一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法

摘要

一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法，属于超声无损检测技术领域。该检测方法采用一套包括水槽、超声波水浸探头、三维步进装置、超声波探伤仪以及计算机构成的超声C扫描系统。该系统的超声波垂直入射至涂层试样并进行超声C扫描，采集水/涂层和涂层/基体界面的混叠信号Pr(t)，对Pr(t)进行快速傅里叶变换获得展开相位Ψ0(f)，将有效频带内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)，识别Ψp(f)极大值平均值与极小值平均值构成的幅值avg_A及谐振频率间隔df＝fm‑fm‑1，采用灰度值代表归一化的avg_A×df，并绘制到对应的C扫描采样矩阵中，可以实现涂层界面脱粘状态的超声相位谱C扫描成像。该检测方法克服了超声高频衰减大，低频信号混叠等无法检测薄涂层脱粘的问题。

权利要求

1.一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法，其特征是：检测方法采用一套包括水槽、涂层试样、超声波水浸探头、XYZ三维步进装置、超声波探伤仪以及计算机构成的超声C扫描系统，采用的测量步骤如下：(1)将超声波水浸探头置于参考试块上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，t表示时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]；

(2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到水/涂层与涂层/基体界面，以固定采样间隔Int对试样目标区域进行C扫描，共扫描W×H个数据点，并采集特定闸门内的A扫描波形Pr(t)，W表示扫描轴采样点数，H表示步进轴采样点数；

(3)对步骤(2)所述采集到的所有A扫描波形Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的超声声压反射系数展开相位Ψ0(f)，对有效频带[ff,fb]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)；

其中r12与r23分别表示水/涂层与涂层/基体界面的声压反射系数，d为涂层厚度，c为涂层声速；

(4)识别步骤(3)所述相位谱Ψp(f)有效频带[ff,fb]内所有谐振频率fm以及其对应的极大值max与极小值min，式(2)中m为自然数；通过公式(5)与(6)分别获得极大值平均值avg_max与极小值平均值avg_min：N表示识别的极大值max个数，M表示识别的极小值min个数；通过公式(7)计算相位谱Ψp(f)的幅值avg_A：avg_A＝avg_max-avg_min                     (7)通过公式(8)计算谐振频率间隔df：

df＝fm-fm-1＝c/2d                                       (8)(5)对步骤(4)所述采集的幅值avg_A与谐振频率间隔df的乘积avg_A×df做归一化处理，构成一个均在0～1之间的W×H二维矩阵，使用相应的颜色灰度0～255表示对应的0～1幅值，以W×H二维矩阵绘制对应的灰度图像，实现涂层界面粘结状态的超声相位谱C扫描成像。

说明书

一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法，其属于材料超声无损检测与评价技术领域。

背景技术

[0002] 由于涂层通常工作在高温、高压、高磨损环境下，极易在涂层/基体界面产生粘接不良或脱粘等缺陷，严重影响工件的服役可靠性与使用寿命。因此，对于涂层脱粘进行无损检测具有重要意义。超声C扫描成像技术(Imaging of Ultrasonic C-scan)可以将工件某一深度处的脱粘缺陷直观地显示出来，通过改变A扫信号中闸门的位置，完成不同深度脱粘缺陷的检测。超声时域C扫描成像对于薄涂层脱粘的检测存在着局限性：当涂层的厚度薄、结构非均匀，高的超声频率导致声波衰减严重，低的超声频率导致涂层的上表面回波和涂层/基体界面回波混叠在一起，无法有效提取由于脱粘使界面回波产生的变化特征，导致超声时域C扫描方法的使用受限。对时域信号进行频谱分析，可以提取涂层脱粘的频域特征，提高C扫描成像的清晰度。如徐春广等人提出一种《超声扫描显微镜的频域成像方法》，该方法将时域分离的涂层/基体界面回波单独提取，通过快速傅里叶变换转变为幅度谱，识别幅度谱幅值代替界面回波时域幅值成像，即可改善图像清晰度，该提取频域特征的方法需时域分离的涂层上表面回波和涂层/基体界面回波。

[0003] 本文提出一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法，可以在涂层的上表面回波和涂层/基体界面回波混叠时提取有效相位谱特征，实现脱粘检测。该方法对混叠信号进行快速傅里叶变换获得展开相位Ψ0(f)，将有效频带内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)，识别Ψp(f)极大值平均值与极小值平均值构成的幅值avg_A及谐振频率间隔df＝fm-fm-1，采用灰度值代表归一化的avg_A×df，并绘制到对应的C扫描采样矩阵中，可以实现涂层界面粘结状态的超声相位谱C扫描成像。本文方法避免了回波混叠带来的干扰，不仅可以有效从混叠信号中提取涂层脱粘的相位谱C扫描图像，且成像清晰度高，定量准确率高。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法。克服涂层的上表面回波和涂层/基体界面回波混叠问题，只需要一个常规超声水浸探头及C扫描测量系统单次扫查即可实现微米量级(50-500μm)涂层脱粘C扫描成像，脱粘尺寸定量准确率高，适用范围更广，而且可以推广应用到涂层厚度的相位谱C扫描成像，具有较大的经济效益和社会效益。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法，检测方法采用一套包括水槽、涂层试样、超声波水浸探头、XYZ三维步进装置、超声波探伤仪以及计算机构成的超声C扫描系统，采用的测量步骤如下：

[0006] (1)将超声波水浸探头置于参考试块上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，t表示时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]；

