热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究

无勋检测

北京工业大学

硕士学位论文

热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究

姓名：杜晶晶

申请学位级别：硕士

专业：材料加工

指导教师：李晓延

20080501

无勋检测

摘要

摘要

表面热喷涂涂层厚度的超声测量是涂层质量评价研究的热点之一，也是超声无损测量技术中的难点之一。因此对热喷涂涂层厚度超声无损检测方法的研究是很有意义的。本研究针对涂层超声回波信号在时域内不能识别涂层与基体界面处多次反射回波对应的被探头接收的时间，采用小波变换模极大值法的数字信号处理技术对超声时域信号进行变换和分析，试图从中挖掘出蕴含的有效表征涂层厚度的特征参量信息，并利用特征参量来计算涂层的厚度值，进而评价超声无损检测涂层厚度方法的适用性及其精确度。本课题的研究对象是热喷涂试样的表面喷

。

涂涂层。

本文首先建立了超声波在涂层试样中传播的回波模型，在此基础上分析得到了要提取的表征涂层厚度的特征参量——涂层与基体界面多次反射回波被探头接收的时刻。由于超声波在涂层与基体界面处反射的回波带有奇异性，基于小波变换良好的时频局部分析特性和小波变换模极大值法检测信号奇异点的优势，选用小波变换模极大值法对涂层超声时域信号进行数字信号处理，进而在模极大值图中挖掘有关涂层厚度的有用特征信息，计算涂层厚度。对环氧树脂层厚度的超声检测试验表明，采用小波变换模极大值法能有效检测涂层信号中的奇异点——涂层与基体界面多次反射回波到达探头的时间，且超声计算厚度值与测厚仪的实测结果一致，验证了小波变换模极大值法用于涂层厚度的超声无损检测亦是适用的。

在对热喷涂涂层厚度的超声无损检测研究中，选取铝涂层、不锈钢非晶涂层、羟基磷灰石涂层的多个试样进行多采样点的涂层厚度超声检测，采用超声直接接触法提取涂层超声Ａ信号，利用Ｍｅｘｈ小波进行连续小波变换并求其模极大值的方法进行涂层信号处理提取特征参量。试验表明，铝涂层、不锈钢非晶涂层、羟基磷灰石涂层各试样的涂层厚度计算值与金相测量值基本相符，相对误差均在１６％以内。

针对涂层厚度超声无损检测的误差结果，选取四个主要影响因素进行超声测厚精确度分析。试验研究表明，不同涂层厚度、不同采样频率、不同信号提取方式以及不同小波基的选取均对涂层厚度的超声测量精确度有较大影响。关键词超声无损检测；涂层；小波分析；小波变换模极大值

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｐｒａｙｉｎｇｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｉｓ

ｑｕａｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｓ

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ｔｈｅｒｍａｌｓｐｒａｙｉｎｇｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒ．Ｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｗｏｒｋ，ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＳＰ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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ｆｒｏｍｆｒｏｍｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｉｓｔｏｆｉｎｄｕｓｅｆｕｌ

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ｔｈｅｓｈｏｗｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏａｔｅｄｏｎｌａｙｅｒ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ

ｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｃａｎｂｅｖａｌｕｅｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔ，ｓｕｒｆａｃｅｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｐｒａｙｉｎｇｓａｍｐｌｅｈａｖｅｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ．

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｌｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｃｈｏ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｍｏｄｕｌｅａｎａｌｙｚｅｄｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒ，ａｎｄｔｈｉｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｔｉｍｅｗｈｉｃｈｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｅｃｈｏｉｓｉｎｃｅｐｔｅｄｂｙｄｅｔｅｃｔｏｒｆｒｏｍｔｈｅ

ｏｆｗａｖｅｌｅｔ

ｗａｖｅｌｅｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒａｎｄｂａｓａｌｂｏｄｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｔｉｍｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎａｎｄｓｉｇｎａｌｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍｍａｘｉｍａｍｅｔｈｏｄｗａｓａｃｃｅｓｓｅｄ

