CN114609189B - 一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法，属于红外无损检测技术领域。该方法通过对材料进行微波加热，在恒定输出功率下，材料达到了温度平衡后，对材料进行红外温度检测；然后通过已知的材料电磁参数、输出功率，结合电磁波的多层反射理论，完成对缺陷深度信息的提取。本方法对缺陷深度信息检测更为精确，同时具有检测方式简便。
Description
技术领域
本发明属于红外无损检测技术领域，具体涉及一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法。
背景技术
在当今的军事航空领域，对飞行器的隐身性能要求越来越高。飞行器隐身的主要实现途径之一就是通过在飞行器的金属机身表面制备可吸收电磁波的表面涂层，因此，涂层质量的优劣对飞行器的隐身性能就起着决定性作用。飞行器表面涂层在制造过程中，由于工艺的限制，不可避免的会产生缺陷，通过对缺陷深度的准确测量，可以快速地评估缺陷对飞行器隐身性能的影响，用以判断是否对缺陷的修复。因此，如何在生产制备的过程中无损、准确、快速的进行缺陷检测就显得至关重要。
针对于金属表面涂层缺陷检测的需求，现有的检测技术主要有微波致热红外成像缺陷检测和脉冲红外热成像缺陷检测这两种。微波致热红外成像缺陷检测方法，在李知伦的论文《基于微波致热红外热成像的额材料缺陷检测技术》中，所使用的缺陷检测原理是使用微波作为热源，对材料进行加热，通过使用红外热成像技术对材料表面温度信息进行提取并成像，由于缺陷会导致表面温度不均匀，通过热成像图就可以识别和查找缺陷。但该方法对于缺陷的深度信息并不能准确获取，只能通过拟合的方式来近似估计。脉冲红外热图像缺陷检测方法，在唐庆菊的论文《SiC涂层缺陷的脉冲红外热波无损检测关键技术研究》中，所使用的缺陷检测原理是使用光脉冲源作为热源，对材料进行脉冲加热，材料表面会进行一个快速的升温和降温的过程，不同涂层厚度，其升温和降温过程中的温度信息是不同的，通过提取表面温度信息来区别不同涂层厚度区域，进而实现对涂层厚度不均匀性的判定。但该方法是通过材料表面温度变化趋势在缺陷出的不同来识别和检测缺陷的，该检测方法由于是基于材料的变温过程，这将导致检测的重复性较差。
现阶段金属表面涂层的缺陷检测技术，主要实现了对缺陷的识别、成像，但无法准确提取缺陷深度信息的检测。因此，如何准确实现金属表面涂层缺陷深度的检测就成为当前无损检测方法的重要研究热点之一。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法。该方法通过对材料进行微波加热，在恒定输出功率下，待材料达到了温度平衡后，对材料进行红外温度检测；然后通过已知的材料电磁参数、输出功率，结合电磁波的多层反射理论，完成对缺陷深度信息的提取，同时本发明方法具有检测方式简便、准确率高的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法，包括以下步骤：
步骤1.对表面附着涂层的金属材料进行微波加热，在恒定输出功率下，待金属材料达到温度平衡后，进行红外温度检测，获取金属材料的表面绝对温度；
步骤2.基于步骤1测量得到的表面绝对温度，计算金属材料表面的反射率，具体计算公式为：
其中，C为比热容，A为有效换热面积，T为金属材料表面绝对温度，Tamb为与材料接触的空气温度，S为加热材料的体积，η0是自由空间的本征阻抗，ΔS是加热材料进行热交换表面积，Ei0为入射电磁波电场强度，
是材料表面反射率；
步骤3.由已知的材料电磁参数、材料表面的反射率，使用电磁波的多层反射理论，计算得到材料的缺陷深度，具体计算公式为：
基于电磁波的多层反射理论得到的反射系数与缺陷深度的关系是如下：
