CN108519059A - 基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，包括以下步骤：首先应用太赫兹时域光谱检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的热障涂层反射的信号，作为时域的参考信号和样品信号，然后对参考信号做傅里叶变换，将其作为太赫兹入射频域谱信号；建立太赫兹多层反射理论模型；不断改变热障涂层中各层的厚度值，带入多层反射理论模型，得到样品的理论频域谱信号后对其进行反傅里叶变换，从而得到样品信号时域的理论值，并与实验测得的样品信号做比较，采用优化算法进行寻优，直到理论计算结果与实验测量结果一致，各层厚度值即为被检测厚度的结果；本发明可为热障涂层厚度的准确、无损、快速检测提供一种新的方法。

Description

基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测 方法

技术领域

本发明及一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，属于热障涂层的无损、快速检测技术领域。

背景技术

热障涂层厚度的无损检测与评估对航空发动机叶片健康状态监测及寿命评估，进而保障军用飞机的飞行安全具有重要的战略意义，是当前亟待解决的关键问题。

目前可用于热障涂层厚度检测与评估的方法有金相、电化学阻抗谱、荧光光谱、超声、射线、红外、微波、声发射、涡流、太赫兹、电容等。金相法简单直观，但属于有损检测。

电化学阻抗谱和荧光光谱多用于热障涂层失效机理研究；有学者采用超声波进行热障涂层的无损检测，然而常规超声法需要耦合剂，不便于自动化检测；也有采用声发射法进行热障涂层的无损检测，声发射法属于动态监测方法，因此检测时需要施加载荷；还有采用射线进行热障涂层的无损检测，但是X射线会危害人体健康，因而不是工程应用的首选技术。

另外也有采用红外法进行热障涂层的无损检测，但当前热障涂层红外热检测研究存在问题：

(1)急需开发高效热激励手段，并开展热激励能量与材料微观组织结构相互作用机理；

(2)高分辨率红外热像仪的图像分辨率仍有待提高；

(3)通常在被测时间表面涂黑色吸热涂层以提高灵敏度。微波检测技术也被用来进行热障涂层的无损检测，虽然微波法可以测量氧化物厚度，但需要预先测量尖晶石和孔隙率。

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：

(1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到幅度和相位信息；

(2)太赫兹辐射对陶瓷、塑料、干木片等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量控制；

(3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测；

(4)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰；

(5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。

由于太赫兹波对陶瓷等材料的高透射性，因此可以很好的保证应用太赫兹波进行陶瓷层的厚度检测，此外基于多层样品与太赫兹波的相互作用模型考虑了表面粗糙度造成的影响，且仅需获取一个信号即可实现热障涂层的厚度检测，无需标准试件，可以同时检测多个参数，可以快速精确的进行热障涂层厚度的检测。

金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部反射。当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，因此，建立热障涂层多层反射模型需要考虑金属粘结层的表面粗糙度的影响。

当陶瓷等镀层材料喷涂在金属粘结层表面时，因为太赫兹波对陶瓷这类材料的透射率相对较高，对金属具有强反射特性，仍可以进行金属粘结层上的陶瓷层厚度的检测和评估，并且太赫兹波用于热障涂层厚度的检测具有无损、非接触、快速等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，能够解决目前热障涂层厚度检测准确性较差的问题，以及克服传统方法测量精度低、需要大量实验数据及只能进行单一参数测量等缺点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，包括以下步骤：

1)使用太赫兹时域光谱检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的热障涂层反射的信号，作为时域的参考信号和样品信号，对参考信号做傅里叶变换，得到参考的频域谱信号，将其作为太赫兹入射频域谱信号，所测样品信号作为实验值；

2)建立太赫兹波与多层样品相互作用的太赫兹多层反射理论模型；

3)不断改变热障涂层中各层的厚度值，带入步骤2)建立的太赫兹多层反射理论模型，计算其输出结果，得到样品的理论频域谱信号，然后做反傅里叶变换，得到样品信号时域的理论值，并与实验测得的样品信号做比较，采用优化算法进行寻优，直到理论计算结果与实验测量结果一致，此时的各层厚度值即为被检测厚度的结果。

所述步骤2)包含以下步骤：

21)理论模型的建模过程从单层开始，应用Rouard等效界面理论和电磁波在多层媒质中的传播规律建立等效反射系数模型，通过电磁波在单层媒质中的传播规律，确定单层媒质的等效反射系数；

22)对于双层结构，可视为在底层上叠加了一层，将底层等效为一个具有步骤21)所述的单层等效反射系数的界面，并应用Rouard等效界面理论，建立双层结构的等效反射系数；

