CN108344390A - 基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法，收集一系列涂层厚度不同、基底厚度相同的标准试件，分别采用加热设备对每个标准试件涂层面进行持续加热，采集获得涂层面的红外热图像序列，提取得到k范围温度变化斜率曲线，提取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量，结合对应的涂层厚度通过多项式拟合得到标定方程，当需要对被测试件进行涂层厚度检测时，采用相同方法获取被测试件的k范围温度变化斜率曲线，获取从开始加热至曲线斜率达到预设阈值K的时间，根据标定方程计算得到待测试件的涂层厚度。本发明简单易行，对测试对象和测试设备要求较低，检测时所需时间较少，检测准确率较高。
Description
技术领域
本发明属于涂层厚度检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法。
背景技术
目前国内外用于涂层厚度检测的检测技术可分为无损检测技术与有损检测技术。有损检测技术有扫描电镜观察法、金相法等，无损检测技术有超声检测法、红外热波检测法等。
扫描电镜观察法通过电镜对试件截面区域进行元素组成成分及含量的分析，金相法通过电子显微镜观察试件界面的厚度值，这两种方法都必须破坏试件本身，属于有损检测方法。
超声检测技术应用在涂层厚度检测上的主要原理是依据超声波的传播特性，经耦合剂传播到目标表面向内传播，遇到不同密度介质界面处会产生回波，分析回波并提取出与涂层厚度有关系的特征。超声检测法一般具有500μm的检测盲区，金属基底板层之间或层内部存在的锈蚀导致干扰回波，都是超声检测技术应用在涂层厚度检测上的难题。
红外无损检测技术兴起于20世纪80年代，通过主动对被测物品进行热激励，使用红外热像仪采集物品表面的热图像，通过对热图像的分析提取温度信息，辅以图像处理技术对热波信号进行解析，实现对物体厚度或缺陷进行定性或定量分析。
目前红外无损检测技术在涂层厚度检测的应用上主要是涡流测厚法，但该方法具有较大的局限性，要求基底为非铁磁性金属材料，涂层为非导电材料。S.Mezghani等在《Evaluation of paint coating thickness variations based on pulsed Infraredthermography laser technique》(Infrared Physics&Technology 76(2016)393–401)中通过对涂层结构试件进行激光脉冲激励，提取出与温度下降时间相关参数，该参数与涂层厚度的关系不受激励时间与基底厚度影响，但无法证明该关系的理论依据及是否适用于一般涂层结构物体。Jin-Yu Zhang等在《A new measurement method of coatingsthickness based on lock-in thermography》(Infrared Physics&Technology 76(2016)655–660)中通过对涂层结构试件进行锁相热波激励，发现在不同激励频率下，相位差与涂层厚度总是呈现某种趋势，以此趋势可用于测量厚度，但精度不高，且设备过于昂贵。唐庆菊等在专利《光脉冲红外热成像测量涂层厚度的方法》(申请号201310455288)中使用两种不同强度的脉冲激励对试件进行加热，将采集到的热图帧与相应计算公式结合以求出涂层厚度，但该方法基于热图帧处理，易受周围环境影响，且对激励源要求较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法，实现普适性较佳、成本较低且准确率较高的快速涂层厚度检测。
为实现上述发明目的，本发明基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法包括以下步骤：
S1：收集一系列涂层厚度不同、基底厚度相同的标准试件，记每个标准试件的涂层厚度为dn，n＝1,2,…,N，N表示标准试件数量；
S2：对于每个标准试件，分别采用加热设备对标准试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列；
S3：根据每个标准试件的红外热图像序列，提取出试件代表点的表面温度变化曲线；
S4：对于每个标准试件的表面温度变化曲线，以开始加热时刻为起点，以红外热图像的帧间时间间隔为步长δ，从表面温度变化曲线取出对应时间点的温度值，记所得到的温度值数量为R，记第r个时间点，即时刻(r-1)δ的温度值为Xr，r＝1,2,…,R；计算第r′个的时间点对应的温度值Xr′和第r′+k点温度值Xr′+k之间的斜率Gr′：
其中，r′＝1,2,…,R-k，k为正常数，根据需要设置；
以时间点序号r′作为横坐标，斜率Gr′作为纵坐标，绘制得到k范围温度变化斜率曲线；
S5：在每个标准试件的k范围温度变化斜率曲线中，获取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δtn，根据时间点数量Δtn和对应的涂层厚度为dn通过多项式拟合得到标定方程；
S6：当需要对被测试件进行涂层厚度检测时，采用相同加热设备对待测试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列，提取出其表面温度变化曲线，然后获取其k范围温度变化斜率曲线，得到从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δt′，代入步骤S5得到的标定方程计算得到涂层厚度，即为待测试件的涂层厚度。