Erm是反射波电场强度，EI是入射波电场强度，ηr为材料的本征阻抗，X为中间物理量，具体为：
其中，γ为材料的本征阻抗，γ0为空气的本征阻抗，d1为金属材料表面涂层的厚度，d0为缺陷上表面到涂层表面的厚度；
将步骤2中得到的材料表面反射率
和材料已知的电磁参数带入(2)式中，得到X值，再将X值带入(3)式中，采用二分法求解得到d0的值，则缺陷的深度为d1-d0。
进一步的，步骤1中金属材料达到温度平衡一般为温度在30秒内不变化视为达到平衡，这是因为使用微波对材料进行加热过程中，材料有一个升温过程，需要等温度稳定后再对材料进行温度测量，此时测量的温度才是有效值。
进一步的，材料的耗散能量近似为材料的热辐射，其它形式的能量耗散形式忽略不计。
进一步的，微波制热使用的微波源，应满足其辐射的电磁波，在到达吸波材料表面时为均匀平面波。
进一步的，材料电磁参数包括相对介电常数ε和相对磁导率μ。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明在理论上进行了推导，明确了材料缺陷深度和材料表面温度的关系，并且实现了对材料表面某一点温度的红外检测，来获取材料该点处缺陷深度的检测；而其它微波致热红外无损检测方法，是仅仅是将微波作为热源，材料缺陷深度和材料表面温度的关系是通过测试数据拟合得到的，两者之间的关系并不明确，且对缺陷的深度信息，并不能进行有效提取。因此，相比较于现有其它微波致热红外无损检测方法，本方法对缺陷深度信息检测更为精确。
2.由于本方法是针对于恒温过程中材料的缺陷深度检测，在进行重复实验时，可以精确地控制每次实验达到的温度，使得每次重复实验具有很好的一致性；而脉冲红外热图像缺陷检测方法所使用的是根据材料在受到脉冲加热时快速升温和降温的变温信息，来实现缺陷的检测，这将导致重复实验时，因为其它的系统误差，很容易导致每次的变温信息不一致。因此，本发明方法具有可重复性高的优点。
附图说明
图1为本发明缺陷深度信息提取方法的模型示意图。
图2为本发明缺陷深度信息提取涉及的电磁波多层反射理论模型示意图。
图3为本发明实施例1在不同缺陷深度下检测的表面温度。
图4为本发明实施例1中d0＝1mm时的二分法求解示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法，该方法的模型示意图如图1所示，金属板上覆盖厚度为H1的吸波涂层材料，微波源在一定距离向存在缺陷的吸波涂层材料发射微波，缺陷深度为H2，由于距离的存在，检测表面的微波可以等效为均匀平面波；同时，在这一过程中，对微波致热缺陷检测模型进行简化处理，即只将缺陷处能量纵向传播纳入计算，对于缺陷处能量的横向传播不予考虑，这种简化是合理的，且会极大简化缺陷深度算法，下文详细说明。
在该模型下，缺陷深度信息提取方法包括以下步骤：
步骤1.对表面附着涂层的金属材料进行微波加热，在恒定输出功率下，待金属材料达到温度平衡后，对材料进行红外温度检测，获取金属材料的表面绝对温度；
步骤2.基于步骤1测量得到的表面绝对温度，计算金属材料表面的反射率，具体过程为：
金属材料表面绝对温度与反射率关系是通过分析材料升温至温度恒定后材料吸收能量和耗散能量关系而得到的。其中材料的吸收能量，是与材料反射率和透射率相关；材料的耗散能量，与其能量耗散形式有关，当温度稳定之后，材料所吸收能量的耗散主要有三种形式：热传导、热对流和热辐射，其表达式如下：
Q(r,t)＝-kS▽T(r,t) (1)
Qconv＝-h(T-Tamb) (2)
Qrad＝CA[(T)4-(Tamb)4] (3)
Q2＝Q(r,t)+Qconv+Qrad (4)
其中，k是玻尔兹曼常量，S是加热材料的体积，T为材料表面绝对温度，Tamb为与材料接触的空气温度，C为比热容，A为有效换热面积，h为对流传热热导，Q(r,t)为热传导能量密度，Qconv为热对流能量密度，Qrad为热辐射能量密度，Q2为材料总的耗散能量。