ｅｘｃａｖａｔｅｄｔｈｅｕｓｅｆｕｌ

ｗａｖｅｌｅｔｔｏｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｃｏａｔｅｄｃｏａｔｅｄｌａｙｅｇｔｈｅｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｌａｙｅｒｉｎｔｈｅｆｉｇｕｒｅｏｆｏｆｃｏａｔｅｄｌａｙｅｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｍｏｄｕｌｕｓｍａｘｉｍａ，ａｎｄ

ｏｎｔｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓＴｈｅｒｅｓｕｌｔ

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ｌａｙｅｒ．ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏａｔｅｄ．

ＩｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＮＤＴｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒ，ｔｈｅ

ｓａｍｐｌｅｏｆＡ１ｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒ，ＳＡＭａｎｄＨＡｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｗｅｒｅｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ａ—ｓｉｇｎａｌｗａｓ

ｄｉｒｅｃｔｅｄｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ，ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｐｉｃｋｕｐｏｎｗａｖｅｌｅｔ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍｍｏｄｕｌｕｓｍａｘｉｍａｍｅｔｈｏｄｂｙＭｅｘｈｗａｖｅｌｅｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｉｃｋｕｐｂｙＡ１，ＳＡＭａｎｄＨＡｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｗｉｔｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＮＤＴｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｖａｌｕｅｏｆ

ａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅａｓｕｒｉｎｇｈａｓ

ｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｉｓｉｎｔｈｅａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔｏｎｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ１％一１６％．

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ｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｃｅｅｄｅｄｉｎｆｏｕｒｍａｊｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＩＩＩ

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北京Ｔ业大学Ｔ学硕．Ｊｊ学位论文

ｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｖａｒｉｅｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｖａｒｉｅｄｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｖａｒｉｅｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

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独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：盘如昌日期．趔星：』：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）

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第１市绛论

第１章绪论

１．１无损检测方法概述

无损检测具有悠久的历史，它是指在不破坏被检测材料、零部件或设备的前提下，应用一定的检测技术和分析方法，对制造和使用过程中的被检测物体的内部结构、几何关系、物理性能与状态以及各种缺陷等加以测定，并按一定的准则对其做出评价的过程。

随着工业生产和实践的发展，无损检测技术也在不断的发展，其过程大致可归纳为以下三个阶段：（１）早期称为无损探伤，它的作用是在不损坏生产产品的前提下，发现人眼无法直接观察到的缺陷，以满足制造业与使用的要求。（２）第二阶段称为无损检测，它不但检验最终产品，而且要检测加工过程的工艺参数，是目前国内外最流行的术语。（３）第三阶段为无损评价，这是随着现代工业的发展，对产品质量要求的提高和断裂力学等原理用于材料和工件的极限寿命的设计思想的出现，由原来的探伤技术发展成为测伤技术，不仅要探出缺陷的有无及位置，而且还要测出缺陷的类型、尺寸、形状、取向以及对力学行为的影响等。

现代意义上的无损检测技术是随着各种测试技术、材料科学、电子技术与物理科学的发展而发展起来的。制造业中的无损检测技术，对于改进产品质量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产率等都起着关键作用。无损检测技术应用于产品的整个制造、服役过程中，它在产品的设计加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段都发挥着重要作用。无损检测技术的重大意义还在于它在新材料和新加工方法研究中的关键性作用。现代制造业的发展，对具有不同优良性能的新材料提出越来越高的要求，这些新材料的相应的加工方法往往由于材料本身的原因或加工工艺过程的特点，必须进行无损检测。实践表明，研究新的检测方法可以使新材料、新工艺的优化设计变得更加有效【１１。

