锁相热波成像技术对涂层厚度的测量

江海军，陈 力

(南京诺威尔光电系统有限公司， 南京 210046)

锁相热波成像技术对涂层厚度的测量

江海军，陈 力

(南京诺威尔光电系统有限公司， 南京 210046)

针对锁相热波成像技术在涂层厚度检测上的应用，简介了锁相热波成像技术基本原理，通过理论曲线分析了涂层厚度与相位的关系，结果表明采用锁相热波成像技术可有效测量涂层厚度。介绍了自行设计开发的锁相热波成像涂层检测系统，利用该系统对涂层试件进行了检测试验。结果表明：锁相频率为0.17 Hz时，对于20150 μm涂层厚度的检测的重复性好，相对标准误差在2.5%以内，对红外热像技术在涂层测量领域的应用具有指导意义。

锁相红外;涂层厚度测量;红外无损检测;热波成像无损检测;锁相热波成像

随着科学技术的快速发展，涂层及薄膜的应用越来越广泛，工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，比如要求在线、动态、非接触、实时检测等[1-3]，这些都需要采用更先进的技术和检测手段。目前检测膜层厚度的方法主要有探针法和光学法[4-7]等，但这些方法不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求。如电磁探针法属接触型的检测，不适用于很多应用场合，而且电磁探针法属于单点检测，很难形成图像，不能直观地显现出检测对象的形状和位置。而光学法大多要求试件为透明介质且表面光滑，其无法有效地检测一些诸如涂层以及漆层等非透明、非光滑表面的试件，因此需要采用新的先进无损检测技术。

锁相热波成像(也称为锁相红外成像)技术是近年来颇受关注的新型无损检测技术，其结合了红外无损检测技术与数字锁相技术的优势，降低了对热激励源能量密度的要求，也降低了热激励均匀性要求及试件表面热辐射一致性的要求，并可通过增加检测时间来提高检测结果的信噪比，因此探测灵敏度和探测能力得到了很大的提高[8-10]，可获得材料结构的更多信息。

该检测技术适用的材料比较广泛，包括金属、非金属及复合材料，对试件表面涂层的裂纹、脱粘等损伤及复合材料内部缺陷也都有很好的检测能力，因此该检测技术在航空航天、交通运输等行业具有很大的应用潜力。

1 锁相红外无损检测系统

1.1 工作原理

锁相红外无损检测系统的结构示意如图1所示，系统由红外热像仪、锁相系统、光源、图像处理及控制系统组成。其中，控制系统通过锁相模块控制光源调制出周期性热激励，光源可以为激光、卤素灯、红外灯等。

图1 锁相红外无损检测系统结构示意

利用调制装置对被测物施加正弦波形式的热源，材料内部结构对入射热波的扰动所产生的反射将在物体表面生成一个可被红外热像仪记录的变化波形，对红外热像仪记录的序列红外图像加以处理可得到相关的幅值和相位信息。其中，幅值表征了反射波和入射波的叠加，相位则表征了反射和入射波之间的相位差。通过对幅值和相位图像的分析，可以得到材料内部的一些热学信息。热波锁相成像无损检测技术有别于脉冲热波成像技术,其使用的是周期性热源，通过相关技术对噪声信号进行抑制，提取单频响应信号，使得有用的响应信号可以被检测出来。该技术结合了红外热波技术与数字锁相技术的优势，且其相位图像与材料或构件表面的辐射率、环境条件及构件结构无关，因此具有特殊的应用价值。

1.2 深度与相位关系

图2所示的是热波锁相成像技术对涂层检测的一维模型，采用调制角频率为ω的正弦调制的光激励源，其热激励功率密度为：

(1)

式中：I0为热激励最大功率密度。

图2 调制光激励源

热波与电磁波一样，在不同材料特性表面可以发生反射，在两种介质表面热波反射系数可以表示为[11]：

(2)

热波反射系数是一个常数，对于涂层厚度检测来说，材料1是涂层，材料2是基板。

热波产生于介质表面并在介质中传播，到达界面分界处时发生反射，到达介质1表面，然后又反射传播，循环形成热波反射;而由于衰减的因素，只有第一个反射波能够被探测到。在锁相红外无损检测中，厚度为d，反射系数为R的平板试件，其表面热波强度可表示为：

(3)

式中：k为材料的导热率；s为与热扩散长度有关的复数波。

(4)

图3 R=-0.9时，不同频率下缺陷深度与相位的关系曲线

从深度与相位关系可看出，相位与深度、锁相频率、反射系数有关。图3为当R=-0.9时，不同锁相频率下深度与相位的关系曲线。从图3可知：探测深度与锁相频率存在对应的关系，频率越低，探测深度越深；相位与锁相频率之间并非线性关系，但对应每一个锁相频率都有一段特定深度范围，其探测深度与相位基本成线性关系，因此可以利用这个特性对涂层的厚度进行测量。实际应用中，在涂层厚度范围基本已知的情况下，可以选择相应的锁相频率使得该厚度范围已知的涂层的相位信号最大。

