基于超声的多层异质薄膜材料厚度检测方法研究

摘要

随着科学技术的迅速发展，飞机蒙皮表面涂层材料与结构越来越复杂。而涂层的厚度及覆盖的均匀性将直接影响飞机机体的温度分布、防腐蚀能力以及隐身性能等。因此，多层异质薄膜材料厚度的无损评估已经成为高端装备制造业的一个重要的研究课题。超声波检测技术以其低成本、高灵敏度、快速检测以及可以对缺陷定位和定量的特点在航天、核工业等领域得到了广泛的应用。本课题研究的飞机隐身涂层很薄，常见的普通超声探头无法达到实验的要求，所以选择使用高频、短脉冲、高宽带的直探头来发射超声波脉冲信号和接收反射回波信号。根据超声脉冲回波法的基本原理，若已知超声波在涂层材料中的传播速度，那么仅需要对超声波在涂层材料中往返时间进行有效的估计就可以得到涂层的厚度信息。因此，如何既高效又准确的估计超声波在涂层中的传播时间是本文的研究重点，主要研究内容体现在以下几个方面：
　　⑴研究涂层材料的声学参量和超声波在涂层材料中的传播规律。根据声阻抗、声速、声衰减等声学参量的定义，分析理解飞机隐身涂层材料的相关声学参量特点，同时根据声传播规律对超声波在涂层界面的传播情况进行了分析研究，为本文研究超声波脉冲信号在多层涂层界面的传播规律提供理论支撑。
　　⑵建立超声脉冲回波信号的高斯模型和多重重叠回波信号的卷积模型，研究涂层界面回波信号的处理方法。采用高斯模型来作为超声脉冲回波信号的参考信号且使用起来灵活方便，为超声信号的仿真研究提供一定的参考依据。由于涂层很薄，涂层的上下表面反射回波信号会出现混叠现象。为了提高回波信号的辨识度，建立多重重叠回波信号的卷积模型，采用最小熵盲反卷积的方法，实现重叠的多重回波信号的有效分离，为获取超声脉冲回波信号的其他信息提供条件。
　　⑶研究涂层厚度的估计方法。对涂层厚度的估计就是对超声信号在涂层中往返传播时间（即渡越时间TOF）的估计，本文从精度和计算量的角度出发，使用了一种基于信号包络提取和曲线拟合的参数估计方法。从仿真和实验两个方面，对参数TOF的估计效果进行了验证。
　　⑷飞机隐身涂层厚度检测实验是基于基底上的单涂层和多涂层两种方式，进而根据实验结果分析涂层厚度超声波测量方法的可行性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 涂层厚度检测的国内外研究现状

1.4 研究内容和章节安排

第二章 涂层材料的声学参量和声传播规律

2.1 涂层材料的声学参量

2.2 超声波在涂层界面的传播规律

2.3 本章小结

第三章 涂层界面回波信号的处理方法

3.1 超声脉冲回波法的基本原理

3.2 影响回波信号质量的因素

3.3 超声脉冲回波信号的数学模型

3.4 重叠的多重回波信号处理方法

3.5 本章小结

第四章 涂层厚度的估计方法

4.1 超声回波信号的包络分析

4.2 涂层材料厚度估计的基本架构

4.3 基于互相关法的参数TOF估计

4.4 基于曲线拟合的参数TOF估计

4.5 实验验证

4.6 本章小结

第五章 飞机隐身涂层厚度检测实验与分析

5.1 涂层厚度超声检测系统介绍

5.2 涂层试样制备

5.3 涂层厚度检测实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献