23)以此类推，对于l层多层结构，可视为在底层上叠加了l-1层，应用Rouard等效界面理论，从底层开始，依次将底层第l层、第l-1层…等效为具有等效反射系数的界面，利用等效反射系数来表示电磁波在多层媒质中的传播规律，从而将多层结构等效为可利用多个等效反射系数来描述的单层，其中等效反射系数随着层数l变化而变化，最终获得多层结构的等效反射系数模型。

建立理论模型时考虑界面粗糙度的影响：建模时根据粗糙面反射的信号与镜面反射信号之间的关系对反射系数进行修正，使其包含粗糙度参数的影响，使步骤2)建立的太赫兹多层反射模型更加符合热障涂层的实际情况，以获得准确的理论模型。

所述的步骤1)的样品信号只需做一次样品信号测定，即可同时获取多个参数，且对参数预测的准确性非常高。

与现有的检测方法相比，本发明具有以下优点：

采用基于解析模型的方法进行热障涂层多层厚度的检测，在建模时考虑了界面粗糙度的影响，使得所建立的模型更准确；

在进行热障涂层厚度检测时，仅需进行一次信号测量即可实现热障涂层的厚度检测，无需标准试件和标定，而且可以同时检测多个参数，准确性高。

附图说明

图1为太赫兹波与单层样品相互作用示意图；

图2为太赫兹波与双层样品相互作用示意图；

图3为太赫兹波与双层样品相互作用等效为单层样品示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，包含以下步骤：

1)使用太赫兹时域光谱检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的热障涂层反射的信号，作为时域的参考信号和样品信号，对参考信号做傅里叶变换，得到参考的频域谱信号，将其作为太赫兹入射频域谱信号，所测样品信号作为实验值；

2)建立太赫兹波与多层样品相互作用的太赫兹多层反射理论模型；

根据电磁波与物质的相互作用原理，电磁波垂直入射到介质1和介质2界面上时将发生透射和反射，透射系数t₁₂与反射系数r₁₂与介质1和介质2的复折射系数分别由公式(1)和公式(2)定义

如图1所示，为太赫兹波在空气中传输过程中垂直入射到厚度为d、折射系数为的介质1后，太赫兹波在材料中经过多次透射和反射后的传输过程示意图；此时经过介质1反射后的电场强度E₁、E₂、E₃…E_n的表达式为

E₁(ω)＝r₀₁E₀(ω) (3)

公式中，E₁、E₂、E₃…E_n分别为反射信号的首个反射峰、第二、第三…第n个反射峰的电场强度。d₁是介质1的厚度，是介质1的复折射率，c＝3×10⁸m/s,为真空中的光速，并且t₀₁、t₁₀和r₀₁、r₁₂、r₁₀分别是菲涅耳透射系数和菲涅耳反射系数；其中r₁₀＝-r₀₁，r² ₀₁+t₀₁+t₁₀＝1；

经过介质1反射后的太赫兹信号由电场强度E₁、E₂、E₃…E_n的所有项之和来描述，E_n(ω)是递降等比级数，假设反射光束趋向于无穷多，则经过介质1反射的样品频域信号为

所以单层介质的等效反射系数为

如图2所示，为太赫兹波在空气中传输过程中垂直入射到厚度为d₁、折射系数为的介质1后再垂直入射到厚度为d₂、折射系数为的介质2，太赫兹波在双层结构材料中经过多次透射和反射后的传输过程示意图；

双层结构可以看作是在底层上叠加一层，如图3所示，将界面Ⅱ和Ⅲ等效为Ⅱ,用底层的等效反射系数r_eq来替换r₁₂，此时经过双层结构材料多次透射和反射的电场强度表达式为

E₁(ω)＝r₀₁E₀(ω) (9)

经过介质1和介质2反射后的太赫兹信号由电场强度E₁、E₂、E₃…E_n的所有项之和来描述，则经过介质1和介质2反射的样品频域信号为

公式(7)中，是底层的等效反射系数；

所以双层结构的等效反射系数为

以此类推，对于l层多层结构，可视为在底层上叠加了l-1层，应用Rouard等效界面理论，从底层开始，依次将底层第l层、第l-1层…等效为具有等效反射系数的界面，利用等效反射系数来表示电磁波在多层媒质中的传播规律，从而将多层结构等效为可利用多个等效反射系数来描述的单层，其中等效反射系数随着层数l变化而变化，最终获得多层结构的等效反射系数模型