由此可知，无损检测在现代制造业的各个方面都有着广泛的作用，是现代制造业的重要内容。在一定程度上，无损检测技术的高低反映了一个国家的制造业水平。因此，各国对无损检测技术的研究都非常重视。例如，美国为了保持其科学技术在世界上的领先地位，在１９７９年的政府工作报告中，提出要成立六大技术中心，其中之一就是无损检测技术中心。日本认为现代工业是建立在无损检测的基础上的，工业中坚持普遍采用无损检测技术，才能使其产品质量大大提高，从而占领国际市场。德国是应用无损检测技术方面最为先进的国家，这是德国的机器制造业保持领先水平的重要因素。前苏联对无损检测也很重视，政府把资金

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北京Ｔ业大学丁学硕十学位论文

拨给九个无损检测中心，无损检测技术的发展直接支持了前苏联工业产品和武器的生产，特别是国防工业和航空航天领域的发展。许多发展中国家为了建立本国的工业基础，也把无损检测作为提高产品质量的有力工具。例如，拉丁美洲八个发展中国家组成无损检测联合体来互相支援发展工业。在我国，随着制造业等领域的发展需要，无损检测技术也得到了迅速发展，很多工业部门近年来都在加强无损检测技术的应用【２】。

长期以来人们在实践中形成了许多实用的无损检测方法，最常用的无损检测方法有五种：超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测。这些无损检测方法已成为工业生产中的常规检测手段，另外随着科学技术的不断发展，也形成了许多新型的检测手段，比如红外检测、声震检测、激光全息检测等。在所有的无损检测方法中，超声波检测方法具有设备简单、使用方便、简单易操作、检测范围广和安全性好等优点，超声波检测仪器输出的数据转化为时域波形信号，可通过计算机的信号处理、模式识别和人工智能等先进技术，使超声波检测的可靠性和精确度越来越高［３】。近年来超声波检测零部件的质量问题已成为热点与焦点，因此与零部件质量相关的一些性能参数，比如热喷涂涂层的厚度等参数也已成为超声波检测的重要热点问题。

无损检测技术带来的经济效益是明显的。据测算，我国企业不良产品的年损失约２０００亿元。若能在生产过程中广泛采用无损检测技术，及早发现不良产品，就可以将损失减少到最小程度。如上海热电行业大量采用无损检测技术后，每年的经济效益一百万元计：另外，无损检测的经济效益还表现在产品的竞争能力上。在无损检测技术的支持下提高品产的质量和可靠性，是保障产品进入国际市场的决定性因素之一。以汽车工业为例，德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行公里数增加一倍，大大提高了产品在国际市场上的竞争力。日本小汽车生产中３０％以上的零件采用无损检测后质量迅速超过美国，销售市场扩大而且严重威胁美国的汽车工业【４Ｊ。

１．２涂层测厚的研究意义和存在的问题

１．２．１涂层厚度检测的研究意义

热喷涂涂层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，例如用于材料表面保护涂层、复合结构胶接层、稀有金属箔状材料和心脏瓣膜等，在工程技术领域中占有愈来愈重要的地位。由于表面涂层质量的检测是其质量评定和满足功能使用的基本依据，因此建立表征与评价薄层质量的基本原理和方法，可为表面涂层科技发展提供技术支撑，成为该技术进一步发展的有

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第１罩绪论

力保障。在表征表面涂层质量的一系列性能指标中，涂层厚度不但是表征涂层本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的影响。试验证吲５】：在车轴表面进行滚压处理后分别喷涂０．５ｍｍ和１．０ｍｍ的Ｃｒ－Ｎｉ合金涂层进行车轴尺寸修复，通过扫描电子显微镜分析涂层磨损表面及疲劳断口形貌，用Ｘ射线光电子能谱仪分析磨损后表面氧化物的组成，结果表明，Ｏ．５ｍｍ厚的修复涂层具有较高的耐微动疲劳和磨损能力，能延长车轴使用寿命，而微动应力使１．０ｍｍ的涂层磨损表面超声较厚的加工硬化层和较严重的氧化破损和裂纹，对车轴的疲劳性能反而不利。表１．１中列出了《工业建筑防腐蚀设计规范》中有关钢结构设计中防护涂层的最低厚度，从中可以看出，如果在选定的构件类别下，喷涂不同厚度的涂层所能抗腐蚀的程度不同，因而钢结构构件的使用寿命也随之有所不同。由此可知，热喷涂涂层厚度的测量已然成为其质量评价中至关重要的参数之一，涂层测厚技术的研究具有很大的实际意义。

