CN103471513A - 光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法，涉及一种测量涂层厚度的方法。为了解决目前采用测量涂层厚度的方法对测量的材料特性具有局限性的问题。采用脉冲加热设备在两种不同的脉冲强度下对被测涂层结构构件进行加热，并使用红外热像仪在相同采样频率f_s下采集被测涂层结构构件表面的热图序列T₁(x,y,N)和T₂(x,y,N)；将获得的两个热图序列相减，求得热波信号△T=T₂(x,y,N)-T₁(x,y,N)；对所有像素点的热波信号与采集帧数之间的关系进行线性拟合，得到△T(x,y,N)=aN+b；根据获得的a和b，结合公式

求出被测涂层结构构件的涂层厚度e_c。它用于测量涂层结构构件的涂层厚度。

Description

光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量涂层厚度的方法，特别涉及一种光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法。

背景技术

脉冲红外热成像技术是20世纪80年代后发展起来的一种无损检测技术。此方法以热波理论为理论依据，通过主动对被测物体施加脉冲热激励，采用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温度变化，并通过图像处理技术对热波信号进行处理和分析，以实现对物体内部不连续结构的定性诊断和定量识别。

目前，测量涂层厚度的方法主要有涡流测厚法，但该方法仅适用于金属质涂层厚度的测量，不适用于复合材料涂层/复合材料基体涂层结构中涂层厚度的检测，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前采用测量涂层厚度的方法对测量的材料特性具有局限性的问题，本发明提供一种光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法。

本发明的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法，

步骤一：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₁下对被测涂层结构构件进行加热，同时使用红外热像仪在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件表面的热图序列T₁(x,y,N)，其中x×y为红外热像仪像素点数，N为采集的图像帧数；

步骤二：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₂下对被测涂层结构构件进行加热，同时使用红外热像仪在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件表面的热图序列T₂(x,y,N)；

步骤三：将获得的热图序列T₂(x,y,N)和热图序列T₁(x,y,N)相减，获得热波信号△T=T₂(x,y,N)-T₁(x,y,N)；

步骤四：对所有像素点的热波信号△T(x,y,N)与采集帧数N之间的关系进行线性拟合，得到△T(x,y,N)=aN+b；

步骤五：根据步骤四获得的a和b，结合公式

求出被测涂层结构构件的涂层厚度e_c，其中α_c为涂层的热扩散系数。

本发明的优点在于，本发明的方法可以测量出涂层结构构件的涂层厚度，不受涂层结构中涂层和基体材料特性的限制，克服了现有测量涂层厚度的方法对测量的材料特性具有局限性的问题，本发明的方法简单易行。

附图说明

图1为本发明所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法的原理示意图。

图2为被测涂层结构构件1表面三个不同位置处对应热波信号△T与N之间的线性拟合关系。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的，

步骤一：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₁下对被测涂层结构构件1进行加热，同时使用红外热像仪3在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件1表面的热图序列T₁(x,y,N)，其中x×y为红外热像仪像素点数，N为采集的图像帧数；

步骤二：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₂下对被测涂层结构构件1进行加热，同时使用红外热像仪3在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件1表面的热图序列T₂(x,y,N)；

步骤三：将获得的热图序列T₂(x,y,N)和热图序列T₁(x,y,N)相减，获得热波信号△T=T₂(x,y,N)-T₁(x,y,N)；

步骤四：对所有像素点的热波信号△T(x,y,N)与采集帧数N之间的关系进行线性拟合，得到△T(x,y,N)=aN+b；

步骤五：根据步骤四获得的a和b，结合公式

求出被测涂层结构构件1的涂层厚度e_c，其中α_c为涂层的热扩散系数。

本实施方式的理论基础是基于脉冲平面热源激励下的一维热传导方程求解问题。热流作用于厚度相对较薄的涂层结构平板过程中，可忽略热流横向扩散，将热流传递近似认为一维热传导过程。热流在试件中的传热微分方程可表示为：

${\mathrm{\ρ}}_i{c}_i\frac{{\∂T}_i(z,t)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left(k_i\frac{{\∂T}_i(z,t)}{\∂z}\right)---\left(1\right)$

初始条件：T_i(z,0)=T_∞   （2）

边界条件： $-k_1\frac{{\∂T}_1(0,t)}{\∂z}=\mathrm{Q\δ}\left(t\right)---(3.a)$

$-k_2\frac{{\∂T}_2(L,t)}{\∂z}=0---(3.b)$

连续条件：T₁(e_s,t)=T₂(e_s,t)   （4.a）

$k_1\frac{{\∂T}_1(e_s,t)}{\∂z}=k_2\frac{{\∂T}_2(e_s,t)}{\∂z}---(4.b)$

其中，T(z,t)是位于z处t时刻的温度；ρ(kg/m³)是材料密度；c(J/(kg·K)是材料比热容；k(W/(m·K)是热传导率；α_c是材料的热扩散系数，α_c=k/(ρc)；e_s和e_c分别表示基体和涂层的厚度；L是被测构件总厚度，L=e_s+e_c。

