鎖相熱波成像技術(shù)對涂層厚度的測量

江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司， 南京 210046)

鎖相熱波成像技術(shù)對涂層厚度的測量

江海軍，陳 力

(南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司， 南京 210046)

針對鎖相熱波成像技術(shù)在涂層厚度檢測上的應(yīng)用，簡介了鎖相熱波成像技術(shù)基本原理，通過理論曲線分析了涂層厚度與相位的關(guān)系，結(jié)果表明采用鎖相熱波成像技術(shù)可有效測量涂層厚度。介紹了自行設(shè)計(jì)開發(fā)的鎖相熱波成像涂層檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對涂層試件進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。結(jié)果表明：鎖相頻率為0.17 Hz時(shí)，對于20150 μm涂層厚度的檢測的重復(fù)性好，相對標(biāo)準(zhǔn)誤差在2.5%以內(nèi)，對紅外熱像技術(shù)在涂層測量領(lǐng)域的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

鎖相紅外;涂層厚度測量;紅外無損檢測;熱波成像無損檢測;鎖相熱波成像

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涂層及薄膜的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)界對膜厚的測量與質(zhì)量控制提出了更高的要求，比如要求在線、動(dòng)態(tài)、非接觸、實(shí)時(shí)檢測等[1-3]，這些都需要采用更先進(jìn)的技術(shù)和檢測手段。目前檢測膜層厚度的方法主要有探針法和光學(xué)法[4-7]等，但這些方法不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對膜厚測量的要求。如電磁探針法屬接觸型的檢測，不適用于很多應(yīng)用場合，而且電磁探針法屬于單點(diǎn)檢測，很難形成圖像，不能直觀地顯現(xiàn)出檢測對象的形狀和位置。而光學(xué)法大多要求試件為透明介質(zhì)且表面光滑，其無法有效地檢測一些諸如涂層以及漆層等非透明、非光滑表面的試件，因此需要采用新的先進(jìn)無損檢測技術(shù)。

鎖相熱波成像(也稱為鎖相紅外成像)技術(shù)是近年來頗受關(guān)注的新型無損檢測技術(shù)，其結(jié)合了紅外無損檢測技術(shù)與數(shù)字鎖相技術(shù)的優(yōu)勢，降低了對熱激勵(lì)源能量密度的要求，也降低了熱激勵(lì)均勻性要求及試件表面熱輻射一致性的要求，并可通過增加檢測時(shí)間來提高檢測結(jié)果的信噪比，因此探測靈敏度和探測能力得到了很大的提高[8-10]，可獲得材料結(jié)構(gòu)的更多信息。

該檢測技術(shù)適用的材料比較廣泛，包括金屬、非金屬及復(fù)合材料，對試件表面涂層的裂紋、脫粘等損傷及復(fù)合材料內(nèi)部缺陷也都有很好的檢測能力，因此該檢測技術(shù)在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)具有很大的應(yīng)用潛力。

1 鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)

1.1 工作原理

鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，系統(tǒng)由紅外熱像儀、鎖相系統(tǒng)、光源、圖像處理及控制系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)通過鎖相模塊控制光源調(diào)制出周期性熱激勵(lì)，光源可以為激光、鹵素?zé)簟⒓t外燈等。

圖1 鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

利用調(diào)制裝置對被測物施加正弦波形式的熱源，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對入射熱波的擾動(dòng)所產(chǎn)生的反射將在物體表面生成一個(gè)可被紅外熱像儀記錄的變化波形，對紅外熱像儀記錄的序列紅外圖像加以處理可得到相關(guān)的幅值和相位信息。其中，幅值表征了反射波和入射波的疊加，相位則表征了反射和入射波之間的相位差。通過對幅值和相位圖像的分析，可以得到材料內(nèi)部的一些熱學(xué)信息。熱波鎖相成像無損檢測技術(shù)有別于脈沖熱波成像技術(shù),其使用的是周期性熱源，通過相關(guān)技術(shù)對噪聲信號進(jìn)行抑制，提取單頻響應(yīng)信號，使得有用的響應(yīng)信號可以被檢測出來。該技術(shù)結(jié)合了紅外熱波技術(shù)與數(shù)字鎖相技術(shù)的優(yōu)勢，且其相位圖像與材料或構(gòu)件表面的輻射率、環(huán)境條件及構(gòu)件結(jié)構(gòu)無關(guān)，因此具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 深度與相位關(guān)系

圖2所示的是熱波鎖相成像技術(shù)對涂層檢測的一維模型，采用調(diào)制角頻率為ω的正弦調(diào)制的光激勵(lì)源，其熱激勵(lì)功率密度為：

(1)

