基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法和装置与流程

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1.本发明涉及吸波涂层的测厚技术领域，尤其涉及一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法和装置。

背景技术：

2.常用的涂层测厚方法主要有机械测厚、激光测厚、超声测厚、磁性测厚、涡流测厚、射线测厚等。机械测厚一般要求涂层、基底双面可达，激光测厚虽为非接触测量但仍需双面可达；超声测厚一般需要耦合剂紧密贴合；磁性测厚、涡流测厚则分别对基底、涂层的磁性、导电性存在特定要求；射线测厚对使用防护等要求较高。目前已有的微波测厚方法，一般基于谐振腔、波导管等利用平衡电桥等原理，通常也要求直接接触涂层。
3.吸波涂层一般由磁性或介电吸收剂、粘结剂、添加剂等组分构成。涂覆型吸波涂层一般需要混合溶剂利用气压喷涂施工，经过表干、实干等阶段，需要较长时间完成固化过程。由于磁性等颗粒存在，超声测厚效果不佳。每次施工过程吸收剂电磁参数、组分比例、施工工艺等存在差异，反复标定工作量较大，特别是在材料与工艺探索阶段。接触式测量需等待涂层完全固化，工艺等待时间长，迭代优化效率低。

技术实现要素：

4.本发明主要针对以上问题，提出了一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法和装置，其目的是旨在解决弱标定或无标定情况下，利用接触或非接触微波频率谱测试，结合数值拟合电磁等参数，获得吸波涂层厚度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，包括以下步骤：根据涂层电磁参数与频率的关系，建立频率谱电磁参数表达式：，式中的为相对磁导率实部，为相对磁导率虚部，为相对介电常数实部，为相对介电常数虚部，为涂层电导率，为涂层厚度，ω为微波角频率；使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件，得到所述被测件在频率范围内的反射或透射频率谱；根据实测频率谱曲线线型及吸收峰分布，优选拟合频率范围，在该频率电磁参数作为常数处理，将频率谱表达式改写为；预设被测件电磁参数及厚度拟合初值,并设定其中各
参数的拟合上下限范围分别为：、、、、、；以所述频率谱电磁参数表达式为拟合方程、以反射或透射频率谱为已知量、以被测件电磁参数及涂层厚度作为待拟合参数，在优选的频率范围内进行数据拟合；以所述的预设初值组为起始参数，在预设的上下限范围内不断调整，使拟合曲线与实测离散数据点以预期的拟合度相吻合；若拟合度不甚理想，可以通过调整参数初值、上下限、频率范围继续进行迭代优化；最终得到所述被测件收敛的电磁参数组和拟合厚度，所述被测件的拟合厚度即为被测件的吸波涂层厚度。
6.进一步地，所述根据涂层电磁参数与频率的关系，建立频率谱电磁参数表达式的步骤包括：建立宏观模型得到频率谱信号表达式：，式中的为微波由空气入射到吸波涂层界面的反射系数，为微波在吸波涂层内的传播常数，为涂层厚度；将所述、以涂层复磁导率、复介电常数形式表示并代入频率谱信号表达式；进一步考虑涂层电导率后，以等效介电常数替代原式中复介电常数，最终得到频率谱电磁参数表达式：，式中的为真空磁导率，j为虚数单位，为真空介电常数。
7.进一步地，所述建立宏观模型得到频率谱信号表达式的步骤包括：基于微波在吸波涂层前后界面发生多次反射与透射建立宏观模型；设定微波由空气入射到吸波涂层界面的反射系数为、微波在吸波涂层内部的传输系数为、理想导体基底的反射系数为-1，使用级数求和公式计算多次出射或透射，得到总的反射率或透射率频率谱表达式为，其中为吸波涂层内的传播常数，为吸波涂层厚度。
8.进一步地，使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件频率谱实测曲线的优选方法包括：首次测试应充分利用测试系统的工作频率范围，进行完整
