CN113932700A - 一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，其步骤包括：首先利用标准试件在阻抗坐标系上获取陶瓷层厚度和粘结层厚度变化方向的夹角，根据夹角将待测试件做第一次阻抗坐标变换得到其不受陶瓷层影响的阻抗坐标；然后，利用已建立好的粘结层厚度和阻抗相位之间的关系，计算粘结层厚度；进而，利用粘结层厚度与夹角之间的关系对夹角进行修正，做第二次阻抗坐标变换，最后计算出修正后的粘结层厚度；本发明应用阻抗坐标变换方法解决了当前热障涂层厚度测量中粘结层与陶瓷层信号难以解耦的问题，能够测量出粘结层厚度，极大提高了检测效率。

Description

一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，属于常规涡流检测领域。

背景技术

热障涂层由陶瓷层、粘结层和镍基高温合金基体组成，覆盖在航空发动机涡轮叶片上，用于提高涡轮叶片工作在高温、高压、高应力、高速等极其恶劣的环境下的安全性能和使用寿命。伴随着服役时间的增长，粘接层厚度和陶瓷层厚度都会减薄，并在高温下氧化产生氧化物，导致隔热性变差，更严重会导致陶瓷层的脱落，导致热障涂层失效。因此，热障涂层厚度的检测对监测航空发动机的健康状况及其寿命的预测具有十分重要的作用。

热障涂层两层涂层厚度信号相互影响，无法实现解耦。目前常规测厚方法只能实现一层涂层厚度在一定范围内，用来测量另一层厚度，后续处理步骤复杂；基于解析模型迭代的方法，测量厚度需要大量的样本数据，耗费时间较长，效率低下。

涡流无损检测技术具有灵敏度高、检测速度快、非接触等特点，可以用来作为热障涂层厚度测量的理想方法；该技术基于电磁感应原理，即通有正弦激励的激励线圈接近导体时，导体内部会感应出涡流，涡流形成的磁场会与原磁场相互影响，进而改变原有激励线圈的阻抗。将原有线圈的阻抗信号进行处理就可以得到我们所要测得的参数，如厚度、磁导率等。

目前国内外涂层厚度测量存在机械配置较高，涉及的算法相对比较复杂，且测量时存在两层涂层信号相互交叉影响等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热障涂层粘结层厚度涡流检测方法，能够克服现有涂层厚度测量机械配置高，涉及的算法比较复杂的问题，并且有比较好解耦陶瓷层厚度影响的效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，包括如下步骤:

一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制作四个标准试件M、N、P、L，其陶瓷层厚度为TC_M、TC_N、TC_P、TC_L，粘结层厚度分别为BC_M、BC_N、BC_P、BC_L；其中BC_M＝BC_P<BC_N＝BC_L，TC_M＝TC_N<TC_L＝TC_P；

第二步：将电涡流探头分别置于四个标准试件上方，应用阻抗分析仪检测标准试件的阻抗，测得它们的阻抗分别为：Z_M＝R_M+X_M；Z_N＝R_N+X_N；Z_P＝R_P+X_P；Z_L＝R_L+X_L；

第三步：测得探头在空气中的阻抗：Z₀＝R₀+X₀，并将其作为基准，对第二步中四个标准试件的阻抗作差分处理：ΔZ_M＝(R_M-R₀)+(X_M-X₀)，ΔZ_N＝(R_N-R₀)+(X_N-X₀)，ΔZ_P＝(R_P-R₀)+(X_P-X₀)，ΔZ_L＝(R_L-R₀)+(X_L-X₀)，则差分阻抗的电阻分别为：ΔR_M＝R_M-R₀，ΔR_N＝R_N-R₀，ΔR_P＝R_P-R₀，ΔR_L＝R_L-R₀；其电抗分别表示为：ΔX_M＝X_M-X₀，ΔX_N＝X_N-X₀，ΔX_P＝X_P-X₀，ΔX_L＝X_L-X₀；