[0007] (2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到水/涂层与涂层/基体界面，以固定采样间隔Int对试样目标区域进行C扫描，共扫描W×H个数据点，并采集特定闸门内的A扫描波形Pr(t)，W表示扫描轴采样点数，H表示步进轴采样点数；

[0008] (3)对步骤(2)所述采集到的所有A扫描波形Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的超声声压反射系数展开相位Ψ0(f)，对有效频带[ff,fb]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)；

[0009]

[0010] 其中r12与r23分别表示水/涂层与涂层/基体界面的声压反射系数，d为涂层厚度，c为涂层声速；

[0011] (4)识别步骤(3)所述相位谱Ψp(f)有效频带[ff,fb]内所有谐振频率fm以及其对应的极大值max与极小值min，

[0012]

[0013]

[0014]

[0015] 式(2)中m为自然数。通过公式(5)与(6)分别获得极大值平均值avg_max与极小值平均值avg_min：

[0016]

[0017]

[0018] N表示识别的极大值个数，M表示识别的极小值个数；通过公式(7)计算相位谱Ψp(f)的幅值avg_A：

[0019] avg_A＝avg_max-avg_min                   (7)

[0020] 通过公式(8)计算谐振频率间隔df：

[0021] df＝fm-fm-1＝c/2d                       (8)

[0022] (5)对步骤(4)所述采集的幅值与谐振频率间隔的乘积avg_A×df做归一化处理，构成一个均在0～1之间的W×H二维矩阵，使用相应的颜色灰度0～255表示对应的0～1幅值，以W×H二维矩阵绘制对应的灰度图像，实现涂层界面粘结状态的超声相位谱C扫描成像。

[0023] 本发明的效果和益处是：该检测方法克服薄涂层内超声传播声时短，要求设备与探头具有窄脉冲宽频带，导致超声高频成分强衰减、波形畸变、测量精度不高的难题，只需要一个低频超声水浸探头与C扫描系统单次扫查即可实现微米量级(50-500μm)涂层脱粘C扫描成像，成像清晰，脱粘尺寸定量准确，而且可以推广应用到涂层厚度的相位谱C扫描成像，具有较大的经济效益和社会效益。

附图说明

[0024] 图1是涂层脱粘的超声相位谱C扫描检测系统连接示意图。

[0025] 图2是参考试块的A扫描波形P0(t)(a)与其对应的幅度谱(b)。

[0026] 图3是涂层试样时域信号幅值C扫描图像结果。

[0027] 图4是涂层试样的A扫描波形Pr(t)(a)与其对应的展开相位Ψ0(f)(b)。

[0028] 图5是采用公式(1)计算获得的相位谱Ψp(f)。

[0029] 图6是涂层脱粘的超声相位谱C扫描成像结果。

[0030] 图中：1、水槽，2、涂层试样，3、水浸探头，4、XYZ三维步进装置，5、超声波探伤仪，6、电脑。

具体实施方式

[0031] 本涂层脱粘超声相位谱C扫描成像检测方法的检测系统由图1所示的水槽1、涂层试样2、标称频率2.25MHz的超声波水浸探头3、XYZ三维步进装置4、超声波探伤仪5以及计算机6构成。它采用的测量步骤如下：

[0032] (1)将超声波水浸探头置于参考试块的上方，保证探头主声束轴线与试块表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，如图2(a)，t为时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，如图2(b)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]为[1.35MHz,3.70MHz]。

[0033] (2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直，试样中心区域制备一个10mm×10mm的人工脱粘；采用水槽中耦合介质保证超声波入射到涂层试样，以固定采样间隔Int＝0.2mm对试样目标区域进行C扫描，扫描80×65个数据点(16mm×13mm面积)，对采集信号特定闸门的时域幅值进行成像，如图3，可以看出直接对时域幅值进行成像，无法辨识脱粘区域。采集特定闸门内的A扫描波形数据Pr(t),如图4(a)。

[0034] (3)对步骤(2)所述采集到的所有A扫描波形数据Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得试样对应位置的声压反射系数展开相位Ψ0(f)，如图4(b)，对有效频带[1.35MHz,3.70MHz]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得拟合,通过公式(1)计算获得相位谱Ψp(f)，如图5所示。

[0035] (4)识别步骤(3)所述相位谱Ψp(f)有效频带[1.35MHz,3.70MHz]内所有谐振频率fm-1与fm分别为2.95MHz与3.4MHz，以及其对应的极大值maxi与极小值minj分别为62.9°与-31.5°，通过公式(5)与(6)分别获得极大值平均值avg_max＝62.9°与平均极小值平均值avg_min＝-31.5°。通过公式(7)与(8)计算相位谱Ψp(f)的平均幅值avg_A＝94.4°，谐振频率间隔df＝0.45MHz；

[0036] (5)对步骤(4)所述采集的平均幅值avg_A与谐振频率间隔df的乘积avg_A×df做归一化，构成一个在0～1之间的80×65二维矩阵，使用颜色灰度0～255表示对应的0～1幅值，以80×65二维矩阵绘制对应的灰度图像，可以实现涂层脱粘缺陷的超声相位谱C扫描成像，如图6，可以发现在图像中心区域有一个明显的方形暗区，对应人工脱粘位置，根据亮区幅值与暗区幅值的平均值识别的暗区为49×47个像素点，已知采样间隔为0.2mm，检测的脱粘区域面积为9.8mm×9.4mm，与预设脱粘面积10mm×10mm相比，声相位谱C扫描成像定量脱粘面积的准确率达92.1％。