的频率谱扫频测试，以便全面分析频率谱曲线线型与吸收峰分布从而开展后续拟合频率优选工作；测试前进行系统校准以抑制测试系统误差；测试过程中采取多次测试平均以抑制随机误差；测试后采取多点平滑、时域门技术进行测试曲线的预处理，以抑制多路径干扰等测试环境影响；如需进行标定测量，应采取与被测件相同的测试系统、测试参数、校准及信号预处理方式。
9.进一步地，所述频率谱曲线拟合的频率范围优选方法包括：若频率谱曲线的主吸收峰频率为，设定在频率范围内，电磁参数均视为常数处理；具体的操作步骤如下：假设频率谱的完整扫频范围为，频率谱曲线主吸收峰微波频率对应曲线最小值，频率谱最大值记为,一般对应微波频率为或；以频率为中心向两侧分别查频率，使得,，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设；查过程中如出现次吸收峰或提前到达扫频边界，则以对应曲线拐点或扫频边界作为或；此时如果，可以直接选取该组作为拟合频率范围，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设，反之继续下列操作；增大使得以满足，原则上同步调整；但调整过程中保证，即吸收峰两侧带宽之比小于；同时应保证；首次可尝试预设。
10.进一步地，频率谱曲线拟合所需电磁参数初值及上下限范围的优选方法，包括：对于吸波剂、涂料参数已知，喷涂工艺稳定的待测涂层，或仅对材料工艺微调迭代的情况下，可直接使用已知电磁参数作为拟合初值，并根据经验适当上下浮动作为拟合上下限范围；对于吸波剂已知的待测涂层，通过获取吸波剂的电磁参数，在考虑涂料中粘结剂、添加剂的组分配方及喷涂工艺影响后，对吸波剂电磁参数适当调整以确定拟合初值和上下限范围；对于吸波剂参数未知的待测涂层，或需要进一步提高涂层测厚精度时，可通过制备标定件进行频率谱测试、数据拟合分析以优选拟合初值和上下限范围。
11.进一步地，所述标定件的设置与制备方法包括：标定件应与待测件使用相同的基底、吸波剂材料、涂料配方、喷涂工艺，当基底为理想导体时可使用固定厚度导体代替；标定件包括不少于2件不同厚度吸波涂层，使待测件的吸波涂层厚度在标定件的吸波涂层厚度范围内，即满足，其中为待测涂层预期厚度，为标定件涂层厚度；使所述标定件优选的拟合频率范围彼此存在重叠，否则酌情增加不同涂层厚度的标定件数量。
12.进一步地，所述标定件吸波涂层厚度的确定方法包括：喷涂前在基底背面均匀标示多个标记点，使用测厚量具测量各标记点处基底厚度；在吸波涂层固化后参照喷涂前的厚度测量方法，使用前述方法分别测量各标记点处涂层样板总厚度；将喷涂前后涂层样板各标记点厚度值对应相减，得到各标记点处吸波涂层厚度；计算各标记点吸波涂层厚度的平均值作为标定件的吸波涂层厚度。
13.进一步地，利用标定件优选频率谱拟合参数初值和上下限范围的方法包括：使用微波频率谱测试系统扫频测量标定件的微波反射率（透射率）频率谱，得到各标定件的实测频率谱曲线，从所述实测曲线确认标定件的主吸收峰分别为；若标定件厚度满足，则频率满足；分别优选得到标定件各自拟合频率范围与，满足频率范围存在重叠即，否则需增加中间厚度标定件；根据所述频率范围预设初选频率范围为；根据吸波剂、涂料配方、喷涂工艺，列出涂层电磁参数物理自洽的上下限范围：、、、、；将上述范围拆分为不少于两组有较大重合的参数组上下限范围，拆分过程以其中不确定性最大的参数为主导，并以各自上下限范围的中位值作为拟合初值；在所述频段范围内，分别对标定件进行数据拟合；对拟合失败或拟合度低的拟合参数初值组予以舍弃，可根据拟合度进一步拆分参数组上下限或调整初值以进行迭代优选；直至选择对不同标定件均具有较高拟合度的一组参数；
根据得到的拟合参数初值与上下限范围，分别在频段，在频段，进行数据拟合；分别得到收敛后的电磁参数和，综合两者确定优选的拟合参数初值和上下限范围。