由表达式(4)可知，Q2材料总的耗散能量由三部分组成，第一部分Q(r,t)表示的是材料热传导，由于缺陷处的材料表面温度与环境温度的温差远远大于缺陷处材料表面温度与无缺陷处材料表面温度的温差，因此对于缺陷处能量的横向传播不予考虑的这种模型简化是合理的；第二部分为Qconv为热对流，由于整个测试系统在一个较为封闭空间进行，这个系统中的对流系数不大，且远小于热辐射的四次幂，故可以忽略材料的热对流。因此，在本发明方法中将材料的耗散能量近似为材料的热辐射，而热传导和热对流忽略不计。
材料表面反射率与材料的吸收能量之间的关系为下式：
其中，Q1为微波致热过程中对吸波材料辐射的电磁波能量，
是材料表面反射率，
是材料的整体透射系数，η0是自由空间的本征阻抗，ΔS是加热材料进行热交换表面积，Ei0为入射电磁波电场强度。由于材料的底部材料为金属，电磁波无法穿透金属，因此
为0。
由能量守恒定律，材料的吸收能量是等于材料的耗散能量，因此有Q1＝Q2；由Q1和Q2的表达式，便得到了材料表面温度与材料表面电磁波反射率的关系，具体计算公式为：
步骤3.由已知的材料电磁参数、材料表面的反射率，使用电磁波的多层反射理论，计算得到材料的缺陷深度，具体过程为：
根据材料反射率反衍缺陷深度方法是根据微波致热缺陷检测简化模型所推导得到的，其简化模型等效为电磁波在多层介质内的传输反射模型，该模型的示意图如图2所示，媒质Ⅲ为空气，对应为缺陷；媒质Ⅳ为金属板，在推导电磁波在多层反射理论中，将其视为理想导体，对电磁波为全反射，无透射波。根据电磁波的多层介质传输反射理论，通过电磁波的边界条件所推导可以得到材料(媒介Ⅱ)表面反射系数与缺陷(媒介III)深度的关系表达式，具体计算公式为：
Erm是反射波电场强度，EI是入射波电场强度，ηr为材料的本征阻抗，X值为：
其中，γ为材料的本征阻抗，γ0为空气的本征阻抗，d1和d0分别为不同媒质的深度(如图2所示)。
将步骤2中得到的材料表面反射率
和材料已知的电磁参数带入公式(7)中，得到X值，再将X值带入(8)式中，采用二分法求解得到d0的值，则缺陷的深度为d1-d0，d1为金属材料表面涂层的厚度。
实施例1
一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法，在COMSOL仿真软件中建立如图1的模型，在该模型中，模型分为金属底板和带缺陷的涂层，金属底板尺寸为40mm*40mm*2mm，金属底板上一层是带缺陷的涂层，尺寸为40mm*40mm*2mm，同时设置了待测材料表面涂层的基本传热学参数，材料的导热系数k为0.5W/(m·K)，密度ρ为1117kg/m3，恒压热容C为550J/(kg·K)，相对介电常数ε为14+0.59i，相对磁导率μ为2.2+1.6i。此外，将激励设置为周期激励，边界条件设置为周期边界条件，以实现均匀电磁波在材料中的多层反射这个物理过程。为了有效论证本发明的准确性，在仿真模型中设置了四组不同深度缺陷的对照组，缺陷深度H＝d1-d0，设置四组不同深度缺陷分别为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm。
使用仿真模型，实现微波致热和电磁波多层反射理论对缺陷深度信息提取的步骤如下：
步骤1.设置恒定微波功率源，对材料进行加热，等待材料表面温度稳定，获取材料表面温度。通过仿真结果，得到了每组缺陷材料升温和恒温的温度曲线图，如图3所示。为准确计算材料表面反射率，必须等到温度稳定阶段的温度值，通过图3可以读取不同缺陷深度材料在温度稳定阶段的表面温度值，其温度值如表1所示。
步骤2.通过测量得到的表面温度，计算材料表面的反射率。将步骤1中得到的材料表面温度，以及材料的参数带入(6)式中，求解得到材料表面的反射率，不同缺陷深度材料求得的反射率如表1所示。