本发明基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法，收集一系列涂层厚度不同、基底厚度相同的标准试件，分别采用加热设备对每个标准试件涂层面进行持续加热，采集获得涂层面的红外热图像序列，提取得到k范围温度变化斜率曲线，提取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量，结合对应的涂层厚度通过多项式拟合得到标定方程，当需要对被测试件进行涂层厚度检测时，采用相同方法获取被测试件的k范围温度变化斜率曲线，获取从开始加热至曲线斜率达到预设阈值K的时间，根据标定方程计算得到待测试件的涂层厚度。本发明简单易行，对测试对象和测试设备要求较低，检测时所需时间较少，检测准确率较高。
附图说明
图1是某试件加热过程中热流刚传播至涂层-基底交界处的红外热图像示例图；
图2是本发明基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法的具体实施方式流程图；
图3是本发明中加热被测试件的示意图；
图4是本实施例中涂层厚度为10μm、50μm、90μm、130μm、170μm的试件的k范围温度变化斜率曲线；
图5是本实施例中涂层厚度为20μm、60μm、100μm、140μm、180μm的试件的k范围温度变化斜率曲线；
图6是本实施例中涂层厚度为30μm、70μm、110μm、150μm、190μm的试件的k范围温度变化斜率曲线；
图7是本实施例中涂层厚度为40μm、80μm、120μm、160μm、200μm的试件的k范围温度变化斜率曲线；
图8是本实施例中时间点数量和涂层厚度的标定方程对应的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了更好地说明本发明的技术方案，首先对本发明的理论基础进行简要说明。本发明是基于持续热源激励下的一维热传导方程求解问题。若涂层结构较薄，可忽略热流在涂层结构内的横向扩散，此时热流在涂层内的传递可近似为一维热传导过程。热流在涂层-基底结构试件中的一维热传导过程可由如下方程表示：
热流在涂层或基底中传导，其表达式为：
初始条件可表示如下：
Ti(x,0)＝T∞ (2)
若不考虑对流项，边界条件可表示为：
在涂层与基底交界处的连续条件可表示为：
T1(m,t)＝T2(m,t) (4.2)
热扩散系数μi可表示为：
以上公式中，i＝1表示涂层，i＝2表示基底，αi表示热传导率，ρi表示材料密度、ci表示材料比热容，Ti(x,t)指x处在时刻t的温度，m为涂层厚度，n为基底厚度，l＝m+n为试件总厚度，Q为均匀热流，T∞表示环境温度。
由(1)与(5)可知，温度在物体内的传导速率由热传导率、材料密度和材料比热容决定，即由物体热扩散系数决定。热扩散系数越大，材料中温度变化传播得越迅速。反之，温度传播得越缓慢。当涂层热扩散系数小于基底热扩散系数时，施加在涂层表面的持续热流激励会较为缓慢地向基底方向传导，会出现热量短暂地贮存在涂层内部的现象。由(4.1)与(4.2)可知，当热流刚传播到涂层与基底交界处时，由于热波总是从温度高处向低处移动，当热波传播到涂层与基底交界处时，一部分热波会反射，同时基底会快速从涂层吸收热量。图1是某试件加热过程中热流刚传播至涂层-基底交界处的红外热图像示例图。在试件加热过程中，在表面温度上表现为先以较大斜率上升，再逐渐减小斜率上升，最后保持相对稳定的斜率上升。本发明充分利用以上理论分析，将表面温度变化曲线转化为k范围温度变化斜率曲线，获取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量，得到时间点数量和涂层厚度的标定方程，从而反映涂层厚度与表面温度变化曲线的关系，以实现涂层厚度检测。
图2是本发明基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法的具体实施方式流程图。如图2所示，本发明基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法的具体步骤包括：
S201：设置标准试件：
收集一系列涂层厚度不同、基底厚度相同的标准试件，记每个标准试件的涂层厚度为dn，n＝1,2,…,N，N表示标准试件数量。本实施例中标准试件共计20件，涂层厚度从10μm至200μm。
S202：获取标准试件红外热图像序列：
对于每个标准试件，分别采用加热设备对标准试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列。图3是本发明中加热被测试件的示意图。对于本发明而言，加热设备以持续均匀热源为好。当红外热像仪的帧率≥200FPS时，所获得的红外热图像序列可以更好地反映涂层的厚度特征。
S203：提取表面温度变化曲线：
根据每个标准试件的红外热图像序列，提取出试件代表点的表面温度变化曲线。一般来说，试件代表点可以为试件几何中心点。
S204：获取k范围温度变化斜率曲线：
对于每个标准试件的表面温度变化曲线，以开始加热时刻(即时刻0)为起点，以红外热图像的帧间时间间隔(即帧率的倒数)为步长δ，从表面温度变化曲线取出对应时间点的温度值，记所得到的温度值数量为R，记第r个时间点，即时刻(r-1)δ的温度值为Xr，r＝1,2,…,R。计算第r′个的时间点对应的温度值Xr′和第r′+k点温度值Xr′+k之间的斜率Gr′：
其中，r′＝1,2,…,R-k，k为正常数，根据需要设置。
以时间点序号r′作为横坐标，斜率Gr′作为纵坐标，绘制得到k范围温度变化斜率曲线。