第四步：根据标准试件M和N阻抗差的相位与粘结层厚度之间的线性关系，建立由阻抗差的相位求解粘结层厚度的模型；由第三步可知，标准试件M和N阻抗差的相位和粘结层厚度可以构建出阻抗相位-粘结层厚度坐标系中的两个点A(BC_M，|ΔX_M/ΔR_M|)，B(BC_N，|ΔX_N/ΔR_N|)，由此得粘结层厚度和相位之间的线性模型如下：

其中BC表示粘结层厚度，k₁为线性模型的斜率，

为阻抗相位；

第五步：在阻抗坐标系中，四个标准试件分别对应M、N、P、L四个点，其中直线MN与NL的夹角为α，直线MN与MP的夹角为β，又夹角与粘结层厚度之间存在线性关系，因此构建出粘结层厚度-夹角坐标系中的两个点C(BC_N，α)，D(BC_M，β)，进一步可以求出粘结层厚度和夹角之间的模型如下：

θ＝k₂(BC)+(α-k₂(BC_N)) (4)

其中θ为夹角，k₂为线性模型的斜率，BC表示粘结层厚度；

第六步：应用第二步方法，获取待测试件T的阻抗值，并进一步求得其差分阻抗值为ΔZ_T＝ΔR_T+ΔX_T，在阻抗坐标系中对应T点，坐标为T(ΔR_T，ΔX_T)，过T点TT′∥NL交直线MN于T′(ΔR_T′，ΔX_T′)点，则直线MN与TT′夹角也为α；将T′的阻抗相位角|ΔX_T′/ΔR_T′|代入公式(2)中获得待测试件的粘结层厚度预估值BC_T′；

将BC_T′代入公式(4)中获得投影角度的修正角度α₁。过T点TT′∥NL交直线MN于T″点，则直线MN与TT′夹角为α₁，其中T″坐标为(ΔR_T″，ΔX_T″)；

第七步：将|ΔX_T″/ΔR_T″|代入函数(2)中，获得粘结层厚度BC_T″，即为最终测得的试件T的粘结层厚度。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明选定阻抗变化量虚部与实部比值的模作为信号特征，在陶瓷层厚度不变的情况下，该信号特征与粘结层厚度成线性关系；再者，利用陶瓷层厚度变化方向与粘结层厚度变化方向所成夹角近似不变的特征下，利用校准试件获得夹角方向的前提下，很好地补偿陶瓷层厚度变化对粘结层测厚带来的影响。解决了两层涂层信号互相耦合的问题，且操作简便可行；

(2)本发明利用涡流技术测量热障涂层厚度，对试件不具有破坏性：由于涡流检测的基本原理是电磁感应，只适用于能产生涡流的导电材料，且不同环境温度下导体的导电性受影响较小，因此该方法对检测环境要求低。在保持其他影响因素如线圈几何参数、激励电流、激励频率、提离等一致的前提下，粘结层厚度与阻抗变化量相位为单值函数，粘结层厚度与两层信号变化方向夹角也为单值函数，因此检测精度高。

附图说明

图1是本发明中不同陶瓷层厚度下，粘结层厚度与阻抗相位线性关系图；

图2是本发明中阻抗坐标变换的原理图；

图3是本发明中不同陶瓷层厚度下，粘结层厚度与阻抗变换夹角的线性关系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

电磁感应定律中，通以时变电流的线圈会产生变化的磁场，处于磁场中的试件内部会感应出涡流；试件本身的特性，如大小、厚度、缺陷等会改变涡流反作用于线圈的磁通量，进而导致线圈阻抗的改变。因此，通过分析作用在试件上方的线圈阻抗信号有利于获得试件的大小、缺陷、厚度等信息。通过分析如图1电涡流阻抗信号，我们发现陶瓷层厚度不变的情况下，试件上方的线圈阻抗信号与线圈在空气中阻抗信号的差分相位信号与粘结层厚度存在良好的线性关系。根据这一原理，选用标准试件可以获得他们之前的线性关系，建立检测模型；同时，不同粘结层厚度下的陶瓷层厚度变化方向与相同陶瓷层厚度下粘结层厚度变化方向的夹角与粘结层厚度同时存在良好的线性关系。根据这一原理，选用合适的标准试件，通过阻抗变换的方法，可以解耦陶瓷层厚度对粘结层厚度检测的影响，建立准确的粘结层厚度检测模型，且不受陶瓷层厚度影响。