步骤3.由已知的材料电磁参数、材料表面的反射率，使用电磁波的多层反射理论，计算得到材料的缺陷深度。将步骤2中得到的材料表面反射率和材料设定的传热学参数，带入(7)式中，得到X值，再将X值带入(8)式中，可求得d1的值，缺陷深度的值为d1-d0。其中，(8)式为超越方程，只存在数值解，故使用二分法对(8)式求解，方法如下：
令：x＝d1，带入(8)式中，得到下式：
将(9)式进行整理，可得到如下函数关系F(x)：
F(x)＝[ηr(1-X)+(1+X)]s11-[ηr(1-X)-(1+X)] (10)
对缺陷深度为1mm的材料进行二分法计算的过程，如图4所示，F(x)在区间(a,b)连续，且F(a)F(b)＜0通过不断地把F(x)的零点所在的区间一分为二，使区间的两个端点逐步逼近零点，进而得到零点近似值。
然后对具有不同反射率和厚度的材料进行数值计算，可以得到不同缺陷深度材料的缺陷深度值，所计算得到的结果如表1所示。
表1
| 模拟缺陷深度(mm) | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 |
| 表面温度(℃) | 67.1 | 65.9 | 63.7 | 59.88 |
| 表面反射率(dB) | -21.3 | -14.31 | -10.21 | -7.4 |
| 计算缺陷深度(mm) | 0.199 | 0.395 | 0.598 | 0.801 |
| 绝对误差(％) | 0.50 | 1.25 | 0.33 | 0.13 |
通过误差计算，可以知道，所设置的4组不同缺陷深度材料，通过本发明所提出的缺陷深度信息提取方法，计算得到的误差都控制在百分之二以内，表明本发明方法针对具有涂层的金属材料的涂层缺陷深度测量具有优异的准确性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (4)
1.一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.对表面附着涂层的金属材料进行微波加热，在恒定输出功率下，待金属材料达到温度平衡后，进行红外温度检测，获取金属材料的表面绝对温度；
步骤2.基于步骤1测量得到的表面绝对温度，计算金属材料表面的反射率，具体计算公式为：
其中，C为比热容，A为有效换热面积，T为金属材料表面绝对温度，Tamb为与材料接触的空气温度，S为加热材料的体积，η0是自由空间的本征阻抗，ΔS是加热材料进行热交换表面积，Ei0为入射电磁波电场强度，
是材料表面反射率；
步骤3.由已知的材料电磁参数和材料表面的反射率，并基于电磁波的多层反射理论，计算得到材料的缺陷深度，所述材料电磁参数为相对介电常数ε和相对磁导率μ；
具体计算公式为：
基于电磁波的多层反射理论得到的反射系数与缺陷深度的关系如下：
Erm是反射波电场强度，EI是入射波电场强度，ηr为材料的本征阻抗，X为中间物理量，具体为：
其中，γ为材料的本征阻抗，γ0为空气的本征阻抗，d1为金属材料表面涂层的厚度，d0为缺陷上表面到涂层表面的厚度；
将步骤2中得到的材料表面反射率
和材料已知的电磁参数带入(2)式中，得到X值，再将X值带入(3)式中，采用二分法求解得到d0的值，则缺陷的深度为d1-d0。
2.如权利要求1所述的缺陷深度信息提取方法，其特征在于，步骤1中金属材料达到温度平衡为温度在30秒内不变化视为达到平衡。
3.如权利要求1所述的缺陷深度信息提取方法，其特征在于，材料的耗散能量近似为材料的热辐射，其它形式的能量耗散形式忽略不计。
4.如权利要求1所述的缺陷深度信息提取方法，其特征在于，微波制热使用的微波源，应满足其辐射的电磁波，在到达吸波材料表面时为均匀平面波。
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