式中：I0為熱激勵(lì)最大功率密度。

圖2 調(diào)制光激勵(lì)源

熱波與電磁波一樣，在不同材料特性表面可以發(fā)生反射，在兩種介質(zhì)表面熱波反射系數(shù)可以表示為[11]：

(2)

熱波反射系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，對于涂層厚度檢測來說，材料1是涂層，材料2是基板。

熱波產(chǎn)生于介質(zhì)表面并在介質(zhì)中傳播，到達(dá)界面分界處時(shí)發(fā)生反射，到達(dá)介質(zhì)1表面，然后又反射傳播，循環(huán)形成熱波反射;而由于衰減的因素，只有第一個(gè)反射波能夠被探測到。在鎖相紅外無損檢測中，厚度為d，反射系數(shù)為R的平板試件，其表面熱波強(qiáng)度可表示為：

(3)

式中：k為材料的導(dǎo)熱率；s為與熱擴(kuò)散長度有關(guān)的復(fù)數(shù)波。

(4)

圖3 R=-0.9時(shí)，不同頻率下缺陷深度與相位的關(guān)系曲線

從深度與相位關(guān)系可看出，相位與深度、鎖相頻率、反射系數(shù)有關(guān)。圖3為當(dāng)R=-0.9時(shí)，不同鎖相頻率下深度與相位的關(guān)系曲線。從圖3可知：探測深度與鎖相頻率存在對應(yīng)的關(guān)系，頻率越低，探測深度越深；相位與鎖相頻率之間并非線性關(guān)系，但對應(yīng)每一個(gè)鎖相頻率都有一段特定深度范圍，其探測深度與相位基本成線性關(guān)系，因此可以利用這個(gè)特性對涂層的厚度進(jìn)行測量。實(shí)際應(yīng)用中，在涂層厚度范圍基本已知的情況下，可以選擇相應(yīng)的鎖相頻率使得該厚度范圍已知的涂層的相位信號最大。

為了實(shí)現(xiàn)鎖相熱波成像檢測，可以采用面調(diào)制光源，連續(xù)并同步地采集熱波序列圖像，對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)或其他快速的處理方法，獲得整幅圖像的振幅和相位圖。

2 試驗(yàn)設(shè)備和材料

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在自主開發(fā)研制的鎖相熱波成像無損檢測系統(tǒng)(見圖4)上進(jìn)行，采用調(diào)制激光作為熱激勵(lì)源，總功率為400 W，制冷型紅外熱像儀工作波段為35 μm，圖像分辨率為640像素×512像素，幀頻可調(diào)，最大滿幅幀頻在150 Hz。

圖4 鎖相紅外無損檢測設(shè)備

2.2 試驗(yàn)材料 為了模擬不同厚度的涂層進(jìn)行測試試驗(yàn)，人工制作了模擬涂層樣品，如圖5所示，在尺寸(長X寬X厚)為10 mm×10 mm×2 mm的鋁塊上反復(fù)噴上厚度不同的漆層，通過千分尺測量,按圖5中從右到左、從上到下的順序，其厚度分別為21，31，42，70，109，128，141，155 μm。

圖5 人工制作的涂層試件圖片

3 試驗(yàn)結(jié)果

從鎖相的數(shù)據(jù)分析中可得到振幅與相位兩個(gè)結(jié)果，其中振幅與熱激勵(lì)強(qiáng)度分布、試件表面的吸收率及輻射率等參數(shù)有關(guān)，而使得對涂層厚度的分析變得復(fù)雜。而相位結(jié)果原理上只和材料的物理特性相關(guān)，所以在厚度測量時(shí)主要使用相位信息。

首先考查調(diào)制頻率對涂層厚度與相位的影響，根據(jù)鎖相紅外無損檢測原理中深度與相位的關(guān)系可知，對于特定的鎖相頻率，不同的涂層厚度，其相位值不同。首先設(shè)定調(diào)制頻率為0.5 Hz，熱像儀采集幀頻為50 Hz，采集時(shí)間為30 s，圖像采集后通過系統(tǒng)鎖相處理軟件進(jìn)行處理，得到測試結(jié)果的相位，如圖6所示。圖6中不同顏色代表相位值的變化，即涂層厚度的變化。

圖6 不同厚度涂層試件的相位結(jié)果

對每個(gè)試件的中心部分一10×10像素區(qū)域內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行平均，得到涂層厚度與相位的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可看出，涂層厚度在2080 mm間時(shí)，與相位間具有一定的單調(diào)線性關(guān)系;當(dāng)涂層厚度超過80 mm后，相位基本不隨厚度的增加而發(fā)生顯著變化。此時(shí)的熱波波長較短，不能探測到較深的變化，但對于厚度較薄的涂層，其檢測精度卻會(huì)明顯提高，所以更適合薄涂層的厚度測量。