14.为实现上述目的，本发明提供了一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚装置，所述装置包括：测试控制数据处理程序软件子系统，其用于实现测试过程控制、信号处理与数据拟合分析，所述测试控制数据处理程序软件子系统包括测试总控程序、扫频测试程序、信号预处理程序、频率谱拟合后处理程序；微波扫频测试硬件子系统，其用于实现频率谱扫频测量及软件存储与运行部件，所述微波扫频测试硬件子系统包括扫频信号源、信号接收器、微波通路、样品载具、控制器，其中所述控制器集成有存储与运行所述程序软件所需的处理器与存储器。
15.为实现上述目的，本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理执行时实现上述任一项所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法。
16.本发明的上述技术方案具有如下优点：该测厚方法的理论建模推导，并未基于低损耗、良介质假设，因此能够应用于中高损耗吸波材料的测试。由于拟合测量对于标定件为弱依赖关系，对于大尺寸、背面不可达等实际喷涂情境，仍然能够实现较高的精度；对于吸波剂、喷涂工艺优化迭代等过程，可以省略初始参数标定过程，提高迭代效率。小尺寸样板工艺向大尺寸实际喷涂进行工艺放大等过程，标定件与实际涂层较大差异，该拟合测量方法亦可推广使用。另外涂层喷涂完成后，从表干到实干，整个固化过程较长，使用非接触微波反射率测试，结合弱标定拟合测量，可以在固化完成前即开展测量工作，进一步提高涂层厚度、电磁参数的测量效率。
附图说明
17.图1为本发明披露的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法流程图。
18.图2为图1中吸波涂层侧厚方法的一种确定初始参数的方法流程图。
19.图3为本发明实施例中对已知厚度涂层样板进行拟合的拟合效果图。
20.图4为本发明实施例中对未知厚度涂层样板进行拟合的拟合效果图。
21.图5为本发明实施例中对四块未知厚度涂层样板进行拟合的拟合效果图。
22.图6为本发明实施例中微波频率谱测试系统的组成结构示意图。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
24.技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、
整数、步骤、操作。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
26.本领域技术人员应当理解，本发明所称的“应用”、“应用程序”、“应用软件”以及类似表述的概念，是业内技术人员所公知的相同概念，是指由一系列计算机指令及相关数据资源有机构造的适于电子运行的计算机软件。除非特别指定，这种命名本身不受编程语言种类、级别，也不受其赖以运行的操作系统或平台所限制。理所当然地，此类概念也不受任何形式的终端所限制。
27.在一种实施例中，本发明提供了一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，如图1、图2所示，包括如下步骤：步骤s100：根据涂层电磁参数与频率的关系，建立频率谱电磁参数表达式：（式11）式11中的为相对磁导率实部，为相对磁导率虚部，为相对介电常数实部，为相对介电常数虚部，为涂层电导率，为涂层厚度，ω为微波角频率。
28.在本步骤s100中，得到上述频率谱电磁参数表达式包括如下步骤:步骤s101:宏观建模得到频率谱信号表达式，具体的，基于微波在吸波涂层前后界面发生多次反射与透射建立宏观模型：设微波由空气入射到吸波涂层界面的反射系数为；微波在吸波涂层内部的传输系数为，其中为微波在吸波涂层内的传播常数，为涂层厚度；如为金属基底，按照理想导体处理，则底面反射系数为-1；如为非金属基底或包含底涂、面涂等多层界面，可适当增加参数。使用级数求和公式计算多次出射（或透射）得到总的反射率（或透射率）频率谱表达式为。
29.需要说明的是，本实施例并未对获得总的反射率（或透射率）频率谱表达式的方式进行任何限制，例如，亦可直接联立边界条件求解得出该表达式。
