置。该装置根据超声回波特点选择△t或f_n计算涂层厚度。通过将自相关方法与声压反射系数功率谱方法相结合迭代加窗分析，选择一个准确的f_n实现涂层测厚。该测厚装置及其测厚方法克服了现有超声测厚技术对探伤仪和探头频带要求高、数据截取需要人工干预以及只适用于单层涂层等局限性。所用设备体积小、重量轻，适于多种基体、多层涂层外涂层的现场测厚，具有较大的经济效益和社会效益。

Description

用超声检测多层吸波涂层测厚装置的测厚方法

技术领域

本发明涉及一种用超声检测多层吸波涂层的测厚装置及其测厚方法，其属于超声无损检测与评价技术领域。

背景技术

采用吸波材料进行雷达波隐身是一种十分经济有效的技术途径，而雷达吸波材料厚度、涂敷层的均匀性直接影响到最终隐身效果。在现场涂装施工和质量检验过程中，要求每一层吸波涂层厚度均达到合格标准。准确可靠的吸波涂层厚度无损测试方法是该领域的迫切工程需求。

目前的吸波涂层厚度无损测试方法主要包括磁性法、涡流法、微波魔T桥式电路法、电容法和超声法等。其中磁性法不适用于具有铁磁性吸波涂层厚度的测量。涡流法是通过检测探头与基体之间由涂层厚度变化引起的提离效应进行测厚的，仅能用于测量基体材料为金属的吸波涂试样。微波魔T桥式电路法是根据等效阻抗原理进行测量的，该方法只能用于控制涂层的厚度达到标准要求，不能准确得出厚度结果。电容法是根据电磁理论建立相关的理论模型。该方法受分布电容的影响，导致随着涂层厚度的增加，系统误差增大。且实际吸波涂层的电容特性受工艺参数及温度、湿度等环境因素影响很大，较难与数据库中标准试样的电容值一致，导致测厚结果可靠性受到影响。超声测量涂层厚度的传统方法是根据声压反射系数幅度谱/功率谱来计算涂层的厚度，该方法需要在幅度谱/功率谱中读取两个相邻的谐振频率才能计算涂层厚度，对超声探伤仪及探头的带宽要求较高，导致测量设备成本高、设备的体积及重量相应增加，大大限制了其应用。且需要通过经验判断回波信号数据的截断位置，人工干预因素较强，导致测厚结果不稳定；对于多层吸波涂层，由于幅度谱/功率谱谱线畸变、不规则，难以辨识谐振频率位置，不能准确测量涂层厚度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用超声检测多层吸波涂层的测厚装置及其测厚方法。与现有吸波涂层厚度测量方法相比，该方法应克服传统的超声测厚法必须能够读取信号幅度谱/功率谱中两个谐振频率才能准确获得涂层厚度的局限性，对吸波涂层的电学和磁学性能没有要求，能够准确测量单层及多层吸波涂层最外层的厚度。该装置可以将超声脉冲回波信号的采集、传输以及后处理过程集成到计算机内，有效减小测量过程中人为干预带来的测量误差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用超声检测多层吸波涂层的测厚装置及其测厚方法，它采用包括一种带宽0～35MHz的便携式数字超声探伤仪、延迟块探头或局部水浸的超声延迟线探头、涂层声速标定试样和集成了测厚算法的计算机构成测量包括金属及非金属基体的单层、双层及三层的吸波涂层外涂层的测厚装置；所述测厚装置采集、传输以及后处理超声脉冲回波信号，并根据超声脉冲回波特点选择△t或f_n计算涂层厚度，所述测厚方法过程如下：

所述测厚方法过程中的脉冲宽度W均可通过式（1）求得：

W=N×T/2 （1）

其中T为超声波向前传播一个波长距离时所需的时间；N为脉冲回波的高度达到屏高80%时，高于20%回波高度的峰值个数；

（1）利用所述校准好的超声测厚装置，采集超声延迟线探头自身的反射回波信号R作为基准信号，计算该信号的脉冲宽度W₀；

（2）利用超声延迟线探头向待测吸波涂层试样垂直发射超声信号，并采集涂层反射回波信号S做为试样信号；搜索信号S内的第一个脉冲回波s₁，读取s₁的出现时刻t₁并计算脉冲宽度W₁；