表１—１钢结构设计中防护涂层的最低厚度（／．ｚｍ）

Ｔａｂｌｅ１－１Ｍｉｎｉｍａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｇｕａｒｄｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｉｎｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ（／．ｚｍ）

１．２．２涂层测厚中存在的问题

近年来国内外对各种材料的热喷涂涂层在生产服役过程中的厚度测量问题还未给与足够的重视，多采用抽样破坏性的检测，难以对每个零件进行全面有效的检测，不可避免地埋下了安全隐患。这是涂层厚度检测过程中存在的一个问题，另外如图１．１扫描电镜下热喷涂涂层形貌所示，热喷涂涂层本身很薄，有的厚度值甚至在纳米量级，且涂层呈层状结构，无明显晶粒（见图１．１ａ）），但结构却很疏松，再加上其制备工艺带来的低密度、高孔隙率等特点（见图１．１ｂ）），所以层片状的涂层尽管无晶粒组织仍会导致很大程度上的声衰减【６１；并且涂层表面粗糙不平整，涂层与基体的界面也不一定是平整的界面，因此其厚度值可能在一定范围内，这也是涂层厚度检测中的不可忽略的一个问题。

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图ｌ－１ＳＥＭＦ热喷滁淙层形貌

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１．３超声检测涂层厚度的技术优势与发展

１３ｌ超声无损测厚技术的优势

涂层厚度关系到涂层的使用寿命、嫁层利料消耗及成本、涂层的应力及涂层结合强度等，成为涂层质量评价中至关重要的参数之一。在过去的几十年中，针对不同的具体结构、对象，国内外对沫层厚度榆测的研究覆盖了包括机械量具测量、显微镜测量等有损检测方法和磁性、涡流检测、红外线辐射测量技术、超声频谱、激光超声及振动、热播等多种无损检测方法。例如，非磁性金属基体表面非导电覆盖层厚度测量多采用涡流法：漆层多采用磁阻法测涂层厚度；ｘ射线荧光光谱法厚度测量广泛应用于测量点镀层的厚度。这些方法一般只适用于某些特定的材料，应用范围小．而超声无损检测方法不受被测材料的限制，应用广泛。这是超声无损检测涂层厚度的一大优势口】：且超声测厚技术除具有无损和１００％检测的优点之外，还因超声波具有方向性好、穿透能力强、能量较高和对人体无害等特点，成为涂层厚度无损检测研究的重要方向。

１３．２超声检测涂层厚度技术的研究发展

目前，表面热喷涂涂层的超声无损测厚方法主要有脉冲回波法、兰姆波法和

表面被法。德国的Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ等［８１利用表面波法对表面滁层厚度进行了超声无损表征与评价：意大利的ＦｅｒｅｙｄｏｔｍＬａｋｅｓｔａｉｎ等人唧曾利用表面波法对等离子喷涂

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第１覃绪论

金属涂层的厚度进行了测量；ＥｄｕａｒｄｏＭｏｒｅｎｏ等ＩｌＵＪ利用兰姆波法实现了复合材料表面薄层的厚度测量；国内的刘镇清和张锐【１１以２】在橡胶层的超声测量方面也作了深入的研究，大连理工大学也在陶瓷涂层等表面薄层的超声测量方面做了很多基础理论研究工作【１３】。涂层的超声无损测厚技术和方法具有重大的研究意义，也是今后超声测厚课题中的主要研究方向。