30.步骤s102：微观展开得到频率谱电磁参数表达式，具体的，设涂层相对复磁导率为：（式12）相对复介电常数为：（式13）考虑涂层电导率后的等效介电常数为：（式14）式12-14中，为真空磁导率，j为虚数单位，为真空介电常数；σ为涂层电导率，
ω为微波（角）频率。那么步骤101中涂层传播常数，界面反射系数，其中为涂层的波阻抗，为真空（空气）的波阻抗。由此可以得到总的反射率（或透射率）频率谱表达式为：（式15）步骤s200：使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件，得到所述被测件的在频率范围内反射或透射频率谱。
31.在本步骤s200中，微波频率谱测试系统为反射率（或透射率）微波频率谱测试装置，当需要测试多个标定件或被测件时，使用相同测试参数和校准方案分别扫频测量，并使用相同的信号预处理方案；具体的，使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件的频率谱实测曲线的优选方法包括：首次测试应充分利用测试系统的工作频率范围，进行完整的频率谱扫频测试，以便全面分析频率谱曲线线型与吸收峰分布从而开展后续拟合频率优选工作。
32.测试前应进行系统校准以抑制测试系统误差；测试过程中采取多次测试平均等方法以抑制随机误差；测试后应采取多点平滑、时域门等技术进行测试曲线的预处理，以抑制多路径干扰等测试环境影响。
33.该测试方法对反射率或透射率绝对精度为弱依赖关系，可充分利用时域门等技术抑制环境散射信号、保留涂层上下表面反射信号，以使测试物理过程贴近使用的上述宏观模型。
34.该测试方法对测试结果的相对一致性强依赖，应使用响应校准抑制微波通路及信号接收器等对不同频率微波响应差异造成的误差；如需进行标定测量，应采取与被测件相同的测试系统、测试参数、校准及信号预处理方式。
35.步骤s300：根据实测频率谱曲线线型及吸收峰分布，优选拟合频率范围，在该频率电磁参数变化缓慢作为常数处理，频率谱表达式可改写为。需要说明的是，所述的“变化缓慢”实践中以能够实现较高曲线拟合度为标准。
36.在步骤s300中，若频率谱曲线的主吸收峰频率为，设定在频率范围内，电磁参数变化缓慢或不变，均视为常数处理；频率优选的基本原则为：保证足够小以满足电磁参数缓变假设的前提下，使得足够大，以提取满足曲线拟合的线型信息；可以通过曲线拟合度间接判断频率范围的优选效果，适时迭代调整以进一步提高优选拟合度。关于“足够小”、“足够大”的解释以及具体操作步骤如下：
假设频率谱的完整扫频范围为，频率谱曲线主吸收峰微波频率对应曲线最小值，频率谱最大值记为，一般对应微波频率为或；以频率为中心向两侧分别查频率，使得,，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设；查过程中如出现次吸收峰或提前到达扫频边界，则以对应曲线拐点或扫频边界作为或；此时如果，可以直接选取该组作为拟合频率范围，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设，反之继续下列操作；增大使得以满足，原则上同步调整；但调整过程中保证，即吸收峰两侧带宽之比小于；同时应保证；首次可尝试预设。
37.步骤s400：预设被测件电磁参数及厚度拟合初值,设定被测件相对磁导率实部的拟合上下限范围、被测件相对磁导率虚部的拟合上下限范围、被测件相对介电常数实部的拟合上下限范围、被测件相对介电常数虚部的拟合上下限范围、被测件磁导率的上下限范围；以及被测件涂层厚度的上下限范围。
38.在具体的材料、工艺研发或实际施工过程中，可以直接设定拟合过程中被测件的电磁参数初值和上下限范围、、、、，进行频率谱参数拟合。从而可以实现弱标定或无标定情况下，通过进行微波频率谱测试，结合数值拟合电磁等参数，获得吸波涂层厚度。
39.步骤s500：以所述频率谱电磁参数表达式为拟合方程、以反射或透射频率谱为已知量、以被测件电磁参数及涂层厚度作为待拟合参数，在优选的频率范围内进行数据拟合；以所述的预设初值组
