热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究(5)

试件表面凹凸不平时会引起入射声束的散射，其影响比背面不平更甚；

（４）可测的最小厚度取决于所采用的频率，对于钢试件，超声频率为２０ＭＨｚ

时，可测厚度小至０．１３ｒａｍ，频率再提高会因衰减增大而难以形成共振；

由此可见，对于热喷涂涂层，其厚度多在微米量级且涂层上表面粗糙不平，

内部组织成分也不均匀，因此共振法并不适合。

（二）脉冲反射法（即脉冲回波法）

脉冲反射法的原理则是通过测量由换能器产生的超声短脉冲，经过材料厚度

从背面反射，再回到换能器所需的时间来进行的，试件的厚度可用如下的关系式表示：

万＝ｖｔ／２（２—１）

式中万表示试样厚度，ｖ表示声波在试样材料中的传播速度，ｆ表示测得的往返时间【１一

７１。

由声学传播特性可知，在传统超声测厚方法中，当ｈ／旯＜２（元为待测样品

的厚度，五为超声波波长）时，从待测试样上、下表面反射回来的大量信号将会产生混叠现象。因此脉冲反射法也受这个条件的限制，同时此方法的测厚准确度也受材料声衰减和表面粗糙度的影响较大【１８】。

脉冲反射法测量表面涂层厚度主要用于测量细晶结构的金属和非金属（如塑

料、玻璃和陶瓷）材料的厚度，不适合粗晶材料和复合材料厚度的测量。与其他超声测厚方法不同，脉冲反射法不受被测材料几何形状的限制，除了可测平面材料厚度外，还可以测量曲面材料的厚度【ｌ９１。

此外，超声无损测量涂层厚度的方法还有兰姆波法和表面波法。兰姆波法主

要用于测量超薄复合材料喷涂涂层的厚度，且表征精度的影响因素较多［２０】；表面波法受材料表面粗糙度和形状的影响较小，但成本高、操作复杂，因此不常用【２１１。由于实验室条件及课题所选试样的特点，本课题选用脉冲反射法并依据此法的原

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埋对熟喷涂潦层进行超声波无损删厚计算。

２．２超声检测系统介绍

率课题采用的超声检测设备为美国物理声学公司ｆＰｈｙｓｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）生产的Ｕ］ｔｒａＰＡＣＩＩ超声检测仪，图２．２为该系统的实物照片。

该系统是一个可以进行Ａ扫描、Ｂ扫描、ｃ扫描以及Ａ—Ｂ－Ｃ扫描的超声无损检测自动机，由计算机、ＡＤ—ＩＰＲ．１２１０超声脉冲发生／接收卡、步进电机控制膏、三坐标扫描架及信号采集与处理软件等几部分组成。ＡＤ—ＩＰＲ－１２１０是集超声脉冲产生和高频数据采集于一体的集成板卡，它的最高采样频率为ＩＯＯＭＨｚ。

整个系统由超声检测仪器和超声处理分析仪器两部分组成。检测部分是通过电振荡（方波脉冲）加丁二换能器——探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过计算机软件显示出来，从而得到检测信息。通常机电换能器是一种可以将电能转化为机械能，反之办可的装置，对于频率超过２００ＫＨｚ的超声检测，常用压电换能器。检测杆装有聚焦探头，计算机的数据采集软件，可以调节检测参数、移动的速度及采集范围的确定、检测参数的设定、以及采集信号存储。ＡＤ．ＩＰＲ—１２１０超声脉冲产生／接收卡、电机控制卡以及超声脉冲发生／接收卡在工控机内，由工控机内的超声发射接收卡产生脉冲，经过探头及超声发射接收线发射并接收（本试验采用单探头发射接收）．采集的模拟信号通过工控机内的ＡＤ．ＩＰＲ．１２１０超声脉冲产生／接收卡，可以实现超声波信号的数字化．检测的图形显示在计算机显示器上，图形及信号可分别存为图形文件和二进制数据文件【埘。

图２－２Ｌ丌廿ａＰＡＣｎ超声检测系统

支架２水箱３聚焦水浸探头４电源箱５电动机

６超声发射接收线７工控机８显示器

Ｆｉｇ２—２ＵｌｔｒａＰＡＣＩＩｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

Ｂｍｃｋｅｔ２Ｗａｔｅｒｂｌｏｃｋ３Ｆｏｃｕｓｉｎｇｗａｔｅｒ－ｓｏａｋｉｎｇｐｒｏｂｅ４ｐｏｗｅｒｂｏｘ５Ｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｏｒ

６ＵｌｔｒａＳｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｔ－ｒｅｃｅｉｐｔｗｉｒｅ７Ｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅ８Ｓｃｏｐｅ

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北京Ｔ、№大学Ｔ学硕｛：学位论文

通过前面分析表面涂层超声测厚的难点可知，发射接收超卢信号的换能器必

须是高频、宽带的，因为换能器发射的声波频率较高时，超声波的指向性好，而超声波声强与频率平方成正比，较高的频率使能量更集中，有利于收集反射回来的信号。因此本课题选用高频探头做超声换能器，且所选探头既发射一定频率的超声波，又接收反射回波。选用的探头是窄脉冲宽频带平探头，型号是１０Ｃ６Ｎ，中心频率为户１０ＭＨｚ，晶片直径ｄ＝６ｍｍ。

由于表面涂层很薄，相对于超声检测常用的频率范围而言，涂层厚度与超声

波波长之间的比值很小，且由于涂层中存在大量气孔，加之超声波入射到多层异种界面（涂层、基体异质界面）中会产生很强的散射和衰减，导致超声波能量大大降低。因此本课题需采用有效的耦合方式保证超声波入射性好，由于在直接接触法中，机油做耦合剂能使探头与试样间获得良好的接触和均匀的耦合，而且价格相对便宜，适用范围广泛【２３１，因此在探头和试样间选用机油做耦合剂。图２．３即为超声直接接触法检测试样的简单示意图。

探头

耦合剂

涂层

基体

图２．３超声直接接触法检测示意图

Ｆｉｇ．２—３Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｃｏｎｔａｃｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

２．３超声检测信号的数字化实现

众所周知，现实世界的信号都是模拟信号，但是要经过电脑处理的话就必须

转换成数字信号，且数字信号处理起来较模拟信号方便快捷，易于计算机实现。超声回波数字化信号是一串随时间变化的量，它由确定性信号和随机性信号组成，确定性信号的时间函数能用明确的数学关系式表示，随机性信号可采用统计方法分析特征值和选择最佳特征子集【２４１。信号中代表被检物质的相关信息均溶入到随时间变化的因变量中，这些信息主要包括：材料的组织状态，缺陷的分布、大小与类型，微观组织结构的形态、力学性能（强度、韧性、硬度）及应力状态等。

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