热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究(4)

参考大量文献研究分析得到，利用超声技术对热喷涂涂层进行厚度测量的难点主要有以下两方面：一是涂层很薄，其厚度的研究热点集中在微米甚至纳米量级，对于超声检测常用的频率范围而言，薄层厚度与超声波波长之间的比值很小，因此应用于块体材料中的很多检测原理和方法便不再适用，必须探索适合于热喷涂涂层的测厚原理和方法；二是热喷涂涂层的性能与其制备方法、工艺参数和试验条件等多种因素有关，由于没有现成的表征薄层性能的力学、物理等参数指标，从而增加了涂层厚度测量的难度。目前，表面热喷涂涂层超声测厚方法主要是采用高频、宽带换能器或者利用时域、频域等信号处理技术提取表征涂层厚度的有用信息。

近年来随着计算机辅助计算与数字信号处理技术的发展，超声无损检测系统也从模拟向数字化转换。在超声信号的分析处理中，数字信号分析处理技术也有了进一步的发展，例如：（１）信号平均技术：它可以在信号处理过程中忽略个别特殊值，对多个信号取平均值，从而提高信号质量。（２）数字滤波技术：通过低通、高通、带通以及中值滤波等对信号的处理，获得最佳的信号。（３）反卷积：能区分两个很近的信号，提高超声信号分辨率。（４）频谱分析：多用傅立叶变换的方法将信号变换，观察频谱图、相位图等。（５）时频域分析：多用裂谱法、小波分析方法等对超声信号进行分析。在信号特征信息的识别与提取方面有以下技术：（１）模式识别技术：通过分析、判断、归类，识别出事物与哪一个供模仿的标本相似。（２）人工神经网络与专家系统：主要是按照生物神经系统的处理方法处理真实的客观事物，由于人们对于事物的认识有所不同，这个系统的结构功能差别会很大。（３）超声波成像技术：这一技术包括数据采集和图像重建两个过程，是解决定量无损检测的一个最有用途的方法【１４１。因此，在涂层厚度的超声检测过程中，对涂层超声信号进行数字处理技术是一个重要的研究发展方向，也是本课题的主要研究方向。

１．４本文的主要研究内容

本课题研究设想是找到一种适合于测量热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法，以及适于分析涂层超声信号的数字信号处理技术，并对此超声检测方法及其信号处理后计算得到的涂层厚度值进行精确度评价。将超声无损检测涂层厚度的原理、方法与数字信号处理技术相结合，是解决

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热喷涂涂层厚度超卢无损测量与评价的必由之路。本课题是基于超声无损测厚原理、方法和小波分析方法及信号奇异性检测原理等理论研究来开展的，因此主要的研究工作内容如下：

１．通过研究超声波无损测厚的原理和方法，选取适于检测涂层厚度的超声无损检测方法，并在超声检测系统中提取超声Ａ信号；

２．对涂层超声Ａ信号在ＭＡＴＬＡＢ软件中进行时域波形模拟，观察分析在其时域波形中能否提取到与涂层厚度相关的特征有用信息；

３．在小波变换模极大值法检测信号奇异性原理的支持下，选取数字信号处理技术中的小波变换方法对涂层超声Ａ信号进行处理，并求其小波系数的模极大值，分析小波系数的模极大值及其平均值图，从中找到与涂层厚度有关的特征信息，识别涂层与基体界面多次反射回波信号到达的时间，从而计算涂层厚度；，４．将涂层厚度的超声检测计算值与金相测量值进行误差结果分析，并从不

同厚度、不同采样频率、不同信号提取方式、不同小波基的选取四种主要影响因素的角度，分析评价其对超声无损检测方法精确度的影响。

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第２章超声涮哼原理及拎洲方法系统实现

第２章超声测厚原理及检测方法系统实现

上章绪论中提到在涂层无损测厚方面，超声检测方法由于不受被测材料的限

制而被应用广泛，是表面涂层厚度测量的重要研究方向，也是本文的研究方向，因此本章将重点讲述三个有关涂层厚度超声无损检测的内容——超声检测涂层厚度的原理及检测方法；超声检测系统介绍；超声Ａ信号的数字化实现及其数字处理技术介绍。．

２．１超声检测涂层厚度的原理及检测方法

研究超声检测涂层厚度的原理及方法，就要先研究超声声学原理。超声波在

薄层介质中的传播特性情况如图２．１所示，已知空气介质声阻抗为历，薄层介质厚度为五，声速为Ｃ，声阻抗为Ｚ２。当超声波入射到空气／薄层介质界面时，首先在上表面产生一反射回波ｓ（ｆ），由超声换能器接收。根据超声波的反射和透射规律，除反射回波ｓ（ｆ）外，还有一部分超声波进入薄层内继续传播，遇到薄层介质的下表面后，将产生反射回波。如此，超声波每次传播至薄层介质的下表面，就会产生一次层内的反射回波，因此超声换能器可以接收到多次反射回波，如图中所示依次记为ｆｌ（ｔ）、Ｌ（ｔ）…Ａ（ｔ）［１５］ｏ由图所示反射情况可知，接收到的多次反射回波到达时间的差值即为超声波在薄层介质中往返传播一次的时间，也即有关涂层厚度的特征信息，涂层与基体界面处因多次反射回波叠加波形畸变而引起奇异性。

ｓ（ｔ）石（ｆ）ｆ２（ｔ）

ＪＬＪＬＪＬ

毛、ｒ

ＪＪＬＪＬ

Ｚ２ｈ

１ｒ１ｒ１ｒ’ｒ

图２．１超声波在薄层中的传播示意图

Ｆｉｇ．２—１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｔｈｉｎ—ｌａｙｅｒ

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超卢测厚从原理上可分为共振法、脉冲反射法两种。

（一）共振法

用频率在一定范围内连续变换的正弦波电信号激励压电晶片时，晶片向试件

内所发射的声波其频率也是连续变化的。若试件厚度ｄ为声波半波长（ｔ／２）的整数倍，在试件内可形成驻波，试件产生共振，此时ｄ＝ｎ五／２＝ｎｃ以，；ｌ。

式中，ｎ为任意整数，当ｎ＝ｌ时．厶嘲称为基波频率。由公式可见，只要试件

的纵波速度己知，测出两个相邻的共振频率即可得知试件的厚度【１６】。但此法的应用需注意以下事项：

（１）试件相对两面应是平行的；

（２）当试件厚度变化超过２０％或声波半波长时，试件最薄处的ｎ次共振频率

可与最厚处的（ｎ＋１）共振频率重合，故不能测量；

（３）试件背面粗糙时，如经腐蚀过的，在整个频率范围内会产生弱的共振；

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