一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法与流程

本发明涉及一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法，属于材料超声无损检测技术领域。

背景技术：
涂层材料已广泛应用于航空航天、油气输送、汽车制造及生物医学工程等诸多领域，在工程技术领域中占有愈来愈重要的地位。在表征涂层性能的一系列指标中，厚度不但是表征涂层自身几何尺寸的一个参量，而且对涂层的性能及寿命均有很大影响，涂层厚度达不到或超过设计值都无法达到预定效果，而且厚度过大或不均匀还可能降低其结合强度和使用寿命，引起涂层塑性变差甚至导致涂层局部剥落。因此，对厚度进行准确测量已成为保证涂层性能的重要手段。现有的涂层测厚技术中，超声脉冲回波技术由于具有原理明确、实现简单、非破坏性以及适用范围广等优点，已被广泛应用于层状介质材料的厚度测量之中。当涂层厚度较大，涂层表面波和界面回波不发生混叠时可以通过传统的超声渡越时间法对其厚度进行测量；当涂层厚度较薄，超声波在涂层中的传播时间小于其脉冲宽度时，涂层表面波和界面波将会发生混叠，超声渡越时间法已不再适用。通过声压反射系数幅度谱分析方法(URCAS)将时域信号变换到频域进行处理可以有效解决这一问题。然而，在超声测厚过程中发现，无论是超声渡越时间法还是URCAS信号处理方法均要求涂层的声速为已知量，但由于受到工艺参数、涂层非均匀性等因素的影响，涂层的声速往往为未知且在不同位置存在一定的波动。赵扬、林莉等提出采用基于二元非线性方程的高斯-牛顿迭代法进行反演，能够在涂层声速未知的情况下同时确定其厚度和超声声速，该方法具有局部收敛速度快、匹配精度高等优点，但对初始值的选取要求较高，如果初始值选取不当就可能导致只收敛到局部最优解甚至方程不收敛，无法得到反演结果。本发明引入统计学中的相关系数匹配法对涂层试样实测声压反射系数幅度谱和涂层理论声压反射系数幅度谱矩阵在超声检测有效频带范围内逐一进行匹配分析，对应最大相关系数的薄层厚度和声速即为最佳反演结果。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法。本方法采用一套包括超声探伤仪、延迟块探头、数字示波器以及安装MATLAB软件的计算机构成的超声脉冲回波检测系统。针对涂层超声波测厚过程中回波信号混叠、声速未知且在不同工艺参数或非均质条件下存在波动导致涂层厚度无法测量的问题，采用超声脉冲回波技术，结合超声声压反射系数幅度谱分析方法和相关系数匹配法对试样涂层厚度和超声声速同时进行反演。本方法具有原理明确、易于实现、匹配精度高等优点，克服了现有高斯-牛顿反演方法运算复杂、对初始值选取要求较高、难以用于工程应用的局限性，具有良好的推广及应用前景。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声声速未知条件下的涂层厚度测量方法，采用一套包括超超声波探伤仪、延迟块探头、数字示波器以及安装MATLAB软件的计算机构成的超声脉冲回波检测系统；所述测量方法采用下列步骤：(a)试样表面处理使用无水乙醇或丙酮清洗剂对被测涂层试样表面进行处理，清除试样表面存在的油污、有机溶剂污染物，使用细砂纸对试样表面粗糙度较大的位置进行适当打磨，确保试样表面平整，并根据涂层特性选取合适的耦合剂保证延迟块探头与被测涂层试样间的良好耦合；(b)材料属性确定了解被测试样涂层的密度、声衰减系数以及探头延迟块和基底材料的声速、密度材料属性，根据探头延迟块和基底材料的声速和密度计算出各自的声阻抗；(c)超声探头选取根据被测试样涂层厚度、声衰减特性及对检测精度的要求选取合适的延迟块超声探头，对涂层厚度薄、声衰减小、检测精度要求高，选用高频探头提高测厚精度；对涂层厚度大、声衰减严重、检测精度要求低，选用低频探头避免高频衰减严重导致的回波信号无法识别；(d)检测参数设置在超声探伤仪上根据需要设置脉冲重复频率PRF、能量Energy、增益Gain、滤波器带宽检测参数；(e)数据采集依照步骤(a)-(d)完成试样表面进行处理、材料属性确定、探头选取和检测参数设置后，采集一个延迟块时域回波信号作为参考信号，然后将延迟块探头置于被测试样表面，调整数字示波器增益、检波方式、平均次数、采样频率参数，获得完整、稳定的涂层时域检测信号；(f)涂层声压反射系数幅度谱计算将数字示波器采集到的时域信号导入计算机中，利用数据处理软件对其进行FFT变换得到参考信号的幅度谱|A(f)|和检测信号的幅度谱|A(f)|*，根据公式(1)得到有效频带宽度内涂层实测声压反射系数幅度谱|r(f；d,c2)|*：将步骤(b)中获得的材料属性参数代入到公式(2)中得到有效带宽内涂层的理论声压反射系数幅度谱|r(f；d,c2)|：式中，下角标1、2、3分别代表探头延迟块、涂层和基底材料，r12、r23为代表异质材料界面的声压反射系数、d为薄层厚度、c2和α(f)分别为涂层的声速和声衰减系数；(g)相关系数匹配分析通过赋予公式(2)中涂层厚度d和声速c2一系列连续变化值，得到理论声压反射系数幅度谱矩阵作为母体，利用公式(3)对理论计算得到的反射系数幅度谱|r(f)|和实际检测到的反射系数幅度谱|r(f)|*在-6dB有效频带内逐一进行匹配分析，相关系数rp(d,c2)最大位置对应的d与c2即为被测试样涂层厚度与声速的最佳反演结果：其中，N表示时域信号经FFT变换后有效频带范围内的数据点数，下角标i表示第i个频率值；|r(f；d,c2)|与|r(f；d,c2)|*分别为有效频带内理论与实测的声压反射系数幅...