请参阅图1-3,一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制作四个标准试件M、N、P、L，其陶瓷层厚度为TC_M、TC_N、TC_P、TC_L，粘结层厚度分别为BC_M、BC_N、BC_P、BC_L；其中BC_M＝BC_P<BC_N＝BC_L，TC_M＝TC_N<TC_L＝TC_P；

第二步：将电涡流探头分别置于四个标准试件上方，应用阻抗分析仪检测标准试件的阻抗，测得它们的阻抗分别为：Z_M＝R_M+X_M；Z_N＝R_N+X_N；Z_P＝R_P+X_P；Z_L＝R_L+X_L；

第三步：测得探头在空气中的阻抗：Z₀＝R₀+X₀，并将其作为基准，对第二步中四个标准试件的阻抗作差分处理：ΔZ_M＝(R_M-R₀)+(X_M-X₀)，ΔZ_N＝(R_N-R₀)+(X_N-X₀)，ΔZ_P＝(R_P-R₀)+(X_P-X₀)，ΔZ_L＝(R_L-R₀)+(X_L-X₀)，则差分阻抗的电阻分别为：ΔR_M＝R_M-R₀，ΔR_N＝R_N-R₀，ΔR_P＝R_P-R₀，ΔR_L＝R_L-R₀；其电抗分别表示为：ΔX_M＝X_M-X₀，ΔX_N＝X_N-X₀，ΔX_P＝X_P-X₀，ΔX_L＝X_L-X₀；

第四步：根据标准试件M和N阻抗差的相位与粘结层厚度之间的线性关系，建立由阻抗差的相位求解粘结层厚度的模型；由第三步可知，标准试件M和N阻抗差的相位和粘结层厚度可以构建出阻抗相位-粘结层厚度坐标系中的两个点A(BC_M，|ΔX_M/ΔR_M|)，B(BC_N，|ΔX_N/ΔR_N|)，由此得粘结层厚度和相位之间的线性模型如下：

其中BC表示粘结层厚度，k₁为线性模型的斜率，

为阻抗相位；

第五步：在图2阻抗坐标系中，四个标准试件分别对应M、N、P、L四个点，其中直线MN与NL的夹角为α，直线MN与MP的夹角为β，又夹角与粘结层厚度之间存在线性关系，因此构建出粘结层厚度-夹角坐标系中的两个点C(BC_N，α)，D(BC_M，β)，进一步可以求出粘结层厚度和夹角之间的模型如下：

θ＝k₂(BC)+(α-k₂(BC_N)) (4)

其中θ为夹角，k₂为线性模型的斜率，BC表示粘结层厚度；

第六步：应用第二步方法，获取待测试件T的阻抗值，并进一步求得其差分阻抗值为ΔZ_T＝ΔR_T+ΔX_T，在图2阻抗坐标系中对应T点，坐标为T(ΔR_T，ΔX_T)，过T点TT′∥NL交直线MN于T′(ΔR_T′，ΔX_T′)点，则直线MN与TT′夹角也为α；将T′的阻抗相位角|ΔX_T′/ΔR_T′|代入公式(2)中获得待测试件的粘结层厚度预估值BC_T′；

将BC_T′代入公式(4)中获得投影角度的修正角度α₁。过T点TT′∥NL交直线MN于T″点，则直线MN与TT′夹角为α₁，其中T″坐标为(ΔR_T″，ΔX_T″)；