（3）对比基准信号R与脉冲回波s₁的脉冲宽度，若W₀≥W₁，则采用△t计算涂层厚度d，计算公式为：

d=c×△t/2 （3）

式中c为吸波涂层声速值；Δt为脉冲回波声时差；

Δt的确定步骤：通过搜索脉冲回波s₁出现时刻之后的一个脉冲回波s₂，计算s₁与s₂出现时刻的时间差即可得到Δt；

（4）对比基准信号R与脉冲回波s₁的脉冲宽度，若W₀＜W₁，则采用f_n 计算涂层厚度d，计算公式为：

d=n×c/(4×f_n) （4）

式中c为吸波涂层声速值；f_n为谐振频率；n为谐振频率阶数；

f_n与n的确定步骤：对试样信号S进行矩形窗加窗处理，矩形窗起始位置为t₁，加窗宽度为B=2×W₀，得到加窗后的信号S₁；求取信号S₁对应的声压反射系数功率谱V₁，并对功率谱V₁进行自相关处理得出自相关结果C₁；读取C₁的第一峰值位置F₁，根据F值重新计算加窗宽度B=1/F₁，重复以上步骤，直至两次自相关结果的第一峰值位置F_i与F_i+1之间的差值小于5%，此时得到信号S_i，信号S_i为最外层涂层的界面回波信号；求取信号S_i对应的功率谱，并读取探头中心频率附近的谐振频率f_n，根据自相关结果F_i+1，判断n的具体数值，其中：

f_n=n×F_i+1/2 （5）

若已知吸波涂层声速值c，根据式（4）可计算涂层厚度d。

本发明的有益效果是：克服了传统的超声测厚法必须能够读取信号幅度谱/功率谱中两个谐振频率才能准确获得涂层厚度的局限性，一个谐振频率即可测厚，降低了对超声探伤仪及探头的带宽要求。而且对基体和涂层的电学及磁学性能没有要求，可以测量基体材料为金属或非金属的试样。其截断方法使得测量多层吸波涂层外涂层厚度时，不受底层涂层回波信号的干扰，测量结果更精确。多组超声延迟线探头能够对不同厚度的吸波涂层试样进行准确的厚度测量。当待测涂层的厚度范围为0.2～0.7mm时，选择15MHz的超声延迟线探头；当待测涂层的厚度范围为0.6～1.1mm时，选择10MHz的超声延迟线探头；当待测试样的厚度范围为1.0～1.6mm时，选择5.0MHz的超声延迟线探头；当待测试样的厚度范围为1.5～3mm时，选择2.25MHz的超声延迟线探头。本发明可方便灵活地测量单层、多层吸波涂层外涂层的厚度，所用设备轻巧、便携、可操作性强、成本低，测量精度高、范围广，现场测厚结果稳定可靠，具有较大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种用超声检测多层吸波涂层测厚装置的硬件结构连接示意图。

图2是延迟块探头的回波信号R。

图3是钢基吸波涂层反射回波信号S。

图4是钢基单层吸波涂层试样横截面的金相照片。

图5是钢基双层吸波涂层试样横截面的金相照片。

图6是钢基三层吸波涂层试样横截面的金相照片。

图7是铝基吸波涂层试样横截面的金相照片。

图8是复材基吸波涂层试样横截面的金相照片。

具体实施方式

本超声检测多层吸波涂层的测厚装置以及测厚方法由图1所示的一种带宽0～35MHz的便携式数字超声探伤仪、延迟块探头或局部水浸的超声延迟线探头、涂层声速标定试样和集成了测厚算法的计算机构成。可测量包括金属及非金属基体的单层、双层及三层的吸波涂层外涂层的涂层厚度。所述测厚方法过程如下：

针对涂层厚度范围为0.3～0.7mm的钢基吸波涂层试样，选择标称频率15MHz的延迟块探头，首先将测量装置进行系统连接及仪器校正。

（1）采集该延迟块探头的反射回波信号R（基准信号），如图2所示，依据公式（1）计算该信号的脉冲宽度W₀=0.32μs；

（2）将延迟块探头耦合到已知涂层厚度（d=0.5mm）的声速标定试样上，采集一个涂层反射回波信号S，如图3所示，搜索信号S内的第一个脉冲回波s₁，并读取s₁的出现时刻t₁=9.94μs和脉冲宽度W₁=0.51μs；

（3）对比基准信号R与脉冲回波s₁的脉冲宽度，T₀＜T₁，采用公式（4）计算声速标定试样的涂层声速值c；

（4）对试样信号S进行矩形窗加窗处理，矩形窗起始位置为t₁=9.94μs，宽度为B=0.64μs，得到加窗后的信号S₁；求取信号S₁对应的声压反射系数功率谱V₁，并对功率谱V₁进行自相关处理得出自相关结果C₁；读取C₁的第一峰值位置F，根据F值重新计算加窗宽度B=1/F，重复以上步骤，得到信号S_i以及自相关结果F_i+1=3.96MHz。