由于从红外热波理论上讲，当热传导时间较短时，热波信号反映的是热流在热传导过程中遇到的第一个界面，即涂层与基体交界面，也就是涂层的厚度。若只考虑脉冲传播到涂层与基体界面发生的1次反射，则

$T=(z=0,t)=\frac{Q}{{\mathrm{\ρce}}_c}(1+{2e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\α}}_c}{{e_c}^2}t})---\left(5\right)$

脉冲加热设备分别在脉冲强度Q₁和Q₂下对被测涂层结构构件1进行加热，并将两次获得的构件表面温度信号相减，并进行化简整理可得：

$\mathrm{\ΔT}(z=0,t)=-\frac{Q_2-Q_1}{{\mathrm{\ρce}}_c}\·\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\α}}_c}{{e_c}^2}\·t+\frac{3(Q_2-Q_1)}{{\mathrm{\ρce}}_c}---\left(6\right)$

令t=N/f_s，△T(z=0,t)=aN+b，则

$q=-\frac{Q_2-Q_1}{{\mathrm{\ρce}}_c}\·\frac{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\α}}_c}{{e_c}^2}\·\frac{1}{f_s},b=\frac{3(Q_2-Q_1)}{{\mathrm{\ρce}}_c}---\left(7\right)$

由式（7）可得

$e_c=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2b{\mathrm{\α}}_c}{2a{f}_s}}---\left(8\right)$

由式（8）即可得到涂层结构构件各位置对应的涂层厚度。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法的进一步限定，

所述脉冲加热设备为高能闪光灯2。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法的进一步限定，

所述步骤三、步骤四和步骤五均采用嵌入计算机4的软件来实现。

下面结合实施例说明光脉冲红外热成像技术测量涂层厚度的过程。该实施例中使用了高温抗氧化涂层/耐热合金基体平板试件，其涂层厚度不均匀，涂层的热扩散系数α_c=2.5×10^-9m²/s。设置红外热像仪3的采样频率f_s=50Hz。分别以脉冲强度为Q₁=7.5kW/m²和Q₂=9.5kW/m²对被测试件进行热激励，得到热图序列T₁(x,y,N)和T₂(x,y,N)。将T₂(x,y,N)与T₁(x,y,N)相减可得△T(x,y,N)。

图1为本发明所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法的原理示意图，两个高能闪光灯2对被测涂层结构构件1表面进行热激励，热流在被测构件内部进行传递，红外热像仪3实时采集被测构件表面的温度变化，得到热图序列，并传送到计算机4中。

由图2中拟合曲线系数和式（8）及已知α_c可以求得三个位置处的涂层厚度如下：

$e_{c1}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2b{\mathrm{\α}}_c}{2a{f}_s}}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2\×0.4298\×2.5\×{10}^{-9}}{3\×(-0014)\×50}}=1.0055\×{10}^{-4}=100.55\mathrm{\μm}$

$e_{c2}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2b{\mathrm{\α}}_c}{3a{f}_s}}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2\×0.2279\×2.5\×{10}^{-9}}{3\×(-0.0014)\×50}}=7.4068\×{10}^{-5}\×m=74.068\mathrm{\μm}$

$e_{c3}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2b{\mathrm{\α}}_c}{3a{f}_s}}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-2\×0.1843\×2.5\×{10}^{-9}}{3\×(-0.0018)\×50}}=5.7363\×{10}^{-5}m=57.363\mathrm{\μm}$

根据上述方法，可以求出构件表面任意位置处的涂层厚度。

Claims (3)

1.光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法，其特征在于，

步骤一：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₁下对被测涂层结构构件（1）进行加热，同时使用红外热像仪（3）在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件（1）表面的热图序列T₁(x,y,N)，其中x×y为红外热像仪像素点数，N为采集的图像帧数；

步骤二：采用脉冲加热设备在脉冲强度Q₂下对被测涂层结构构件（1）进行加热，同时使用红外热像仪（3）在采样频率f_s下采集被测涂层结构构件（1）表面的热图序列T₂(x,y,N)；

步骤三：将获得的热图序列T₂(x,y,N)和热图序列T₁(x,y,N)相减，获得热波信号△T=T₂(x,y,N)-T₁(x,y,N)；

步骤四：对所有像素点的热波信号△T(x,y,N)与采集帧数N之间的关系进行线性拟合，得到△T(x,y,N)=aN+b；

步骤五：根据步骤四获得的a和b，结合公式

求出被测涂层结构构件（1）的涂层厚度e_c，其中α_c为涂层的热扩散系数。

2.根据权利要求1所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法，其特征在于，所述脉冲加热设备为高能闪光灯（2）。

3.根据权利要求1所述的光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法，其特征在于，所述步骤三、步骤四和步骤五均采用嵌入计算机4的软件来实现。

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