为了实现锁相热波成像检测，可以采用面调制光源，连续并同步地采集热波序列图像，对每个像素点进行快速傅里叶变换(FFT)或其他快速的处理方法，获得整幅图像的振幅和相位图。

2 试验设备和材料

2.1 试验设备

试验在自主开发研制的锁相热波成像无损检测系统(见图4)上进行，采用调制激光作为热激励源，总功率为400 W，制冷型红外热像仪工作波段为35 μm，图像分辨率为640像素×512像素，帧频可调，最大满幅帧频在150 Hz。

图4 锁相红外无损检测设备

2.2 试验材料 为了模拟不同厚度的涂层进行测试试验，人工制作了模拟涂层样品，如图5所示，在尺寸(长X宽X厚)为10 mm×10 mm×2 mm的铝块上反复喷上厚度不同的漆层，通过千分尺测量,按图5中从右到左、从上到下的顺序，其厚度分别为21，31，42，70，109，128，141，155 μm。

图5 人工制作的涂层试件图片

3 试验结果

从锁相的数据分析中可得到振幅与相位两个结果，其中振幅与热激励强度分布、试件表面的吸收率及辐射率等参数有关，而使得对涂层厚度的分析变得复杂。而相位结果原理上只和材料的物理特性相关，所以在厚度测量时主要使用相位信息。

首先考查调制频率对涂层厚度与相位的影响，根据锁相红外无损检测原理中深度与相位的关系可知，对于特定的锁相频率，不同的涂层厚度，其相位值不同。首先设定调制频率为0.5 Hz，热像仪采集帧频为50 Hz，采集时间为30 s，图像采集后通过系统锁相处理软件进行处理，得到测试结果的相位，如图6所示。图6中不同颜色代表相位值的变化，即涂层厚度的变化。

图6 不同厚度涂层试件的相位结果

对每个试件的中心部分一10×10像素区域内的数值进行平均，得到涂层厚度与相位的关系曲线，如图7所示。由图7可看出，涂层厚度在2080 mm间时，与相位间具有一定的单调线性关系;当涂层厚度超过80 mm后，相位基本不随厚度的增加而发生显著变化。此时的热波波长较短，不能探测到较深的变化，但对于厚度较薄的涂层，其检测精度却会明显提高，所以更适合薄涂层的厚度测量。

图8为锁相频率Fs为0.1 Hz时，不同涂层厚度与相位的关系曲线。相对于锁相频率Fs为0.5 Hz的情况，此时热波波长更长，可检测深度更深，所以涂层厚度在20150 mm间，两者基本保持单调线性关系。

图7 试件中心区域内，涂层厚度与相位的关系曲线(Fs=0.5 Hz)

图8 试件中心区域内，涂层厚度与相位的关系曲线(Fs=0.1 Hz)

由图7，8可见，部分数据点与拟合曲线有所偏离，这是由于漆层经过多次喷涂，涂层表面不很平坦而可能造成测量误差。另外每次喷涂之间的干燥时间和温度等都不一样，会造成涂层质地有所不同，而引起偏差。因此有必要对测量的重复性进行考查，选择0.17 Hz的调制频率对试件进行了6次重复测试，同样对每个试件的中心部分一10×10像素区域内的数值进行平均，其试验数据如表1所示，6次的测量曲线如图9所示。从表1和图9可看出，一些偏离拟合曲线的测试点具有较好的重复性，故可断定这些偏离点是由样品本身而不是测试误差引起的。

表1 涂层厚度与相位关系的重复性试验数据

图9 涂层厚度检测的重复性试验数据曲线(Fs = 0.17 Hz，6次数据)

以上数据中测量系统的相对标准误差计算公式为：

(5)

图10 涂层厚度测试精度曲线

式中：d为厚度数据;d为相邻两点厚度差;φ为相位数据;φ为相邻两点测试的相位差。

由式(5)可求出系统的测试精度，如图10所示。由图10可看出，涂层厚度大于127 μm时，测量精度变差；原因为在0.17 Hz的锁相频率下，热波穿透深度有限，而对厚度大于100 μm涂层的检测灵敏度下降，从而造成误差的增加，此时可以通过降低调制频率的手段来提高检测精度。

4 结论

(1) 在自主研制的锁相热波成像涂层检测设备上对不同厚度漆层的人工试件进行了检测试验，验证了相关理论的有效性，并对结果进行了误差分析，得出其相对标准误差在2.5%以内的结论。

(2) 如果检测的涂层厚度范围已知，可以通过设置调制频率，使得该厚度范围的检测灵敏度最高，从而较大地提高检测精度。

(3) 在实际应用中，使用与试件涂层物理性质完全相同的标准试件对系统进行定标，并利用曲线进行拟合，通过该拟合曲线可实现对试件涂层厚度的测量。

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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

江海军(1988-),硕士，工程师，主要从事红外无损检测技术研究工作。

陈 力，E-mail: lchen@novelteq.com。

10.11973/wsjc201704008

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0038-04