（5）求取信号S_i的功率谱，读取探头中心频率附近的谐振频率f_n=8.02MHz，根据自相关结果F_i+1=3.96MHz，判断n=4。

（6）已知声速标定试样的涂层厚度d=0.50mm，可计算该涂层的声速值为c=4010m/s。

（7）将延迟块探头耦合到钢基吸波涂层试样上，按照上述步骤，测量试样10个不同位置的涂层厚度d，测厚结果如表1所示。

表1钢基吸波涂层试样10个不同位置的涂层厚度d

序号	检测部位	厚度值d（mm）
			1	位置1	0.507
2	位置2	0.542
			3	位置3	0.534
4	位置4	0.530
			5	位置5	0.501
6	位置6	0.490
			7	位置7	0.474
8	位置8	0.502
			9	位置9	0.530
10	位置10	0.561

（8）按照上述的方法分别测量钢基单层、双层与三层吸波涂层试样，铝基单层吸波涂层试样以及复合材料基的单层吸波涂层试样，超声测厚结果及误差如表2、表3与表4所示。

表2钢基吸波涂层试样测厚结果及误差分析

表3铝基吸波涂层试样测厚结果及误差分析

表4复合材料基吸波涂层试样测厚结果及误差分析

然后解剖试样，利用金相方法确定涂层厚度，涂层试样横截面的金相照片如图4-8所示。将金相法测得的涂层厚度与本测厚装置测量结果进行对比并分析误差，结果如表2～4所示。分析表明，所有的单层吸波涂层厚度测量相对误差小于4.0%，对于多层吸波涂层外涂层测厚相对误差小于6.0%，满足工程需求。

Claims

1.一种用超声检测多层吸波涂层测厚装置的测厚方法，其特征是：它采用包括一种带宽0～35MHz的便携式数字超声探伤仪、局部水浸的超声延迟线探头、涂层声速标定试样和集成了测厚算法的计算机构成测量包括金属及非金属基体的单层、双层及三层的吸波涂层外涂层的测厚装置，对超声脉冲回波信号进行采集、传输以及后处理，并根据超声脉冲回波特点选择△t或f_n计算涂层厚度，所述测厚方法过程如下：

所述测厚方法过程中的脉冲宽度W均可通过式(1)求得：

W＝N×T/2 (1)

其中T为超声波向前传播一个波长距离时所需的时间；N为脉冲回波的高度达到屏高80％时，高于20％回波高度的峰值个数；

(1)利用校准好的超声测厚装置，采集超声延迟线探头自身的反射回波信号R作为基准信号，计算该信号的脉冲宽度W₀；

(2)利用超声延迟线探头向待测吸波涂层试样垂直发射超声信号，并采集涂层反射回波信号S做为试样信号；搜索信号S内的第一个脉冲回波s₁，读取s₁的出现时刻t₁并计算脉冲宽度W₁；

(3)对比基准信号R与脉冲回波s₁的脉冲宽度，若W₀≥W₁，则采用△t计算涂层厚度d，计算公式为：

d＝c×△t/2 (3)

式中c为吸波涂层声速值；Δt为脉冲回波声时差；

(4)对比基准信号R与脉冲回波s₁的脉冲宽度，若W₀＜W₁，则采用f_n计算涂层厚度d，计算公式为：

d＝n×c/(4×f_n) (4)

f_n与n的确定步骤：对试样信号S进行矩形窗加窗处理，矩形窗起始位置为t₁，加窗宽度为B＝2×W₀，得到加窗后的信号S₁；求取信号S₁对应的声压反射系数功率谱V₁，并对功率谱V₁进行自相关处理得出自相关结果C₁；读取C₁的第一峰值位置F₁，根据F值重新计算加窗宽度B＝1/F₁，重复以上步骤，直至两次自相关结果的第一峰值位置F_i与F_i+1之间的差值小于5％，此时得到信号S_i，信号S_i为最外层涂层的界面回波信号；求取信号S_i对应的功率谱，并读取探头中心频率附近的谐振频率f_n，根据自相关结果F_i+1，判断n的具体数值，

其中：

f_n＝n×F_i+1/2 (5)

若已知吸波涂层声速值c，根据式(4)可计算涂层厚度d。