圖8為鎖相頻率Fs為0.1 Hz時(shí)，不同涂層厚度與相位的關(guān)系曲線。相對于鎖相頻率Fs為0.5 Hz的情況，此時(shí)熱波波長更長，可檢測深度更深，所以涂層厚度在20150 mm間，兩者基本保持單調(diào)線性關(guān)系。

圖7 試件中心區(qū)域內(nèi)，涂層厚度與相位的關(guān)系曲線(Fs=0.5 Hz)

圖8 試件中心區(qū)域內(nèi)，涂層厚度與相位的關(guān)系曲線(Fs=0.1 Hz)

由圖7，8可見，部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線有所偏離，這是由于漆層經(jīng)過多次噴涂，涂層表面不很平坦而可能造成測量誤差。另外每次噴涂之間的干燥時(shí)間和溫度等都不一樣，會(huì)造成涂層質(zhì)地有所不同，而引起偏差。因此有必要對測量的重復(fù)性進(jìn)行考查，選擇0.17 Hz的調(diào)制頻率對試件進(jìn)行了6次重復(fù)測試，同樣對每個(gè)試件的中心部分一10×10像素區(qū)域內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行平均，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，6次的測量曲線如圖9所示。從表1和圖9可看出，一些偏離擬合曲線的測試點(diǎn)具有較好的重復(fù)性，故可斷定這些偏離點(diǎn)是由樣品本身而不是測試誤差引起的。

表1 涂層厚度與相位關(guān)系的重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 涂層厚度檢測的重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(Fs = 0.17 Hz，6次數(shù)據(jù))

以上數(shù)據(jù)中測量系統(tǒng)的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算公式為：

(5)

圖10 涂層厚度測試精度曲線

式中：d為厚度數(shù)據(jù);d為相鄰兩點(diǎn)厚度差;φ為相位數(shù)據(jù);φ為相鄰兩點(diǎn)測試的相位差。

由式(5)可求出系統(tǒng)的測試精度，如圖10所示。由圖10可看出，涂層厚度大于127 μm時(shí)，測量精度變差；原因?yàn)樵?.17 Hz的鎖相頻率下，熱波穿透深度有限，而對厚度大于100 μm涂層的檢測靈敏度下降，從而造成誤差的增加，此時(shí)可以通過降低調(diào)制頻率的手段來提高檢測精度。

4 結(jié)論

(1) 在自主研制的鎖相熱波成像涂層檢測設(shè)備上對不同厚度漆層的人工試件進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)理論的有效性，并對結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，得出其相對標(biāo)準(zhǔn)誤差在2.5%以內(nèi)的結(jié)論。

(2) 如果檢測的涂層厚度范圍已知，可以通過設(shè)置調(diào)制頻率，使得該厚度范圍的檢測靈敏度最高，從而較大地提高檢測精度。

(3) 在實(shí)際應(yīng)用中，使用與試件涂層物理性質(zhì)完全相同的標(biāo)準(zhǔn)試件對系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，并利用曲線進(jìn)行擬合，通過該擬合曲線可實(shí)現(xiàn)對試件涂層厚度的測量。

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Lock-in Thermal Wave Imaging for Measurement of Coating Thickness

JIANG Hai-jun, CHEN Li

(Novelteq Ltd., Nanjing 210046, China)

For the applications of Lock-in thermal wave imaging technology, the paper is focused on its theory, simulation and experiment. The relationship between the coating thickness and phase was analyzed through the theoretical curve. It was concluded that coating thickness had a linear proportional relationship with the phase in a certain thickness range, and calculation results show that Lock-in thermal wave imaging can effectively measure the coating thickness. The phase locked thermal imaging detection system was developed for coating thickness measurement, and the system was used for coated specimens. The experimental results show that the PLL frequency is 0.17Hz for the detection of 20-150 μm coating thickness with good repeatability and the relative standard error is less than 2.5%. This paper has guiding significance for the application of infrared thermography in the field of the coating measurement technology.

Lock-in thermal wave; Coating thickness measurement; Infrared nondestructive testing; Thermal wave nondestructive testing; Lock-in thermal wave imaging

2016-11-02

江海軍(1988-),碩士，工程師，主要從事紅外無損檢測技術(shù)研究工作。

陳 力，E-mail: lchen@novelteq.com。

10.11973/wsjc201704008

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0038-04