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

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ＪＪＬＪＬ

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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；

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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茎：！茎三些茎星兰些耋些圣耋茎茎圣垩

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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第２荦超声测『孕Ｊ象理及检测方法系统实现

本课题采用的超声检测系统中用于存储Ａ信号数据的软件是ＵｌｔｒａＷｉｎ软件。运行该软件采集超声Ａ信号数据时，首先要对Ａ信号提取的相关参数进行设置，比如采用Ｐ／Ｒ（一个探头发射／接收）方式，采样频率最高取仁ｌＯＯＭＨｚ，采样宽度为１０．２４∥ｓ，即采样点为１０．２４ｘ５０＝５１２个，增益、高通和低通滤波器的设置值则需根据具体信号具体设定数值。图２．４即为探头从涂层试样上表面（即有涂层一面）提取超声Ａ信号，并实现信号数字化原理图。

‘

耦合剂

涂层

试样

图２－４超声Ａ信号数字化实现原理图

Ｆｉｇ．２－４ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｓｉｇｎａｌ

如上图２．４所示，将选定探头轻轻接触涂层试样的上表面（上表面有机油做耦合剂），由超声检测系统激励脉冲，通过探头发射超声波脉冲，超声波在涂层和基体两种介质中传播，且发生多次反射、折射等现象，多次反射回波被探头接收，并由超声系统的采集卡采集超声信号，信号数据将以二进制码的格式存储。

将超声检测系统中存储的信号数据文件导入ＭＡＴＬＡＢ软件中，通过执行编写的简单命令语句，在ＭＡＴＬＡＢ中输出超声信号的时域波形，此即涂层超声信号数字化实现的过程。

２．４涂层超声信号的数字处理方法介绍

数字信号处理技术是一个新的学科领域，它通过计算机或专用处理设备，用数字方式去处理数字或符号所表示的序列（例如信号的滤波、信号有用分量的提取和无用分量的削弱以及信号某些特征参数的估计等），以得到更符合人们要求

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北京Ｔ业大学Ｔ学硕十学位论文

的信号形式。传统的超声波检测用手工进行，操作人员凭借经验对探伤仪上显示的波形进行评定，有一定的主观性，缺乏对信号本身的解剖，无法从根本上求证信号与被测对象之间的必然联系。为了能准确地提取出蕴涵于超声波信号中的信息，可以利用数字信号处理技术，从时域方面建立超声波信号的有限参数模型，从而将含在大量数据中的信息浓缩在有限个参数上。模型不仅可用于对信号的内在变化规律性与统计特性的描述，还可用于对过程的预测、控制，或对设备的工况监测、故障诊断等等，它比一个具体的时间序列或按数据所估计的特征量，更具有代表性［２５１。因此应用数字处理技术对超声Ａ信号进行处理，有利于提取有关的特征信息，对涂层厚度的超声测量有很大的辅助作用。

超声检测Ａ信号的数字处理技术常用方法有：时域分析、频域分析、时一频域分析。在时域内观察涂层超声Ａ信号的波形，发现由于涂层与基体界面处产生的多次反射回波叠加而使波形发生畸变，因此无法在时域内直接提取出涂层与基体界面处回波信号到达时间，也就无法提取涂层厚度有关的特征信息；而在频域内对涂层超声Ａ信号进行傅立叶变换后发现，变换后的频域信号在任意时刻上的相同频率成分在频域上完全重合，因此不能看到一个特殊事件的发生时刻，也就无法在时域内直接提取出涂层与基体界面处回波信号到达时间；因此时域、频域分析技术在提取涂层Ａ信号中有关厚度的有用信息时均不适用。