为起始参数，在预设的上下限范围内不断调整，使拟合曲线与实测离散数据点以预期的拟合度相吻合；若拟合度不甚理想，可以通过调整参数初值、上下限、频率范围继续进行迭代优化；最终得到所述被测件收敛的电磁参数组和拟合厚度，所述被测件的拟合厚度即为被测件的吸波涂层厚度。
40.在步骤s200-s500中，可以通过经验预测大致判断得到被测件电磁参数中的每一个参数的大致范围，该范围即为拟合参数上下限范围，在步骤s200过程中，得到了该被测件的实测频率谱曲线，从中出主吸收峰频率位置，进而优选拟合频率范围；使用带约束的非线性曲线拟合程序，在拟合上下限范围内不断微调拟合参数，得到拟合曲线并利用最小二乘等方法计算拟合残差，使拟合曲线的线型逐渐趋于实测曲线；当两条曲线基本重合，拟合残差达到预期目标时，该拟合过程中收敛后的参数即认为是被测件在该频率内的（平均）电磁参数，及吸波涂层厚度。
41.优选的，频率谱曲线拟合所需电磁参数初值及上下限范围的优选方法，包括：对于吸波剂、涂料参数已知，喷涂工艺稳定的待测涂层，或仅对材料工艺微调迭代的情况下，可直接使用已知电磁参数作为拟合初值，并根据经验适当上下浮动作为拟合上下限范围；对于吸波剂已知的待测涂层，使用厂家提供的吸波剂电磁参数，或使用同轴、波导等方法测试吸波剂本身电磁参数；在考虑涂料中粘结剂、添加剂的组分配方及喷涂工艺影响后，对吸波剂电磁参数适当调整以确定拟合初值和上下限范围；对于吸波剂参数未知的待测涂层，或需要进一步提高涂层测厚精度时，可通过制备标定件进行频率谱测试、数据拟合分析以优选拟合初值和上下限范围。
42.当被测件吸波涂层的吸波剂、涂料配方、喷涂工艺可复现时，可以通过以相同材料工艺制作标定件的方式，增进对涂层电磁参数的掌握，从而提高涂层测厚的精度。含标定过程的测厚方法包括以下步骤：s01：频率谱电磁参数表达式的建立：；s02：标定件的设置与制备方法包括：标定件应与待测件使用相同的基底、吸波剂材料、涂料配方、喷涂工艺，基底为理想导体时可使用固定厚度导体代替；标定件一般应包括不少于2件不同厚度吸波涂层，使待测件的吸波涂层厚度在标定件的吸波涂层厚度范围内，即满足，其中为待测涂层预期厚度，为标定件涂层厚度；使上述优选的标定件拟合频率范围彼此存在重叠，否则酌情增加不同涂层厚度的标定件数量。
43.s03：标定件吸波涂层厚度的确定方法包括：喷涂前在基底背面均匀标示多个标记点，使用测厚量具测量各标记点处基底厚度
；在吸波涂层固化后参照喷涂前的厚度测量方法，使用前述方法分别测量各标记点处涂层样板总厚度；将喷涂前后涂层样板各标记点厚度值对应相减，得到各标记点处吸波涂层厚度；计算各标记点吸波涂层厚度的平均值作为标定件的吸波涂层厚度。
44.s04：频率谱测试由微波频率谱测试系统使用相同测试参数和信号处理方案分别扫频测量标定件和被测件，得到标定件（）、待测件（）的实测反射率（或透射率）频率谱曲线，从所述实测曲线图谱得到标定件和被测件的主吸收峰分别为。
45.s05：初始参数标定频率谱，主吸收峰分别为。根据s02所述满足则一般认为成立。根据标定件主吸收峰，分别优选各自对应的拟合频率范围与；根据所述频率范围预设标定阶段初选频率范围为；以频率谱表达式为拟合方程，以待拟合参数，实测频率谱和厚度为已知量进行数据拟合。拟合频率范围同时覆盖标定用涂层样板主吸收峰。
46.拟合过程中可以根据对吸波涂料或所使用吸波剂的大致了解，对初始参数进行大胆设置。如果对吸波剂材料、喷涂工艺完全未知，不同初始参数可能产生不止一组能较好拟合单块涂层样板频率谱的拟合参数，如或。但自洽的拟合参数需要同时满足多块标定用涂层样板频率谱的拟合，对拟合失败或拟合度低的拟合参数初值组予以舍弃，最终可以得到拟合参数，多值性问题由此得到解决。
47.缩小拟合频率范围至仅覆盖单个标定件主吸收峰，即分别在频率对，在频率对，进行数据拟合；分别得到收敛后的电磁参数和；综合和，确定优选的拟合参数初值和上下限范围。
48.s06：对待测件涂层厚度进行测定