将等效反射系数理论模型和频域脉冲太赫兹入射信号的相乘得到多层样品理论频域谱信号，

3)太赫兹波入射到光滑的平面会产生镜面反射，而入射到粗糙的反射面时，则会产生漫反射，此时在镜面反射位置检测到的反射信号幅值将变小，粗糙面反射的信号与镜面反射信号之间的关系可以由Kirchhoff近似关系描述：

其中R_smooth是光滑平面的镜面反射信号，R_rough是粗糙平面的在镜面反射方向的反射信号，δ是粗糙面的均方根粗糙度，λ是用于检测热障涂层厚度的电磁波的波长；从公式(18)可以看出，R_rough和R_smooth具有确定的函数关系式：

方程中(15)和(16)中的反射系数r_l-1，l，r_l，l+1和r₀₁是镜面反射的反射系数，所以用式(19-21)来修正反射系数r_l-1，l，r_l，l+1和r₀₁，使其包含粗糙度参数的影响，使步骤2)建立的太赫兹多层反射模型更加符合热障涂层的实际情况，以获得准确的理论模型。

其中，δ_l-1，δ_l和δ₁分别是介质l-1/介质l、介质l/介质l+1、air/介质1界面的均方根粗糙度，λ是用于检测热障涂层厚度的电磁波的波长；

方程式(15)和(16)的修正结果分别为

将修正后的等效反射系数带入式(16)，得到多层样品的理论频域谱信号。

4)不断改变热障涂层中各层的厚度值，带入步骤2)建立的太赫兹多层反射理论模型，计算其输出结果，得到样品的理论频域谱信号，然后做反傅里叶变换，得到样品信号时域的理论值E_tehory(t)，并与实验测得的样品信号E_sample(t)做比较，采用优化算法进行寻优，直到理论计算结果与实验测量结果一致，此时的各层厚度值即为被检测厚度的结果。

本专利提出的方法是基于解析模型对热障涂层的厚度进行检测，方法的准确性主要受模型准确性的影响，因此在建模时考虑了界面粗糙度的影响，使得所建立的模型更准确、更贴近实际情况，在进行热障涂层厚度检测时，仅需进行一次信号测量即可实现热障涂层的厚度检测，无需标准试件和标定，而且可以同时检测多个参数，准确性高。此外本专利的方法不只可以进行多层厚度检测，还可以对每层的光学参数进行检测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用太赫兹时域光谱检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的热障涂层反射的信号，作为时域的参考信号和样品信号，对参考信号做傅里叶变换，得到参考的频域谱信号，将其作为太赫兹入射频域谱信号，所测样品信号作为实验值；

2)建立太赫兹波与多层样品相互作用的太赫兹多层反射理论模型；

3)不断改变热障涂层中各层的厚度值，带入步骤2)建立的太赫兹多层反射理论模型，计算其输出结果，得到样品的理论频域谱信号，然后做反傅里叶变换，得到样品信号时域的理论值，并与实验测得的样品信号做比较，采用优化算法进行寻优，直到理论计算结果与实验测量结果一致，此时的各层厚度值即为被检测厚度的结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，其特征在于：所述步骤2)包含以下步骤：

21)理论模型的建模过程从单层开始，应用Rouard等效界面理论和电磁波在多层媒质中的传播规律建立等效反射系数模型，通过电磁波在单层媒质中的传播规律，确定单层媒质的等效反射系数；

22)对于双层结构，可视为在底层上叠加了一层，将底层等效为一个具有步骤21)所述的单层等效反射系数的界面，并应用Rouard等效界面理论，建立双层结构的等效反射系数；

23)以此类推，对于l层多层结构，可视为在底层上叠加了l-1层，应用Rouard等效界面理论，从底层开始，依次将底层第l层、第l-1层…等效为具有等效反射系数的界面，利用等效反射系数来表示电磁波在多层媒质中的传播规律，从而将多层结构等效为可利用多个等效反射系数来描述的单层，其中等效反射系数随着层数l变化而变化，最终获得多层结构的等效反射系数模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，其特征在于：

建立理论模型时考虑界面粗糙度的影响：建模时根据粗糙面反射的信号与镜面反射信号之间的关系对反射系数进行修正，使其包含粗糙度参数的影响，使步骤2)建立的太赫兹多层反射模型更加符合热障涂层的实际情况，以获得准确的理论模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱技术的热障涂层多层厚度检测方法，其特征在于：所述的步骤1)的样品信号只需做一次样品信号测定，即可同时获取多个参数，且对参数预测的准确性非常高。