图4是本实施例中涂层厚度为10μm、50μm、90μm、130μm、170μm的试件的k范围温度变化斜率曲线。图5是本实施例中涂层厚度为20μm、60μm、100μm、140μm、180μm的试件的k范围温度变化斜率曲线。图6是本实施例中涂层厚度为30μm、70μm、110μm、150μm、190μm的试件的k范围温度变化斜率曲线。图7是本实施例中涂层厚度为40μm、80μm、120μm、160μm、200μm的试件的k范围温度变化斜率曲线。如图4至图7所示，在k范围温度变化斜率曲线中，斜率Gr′随着时间点序号r′的增大逐渐降低。
S205：获取标定方程：
在每个标准试件的k范围温度变化斜率曲线中，获取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δtn，根据时间点数量Δtn和对应的涂层厚度dn通过多项式拟合得到标定方程。图8是本实施例中时间点数量和涂层厚度的标定方程对应的曲线示意图。
根据本发明的理论基础说明可知，在本发明中，阈值K是一个较为关键的参数，其取值对于涂层厚度对表面温度变化曲线的特征反映非常重要。根据研究发现，阈值K最好满足以下两个条件：1)阈值K远大于每个k范围温度变化斜率曲线的稳定值；2)阈值K需要被每个k范围温度变化斜率曲线所包含。分析图4至图7可知，涂层厚度最小的标准试件的k范围温度变化斜率最大值是所有k范围温度变化斜率最大值中最小的，所有k范围温度变化斜率曲线收敛后k范围温度变化斜率的平均值相差不大，因此可以采用以下方法来得到阈值K的取值：在涂层厚度最小的标准试件的k范围温度变化斜率曲线中，搜索k范围温度变化斜率最大值记为A，搜索其收敛后k范围温度变化斜率的平均值记为B，则阈值K的取值范围为K∈[PB,A]，P表示预设的大于1的常数，显然P的取值应当令PB＜A，本实施例中令P＝1.5。
S206：涂层厚度检测：
当需要对被测试件进行涂层厚度检测时，采用相同加热设备对待测试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列，提取出其表面温度变化曲线，然后获取其k范围温度变化斜率曲线，得到从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δt′，代入步骤S205得到的标定方程计算得到涂层厚度，即为待测试件的涂层厚度。
经过实验得知，本发明的检测准确率可以达到97.36％，具有良好的实际应用价值。
根据研究发现，当涂层的热扩散系数小于基底的热扩散系数的1/10时，即涂层与基底存在较大热特性差异时(例如试件的基底为钢，涂层为环氧树脂)，本发明检测准确率较高。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一种基于k范围温度变化斜率曲线的涂层厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集一系列涂层厚度不同、基底厚度相同的标准试件，记每个标准试件的涂层厚度为dn，n＝1,2,…,N，N表示标准试件数量；
S2：对于每个标准试件，分别采用加热设备对标准试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列；
S3：根据每个标准试件的红外热图像序列，提取出试件代表点的表面温度变化曲线；
S4：对于每个标准试件的表面温度变化曲线，以开始加热时刻为起点，以红外热图像的帧间时间间隔为步长δ，从表面温度变化曲线取出对应时间点的温度值，记所得到的温度值数量为R，记第r个时间点，即时刻(r-1)δ的温度值为Xr，r＝1,2,…,R；计算第r′个的时间点对应的温度值Xr′和第r′+k点温度值Xr′+k之间的斜率Gr′：
其中，r′＝1,2,…,R-k，k为正常数，根据需要设置；
以时间点序号r′作为横坐标，斜率Gr′作为纵坐标，绘制得到k范围温度变化斜率曲线；
S5：在每个标准试件的k范围温度变化斜率曲线中，获取从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δtn，根据时间点数量Δtn和对应的涂层厚度为dn通过多项式拟合得到标定方程；
S6：当需要对被测试件进行涂层厚度检测时，采用相同加热设备对待测试件涂层面进行持续加热，同时采用红外热像仪对标准试件的涂层面采集从开始加热时刻至温度稳定上升阶段的红外热图像，获得红外热图像序列，提取出其表面温度变化曲线，然后获取其k范围温度变化斜率变化曲线，得到从开始加热时刻至k范围温度变化斜率达到预设阈值K的时间点数量Δt′，代入步骤S5得到的标定方程计算得到涂层厚度，即为待测试件的涂层厚度。
2.根据权利要求1所述的涂层厚度检测方法，其特征在于，所述的外热像仪的帧率≥200FPS。
3.根据权利要求1所述的涂层厚度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中代表点为试件的几何中心点。
4.根据权利要求1所述的涂层厚度检测方法，其特征在于，所述步骤S5中阈值K按照以下方法设置：在涂层厚度最小的标准试件的k范围温度变化斜率曲线中，搜索k范围温度变化斜率最大值记为A，搜索其收敛后k范围温度变化斜率的平均值记为B，则阈值K在范围[PB,A]内取值，P表示预设的大于1的常数。
5.根据权利要求1所述的涂层厚度检测方法，其特征在于，所述的涂层的热扩散系数小于所述基底的热扩散系数的1/10。
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