由于已知厚度涂层的标定件分别为，且，在对未知厚度涂层的待测件进行厚度拟合时，可以首先将待测件的电磁参数限定在前述拟合参数和之间。设定拟合过程中待测件的参数初值为；参数上下限范围，，，，，，可适当调整以使拟合度达到最佳，即使实测数据点与拟合曲线的残差趋于0，从而得到，由此获得待测涂层厚度以及测试频率内的平均电磁参数及电导率。
49.在上述实施例中，该拟合测量方法理论建模推导过程中，并未基于低损耗、良介质假设，因此可应用于中高损耗吸波材料的测试。电磁参数缓变假设，通过恰当选择拟合频率范围可以得到保证。由于拟合测量对于标定件为弱依赖关系，对于大尺寸、背面不可达等实际喷涂情境，仍然能够实现较高的精度。对于吸波剂、喷涂工艺优化迭代等过程，可以省略初始参数标定过程，提高迭代效率。小尺寸样板工艺向大尺寸实际喷涂进行工艺放大等过程，标定件与实际涂层较大差异，该拟合测量方法亦可推广使用。另外涂层喷涂完成后，从表干到实干，整个固化过程较长，使用非接触微波反射率测试，结合弱标定拟合测量，可以在固化完成前即开展测量工作，进一步提高涂层厚度、电磁参数的测量效率。
50.下面将结合具体示例来对基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法进行详细说明。
51.1）建模推导频率谱表达式对金属基底单一均匀涂层进行多次反射建模：微波从空气入射到吸波涂层界面的反射系数为，根据麦克斯韦方程组和边界条件透射率为；微波从吸波涂层反向出射到空气中时，反射系数为，透射率为；电磁波在吸波涂层内部的传输系数为，金属基底底面反射系数为-1。那么微波在吸波涂层样板上，将发生多次反射与透射，具体情况如表1：表1
综合后吸波涂层表面总的反射为，使用级数求和公式计算得到总的反射率频率谱表达式。进一步进行微观展开和介电等效，得出具体的表达式。
52.2）吸波涂层样板制备使用相同吸波涂料配方在同一批次完成四块不同厚度涂层样品的喷涂工作。喷涂基底为180mm
×
180mm
×
4mm铝板，喷涂前在铝板背面均匀标示九个测量点，然后使用深弓千分尺测量铝板厚度并计算平均厚度。按照固定顺序依次对铝板进行喷涂，喷涂一层后进行下一层喷涂。待喷涂达到一定层数后，依次停止对指定样板喷涂。实际1#样品喷涂12层、2#喷涂16层、3#喷涂20层、4#喷涂23层。在吸波涂层固化后参照喷涂前的厚度测量方法，按照前述九点顺序分别测量各枚涂层样板。将喷涂前后各枚样品九点厚度值对应相减，可以得到吸波涂层本身厚度，厚度结果如表2所示。
53.表2
3）频率谱（反射率）测试使用一对小型近场vivaldi对踵天线作为频率谱测厚系统中的宽频微波天线2，其有效频率范围覆盖2 ghz—18 ghz。微波天线及吸波涂层1外使用小型微波暗室降低外界信号干扰。选用keysight e5071c矢量网络分析仪作为测试仪11，实现扫频信号源3及信号接收器4的功能；利用内置的b.14.08固件s参数测试模式实现扫频测试程序6的功能，结合配置的时域分析（010、tdr）选件实现信号处理程序7的功能。另外配置主控计算机一台实现上位控制器10的功能，并运行使用labview编写的频率谱参数拟合程序8以及测试总控程序9。利用测试总控程序可以统一控制网络分析扫频测试过程并读取预处理频率谱数据。使用这套（垂直反射率）频率谱测试系统，测量四块涂层样板的微波垂直反射率频率谱。
54.4）初始参数标定将四块涂层样品中最薄（1#）与最厚（4#）的两块样品作为标定件进行拟合。拟合范围的选择主要考虑完整包含吸收峰，同时能够维持较高的拟合度，具体如图3所示，图3中主吸收峰中心大概在11ghz处，主吸收峰中心大概在5.5ghz处，初次拟合范围的选择需要同时较为完整地包含吸收峰和，最终使用的拟合范围为2ghz—14ghz，和的拟合度分别达到99.998%和99.881%。具体拟合效果如所图3所示（需要说明的是，图3中显示的两条曲线实际为四条曲线，其中，包括两条拟合曲线和两条实测曲线，最薄（1#）与最厚（4#）的拟合曲线和实测曲线因拟合度达到99.998%和99.881%，导致两条曲线看似完全重合），得到的电磁参数、磁导率等拟合参数如表3所示。