第七步：将|ΔX_T″/ΔR_T″|代入函数(2)中，获得粘结层厚度BC_T″，即为最终测得的试件T的粘结层厚度。

如图2所示为阻抗坐标变换的原理图。

如图3中改用本发明中根据阻抗相位第一次求得的粘结层厚度对阻抗夹角进行重新估计，进而提高夹角的准确度是可行的。

利用本发明提出的阻抗坐标变换热障涂层测厚方法，在粘结层厚度测量中，相比较于直接采用相位测量的传统方法，该方法也有利于抑制提离效应对结果的影响。

对于不同材料基体、涂层材料，只要通过在阻抗坐标系中获得不同涂层材料厚度变化方向所成的夹角，建立阻抗变化量相位与厚度变化的模型，就可以对相应涂层进行厚度的检测与评估。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于阻抗坐标变换的热障涂层粘结层厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制作四个标准试件M、N、P、L，其陶瓷层厚度为TC_M、TC_N、TC_P、TC_L，粘结层厚度分别为BC_M、BC_N、BC_P、BC_L；其中BC_M＝BC_P<BC_N＝BC_L，TC_M＝TC_N<TC_L＝TC_P；

第二步：将电涡流探头分别置于四个标准试件上方，应用阻抗分析仪检测标准试件的阻抗，测得它们的阻抗分别为：Z_M＝R_M+X_M；Z_N＝R_N+X_N；Z_P＝R_P+X_P；Z_L＝R_L+X_L；

第三步：测得探头在空气中的阻抗：Z₀＝R₀+X₀，并将其作为基准，对第二步中四个标准试件的阻抗作差分处理：ΔZ_M＝(R_M-R₀)+(X_M-X₀)，ΔZ_N＝(R_N-R₀)+(X_N-X₀)，ΔZ_P＝(R_P-R₀)+(X_P-X₀)，ΔZ_L＝(R_L-R₀)+(X_L-X₀)，则差分阻抗的电阻分别为：ΔR_M＝R_M-R₀，ΔR_N＝R_N-R₀，ΔR_P＝R_P-R₀，ΔR_L＝R_L-R₀；其电抗分别表示为：ΔX_M＝X_M-X₀，ΔX_N＝X_N-X₀，ΔX_P＝X_P-X₀，ΔX_L＝X_L-X₀；

第四步：根据标准试件M和N阻抗差的相位与粘结层厚度之间的线性关系，建立由阻抗差的相位求解粘结层厚度的模型；由第三步可知，标准试件M和N阻抗差的相位和粘结层厚度可以构建出阻抗相位-粘结层厚度坐标系中的两个点A(BC_M，|ΔX_M/ΔR_M|)，B(BC_N，|ΔX_N/ΔR_N|)，由此得粘结层厚度和相位之间的线性模型如下：

其中BC表示粘结层厚度，k₁为线性模型的斜率，

为阻抗相位；

第五步：在阻抗坐标系中，四个标准试件分别对应M、N、P、L四个点，其中直线MN与NL的夹角为α，直线MN与MP的夹角为β，又夹角与粘结层厚度之间存在线性关系，因此构建出粘结层厚度-夹角坐标系中的两个点C(BC_N，α)，D(BC_M，β)，进一步可以求出粘结层厚度和夹角之间的模型如下：

θ＝k₂(BC)+(α-k₂(BC_N)) (4)

其中θ为夹角，k₂为线性模型的斜率，BC表示粘结层厚度；

第六步：应用第二步方法，获取待测试件T的阻抗值，并进一步求得其差分阻抗值为ΔZ_T＝ΔR_T+ΔX_T，在阻抗坐标系中对应T点，坐标为T(ΔR_T，ΔX_T)，过T点TT′∥NL交直线MN于T′(ΔR_T′，ΔX_T′)点，则直线MN与TT′夹角也为α；将T′的阻抗相位角|ΔX_T′/ΔR_T′|代入公式(2)中获得待测试件的粘结层厚度预估值BC_T′；

将BC_T′代入公式(4)中获得投影角度的修正角度α₁。过T点TT′∥NL交直线MN于T″点，则直线MN与TT′夹角为α₁，其中T″坐标为(ΔR_T″，ΔX_T″)；

第七步：将|ΔX_T″/ΔR_T″|代入函数(2)中，获得粘结层厚度BC_T″，即为最终测得的试件T的粘结层厚度。

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