基于Welch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本文提出一種基于Welch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢測(cè)方法。該方法利用超聲顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行全波采集，對(duì)于每一個(gè)掃查點(diǎn)獲取的涂層上表面反射回波以及涂層下表面n次反射回波所混疊的超聲A掃信號(hào)，利用聚焦探頭的脈沖持續(xù)時(shí)間去除A掃信號(hào)中的涂層上表面回波信號(hào)，得到涂層下表面n次反射回波的信號(hào)，聲束反射透射傳播原理如附圖所示。然后對(duì)n次反射回波信號(hào)進(jìn)行Welch法譜估計(jì)，在Welch功率譜上讀取各個(gè)極大值對(duì)應(yīng)的頻率，結(jié)合涂層的聲速計(jì)算得到涂層的厚度，并將厚度值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的顏色來(lái)表征。最后依次計(jì)算得到各掃描點(diǎn)的厚度值，并用對(duì)應(yīng)顏色表示，便可形成用于涂層厚度均勻性的評(píng)估C掃描成像圖。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)量速度快，適用于涂層的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于WeIch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢測(cè)方法 一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出的是一種基于Welch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢測(cè)方法， 屬于材料超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)【技術(shù)領(lǐng)域】。 二、

【背景技術(shù)】
[0002] 表面涂層工藝廣泛應(yīng)用于航空航天、信息電子、醫(yī)藥以及其他制造業(yè)，表示涂層中 的厚度及其均勻性直接影響到涂層性能的好壞。因此，對(duì)工件涂層加工的質(zhì)量快速準(zhǔn)確無(wú) 損檢測(cè)是非常有必要的。
[0003] 目前，利用超聲波法檢測(cè)涂層厚度主要包括超聲脈沖回波、超聲表面波這兩種技 術(shù)。利用超聲脈沖回波測(cè)量涂層厚度主要是基于干涉原理的各種超聲頻譜分析方法，如N. F Haines等的論文"The application of broadband ultrasonic spectroscopy to the study of layered media"中獲得了鋼表面腐蝕層的聲壓反射系數(shù)系數(shù)譜和相位譜的諧振 頻率并進(jìn)而確定了腐蝕層的厚度，專(zhuān)利（林莉，胡志雄等.基于聲壓反射系數(shù)自相關(guān)函數(shù)的 薄層厚度超聲檢測(cè)方法[P].申請(qǐng)?zhí)枺?01310036748,2013.)中利用自相關(guān)函數(shù)對(duì)鋁質(zhì)薄層 試樣進(jìn)行超聲測(cè)厚，專(zhuān)利（雷明凱，林莉等.一種超聲信號(hào)頻譜濾波技術(shù)無(wú)損測(cè)量涂層厚度 的方法[P].申請(qǐng)?zhí)枺?01310577801,2013)利用聲壓反射系數(shù)法結(jié)合頻譜濾波技術(shù)得到涂 層厚度，但上述超聲測(cè)量方法受到上表面回波信號(hào)的干擾及其頻譜分析方法的限制，某些 情況下在頻譜圖上并不能準(zhǔn)確獲得諧振頻率。利用超聲表面波技術(shù)檢測(cè)涂層厚度，主要是 依據(jù)聲波在涂層中的頻散方程，通過(guò)測(cè)量涂層相速度頻散曲線，然后結(jié)合反演技術(shù)計(jì)算涂 層厚度，由于涂層厚度多在數(shù)十微米至百微米級(jí)，因此所需激發(fā)的表面波頻率多在40MHz- 200MHz范圍，目前多借助激光來(lái)激發(fā)，然而由于光聲轉(zhuǎn)換效率低、回波信號(hào)弱及檢測(cè)靈敏度 低等因素限制其引用。而且迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)有對(duì)于涂層厚度均勻性檢測(cè)的相關(guān)研宄。 三、