常规的超声检测信号一般可认为是有限时间的瞬态信号，而瞬变的非平稳信号中奇异性分析是个重点，也是一个难题。傅立叶变换是信号奇异性或突变点检测与分析的经典工具，其实只是通过计算函数的傅立叶变换趋于零的快慢来推断函数在整个实轴上的全局范围内是否具有奇异性以及奇异程度，它不能反映任何时域信息，缺乏空间局部性，因此不能给出信号的局部奇异性。在实际生活中，瞬变信号范围比平稳信号大得多，也更加复杂，信号在某一时刻附近的频域特征都很重要，这就激励起寻找一种新的时频分析方法，即能将时域和频域结合起来描述观察信号的时频联合特征，构成信号的时频谱，即所谓的时频分析法。而近些年兴起的小波分析自诞生以来，以其独特的多尺度和平移性为信号处理领域开辟了崭新的天地，能以任意尺度观察信号的时域和频域特征，克服了傅立叶变换中时频分辨率恒点的弱点，具有良好的时频局部化特征，为信号奇异性分析提供了有力工具。下章则重点介绍小波分析处理超声Ａ信号的方法。

２．５本章小结

１．本章主要是从超声波在涂层介质中的传播特性及超声无损检测涂层厚度的原理及检测方法等基础理论知识出发，研究适用于热喷涂涂层的超声无损检测方法。基于声学传播特性及超声测厚原理的理论研究，选用超声脉冲反射法来获

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努２帝超声测！孕原理及伶测方法系统丈］见

得薄涂层的厚度计算值，且初步选取直接接触式的超卢信号提取方法。

２．对本试验研究所要用到的超声检测系统做了简要介绍，通过在计算机的专用软件中设置超声检测参数以提取更有效的信号数据，并导入ＭＡＴＬＡＢ软件中得到涂层的超声Ａ信号的时域波形。

３．通过对数字处理技术的简单介绍，针对涂层超声Ａ信号的特点进行时域、频域分析后，发现均不能直接在其波形中提取有关涂层厚度的特征信息；基于对时频分析技术的特点分析，可选用小波分析的方法对涂层超声Ａ信号就行处理。

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第３幸小波分析理论革础

第３章小波分析理论基础

上章中讲到针对超声检测涂层厚度过程中，提取的Ａ信号在时域、频域内均不能识别涂层与基体界面回波到达的时刻这一代表信号奇异点的特征信息，因此可采用小波分析方法对涂层超声Ａ信号进行处理。因此本章将主要讲述与小波分析方法相关的以下内容：小波分析方法的理论基础，小波变换的理论基础，小波变换的去噪原理以及计算机辅助计算中常用的ＭＡＴＬＡＢ软件工具等相关内容。

３．１小波分析方法理论基础

３．１．１小波分析概述

．小波分析理论是从上个世纪８０年代后期逐步发展起来的一种用于信号处理

的数学工具，经过十几年的探索研究，它已经成为一个独立的数学理论体系。小波分析包括小波变换和小波包变换【２６１，它是傅立叶变换的重大突破，是工程师、数学家和其他领域的科学家共同创造和发展起来的。

傅立叶变换使用正弦波分量来合成信号，正弦波是时间上无限震荡的光滑函数，时域上的无限振荡性使用它表示时间有限的物理可实现信号时必然存在困难；光滑则使表征信号突变、不连续等奇异性时的误差增大。小波分析类似于傅立叶变换，不同之处是用小波函数来合成实际信号。“小”是指小波函数在实数轴上很快衰减为零，“波”是指函数的振荡性。小波事实上是一个时间域上有限长度的快速衰减的振荡［２７】。小波函数具有不规则和不对称的特点，有可能更便于揭示信号的突变特征；长度有限，则易于模拟信号的局部特征。事实也证明了这一点。每个小波函数只能表征一定的频率成分，因此为了获得信号的不同频率，需要小波函数的压缩或膨胀；为了获得一定长度的整个信号，需要小波函数在时间轴上的平移。这就是小波变换中膨胀和平移思想的出发点。

信号可从不同角度观察分析，图３．１示出了分别在时域、频域、时频域、时间．尺度域上来观察信号的示意图。小波分析就是一种时频域联合分析的方法，其中的小波变换则是在时间——尺度域上观察信号【２８１。

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