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供了一種基于Welch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢 測(cè)方法，可以用于涂層厚度及其均勻性的快速、準(zhǔn)確測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于Welch法譜估計(jì)的涂層厚度超聲測(cè)量方法，包括 超聲檢測(cè)裝置、水浸聚焦探頭、涂層試樣、驅(qū)動(dòng)裝置、高頻示波器以及計(jì)算機(jī)組成的超聲顯 微掃查系統(tǒng)。采用的測(cè)量步驟如下：
[0006] (1)首先根據(jù)公式1計(jì)算得到探頭與試樣的距離dw，然后將聚焦探頭置于試樣上 表面，并保證探頭主聲束軸線與試樣表面處置，調(diào)節(jié)探頭與試樣上表面的距離至dw，公式 1：
[0007] dwb= df-(CT/Cw)t
[0008] 式中：dwb表示探頭與表面的距離，Ct為基底聲速，Cw為水中聲速，t為集體厚度，df 為探頭焦距。
[0009] (2)利用超聲顯微系統(tǒng)向涂層試樣垂直發(fā)射縱波，并利用高頻示波器采集涂層某 一點(diǎn)的上表面反射回波和下表面η次回波混疊所形成的A掃信號(hào)。
[0010] (3)根據(jù)所采用聚焦探頭的脈沖持續(xù)時(shí)間，去除（2)采集到的A掃波形的上表面回 波，得到下表面η次回波信號(hào)。
[0011] (4)將所述（3)中的η次回波信號(hào)χΝ(η)代入公式2,得到涂層試樣的Welch功率 譜，公式2:
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于Welch法譜估計(jì)的超薄涂層厚度均勻性無(wú)損檢測(cè)方法，包括超聲檢測(cè)裝 置、水浸聚焦探頭、涂層試樣、驅(qū)動(dòng)裝置、高頻示波器以及計(jì)算機(jī)組成的超聲顯微鏡系統(tǒng)，其 特征是：所述方法采用的測(cè)量步驟如下： (1) 首先根據(jù)公式1計(jì)算得到探頭與試樣的距離dw，然后將聚焦探頭置于試樣上表面， 并保證探頭主聲束軸線與試樣表面處置，調(diào)節(jié)探頭與試樣上表面的距離至dw，公式1 : dwb=df-(CT/Cw)t 式中：dwb表示探頭與表面的距離，Ct為基底聲速，Cw為水中聲速，t為集體厚度，dfS探頭焦距。 (2) 利用超聲顯微系統(tǒng)向涂層試樣垂直發(fā)射縱波，并利用示波器采集涂層某一點(diǎn)的上 表面反射回波和下表面η次回波混疊所形成的A掃信號(hào)。 (3) 根據(jù)所采用聚焦探頭的脈沖持續(xù)時(shí)間，去除（2)采集到的A掃波形的上表面回波， 得到下表面η次回波信號(hào)。 (4) 將所述（3)中的η次回波信號(hào)χΝ(η)代入公式2,得到涂層試樣的Welch功率譜， 公式2 :
式中：Pp"(f)表示試樣的Welch功率譜，L表示數(shù)據(jù)分成的段數(shù)，M表示每一段的數(shù)據(jù) 長(zhǎng)度，U表不歸一化因子，d2 (η)表不漢明窗。 (5) 由公式3可知，Ppot(f)圖上會(huì)出現(xiàn)極大值，其對(duì)應(yīng)的頻率與涂層厚度相關(guān)。在（4) 中求取的Ppw (f)中讀取兩個(gè)相鄰極大值對(duì)應(yīng)的頻率f\、f2,并計(jì)算得到Δf(Δf= 。 公式3 :
(6) 將（5)中計(jì)算得到的Af和涂層聲速(：2代入公式3便可求得涂層某一點(diǎn)的厚度d。 公式3 :
(7) 利用超聲顯微掃查系統(tǒng)C掃描采集得到涂層試樣的全波數(shù)據(jù)，然后根據(jù)（1)?（6) 所述Welch法譜估計(jì)方法編寫(xiě)的數(shù)據(jù)后處理程序得到對(duì)應(yīng)涂層的厚度分布C掃圖，利用離 散的顏色值表示不同的厚度范圍，用于評(píng)估涂層厚度的均勻性。
【文檔編號(hào)】G01B17/02GK104457635SQ201410529279
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】徐春廣, 林祺, 閻紅娟, 楊超, 肖定國(guó), 周世圓 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)