55.表3中已知厚度涂层样板在拟合中得到的电磁参数存在一定差异，实际测量过程也无需追求标定试样参数完全一致，主要解决多值性问题，并大致划定后续拟合初始参数即可。
56.表35）强标定测量由于已知厚度涂层样品分别为最厚（4#）与最薄（1#）样品，在对未知厚度涂层进行厚度拟合时，首先将电磁参数限定在前述拟合参数之间。在设置拟合参数上下限边界后，对2#和3#样品的电磁参数和厚度同时进行了拟合。拟合效果如图4所示，具体的厚度、电磁参数与磁导率等参数拟合结果如表4所示。
57.表4将2#和3#样品的实测厚度与拟合得到的厚度进行比较，相互之间偏差情况如表5
所示，图6为拟合厚度值与实测平均厚度对比。可以看到拟合效果是比较好的。
58.表56）弱标定测量由于上述拟合过程中，并未对电磁参数做过于严格的限制，依然取得了较好的拟合效果。进一步大胆假设，所有四块涂层样品均厚度未知，仅对涂层电磁参数大致范围有一定了解。在表6中（表6为拟合过程中预设电磁参数上下限与初值），对拟合参数进行了较为宽泛的设定。
59.表6由于参数范围较为宽泛，继续使用较宽的拟合频率已经不能满足需求。此处的拟合频率选择原则为以吸收峰为中心，带宽在满足拟合度高于99.9999%的前提下尽可能宽。拟合效果如图5所示。具体的拟合频率与拟合参数见表7（表7为设定参数范围涂层电磁参数拟合结果）。
60.表7从表8（表8为设定参数范围涂层厚度拟合偏差）可以看到对四块涂层样品的厚度拟合偏差都控制在10%以内。虽然该结果较宽频率拟合要略大，但由于该方法假定不进行专门的标定过程，因此更具有普适意义。在实际喷涂过程中，对于已有初步研究的吸波涂料配方，可利用该方法实现“无标定”微波反射率测量涂层厚度。
61.表8
在又一种实施例中，本发明还提供了一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚装置，用于对待测件或标定件进行测量，如图6所示是与本发明实施例提供的基于微波频率谱的吸波涂层测厚装置的部分结构的框架，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。
62.该测厚装置具备微波扫频测试功能、频率谱拟合等分析处理功能，可以实现涂层厚度的测量及涂层电磁参数、电导率的预估。包括：测试控制数据处理程序软件子系统与微波扫频测试硬件子系统。
63.其中，测试控制数据处理程序软件子系统，其用于实现测试过程控制、信号处理与数据拟合分析，所述测试控制数据处理程序软件子系统包括测试总控程序9、扫频测试程序6、信号预处理程序7、频率谱拟合后处理程序8等；其中，微波扫频测试硬件子系统，其用于实现频率谱扫频测量及软件存储与运行载体，所述微波扫频测试硬件子系统包括：扫频信号源3、信号接收器4、微波通路、样品载具、控制器10或12等，所述控制器集成有存储与运行所述程序软件所需的处理器与存储器。
64.本领域技术人员可以理解，图6中示出的频率谱测试系统组成示意图并不构成对频率谱测试系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件、或者组合某些部件、或者不同的部件布置。
65.微波扫频测试硬件子系统可以使用商用网络分析仪，此时网络分析仪同时承担扫频信号源3、信号接收器4功能，整体构成测试仪11并内置扫频测试程序6、信号处理程序7；而测试总控程序9、频率谱拟合处理程序8则可以安装于工控计算机等作为上位控制器12。使用独立扫频信号源3和信号接收器4时，所有程序软件6—9可以安装于同一计算机或嵌入式系统作为综合控制器10。
66.非接触测量场景下，微波通路包括一到两组宽频微波天线2及配套微波线缆5，用于将微波信号作用于涂层样品并收集涂层样品的反射或透射微波信号。亦可使用同轴、波导等微波元件进行接触式测量，此时同轴、波导等同时承担样品载具功能。非接触场景的样品载具通常置于微波暗室等容器内，以减少测试误差。样品载具可以附加距离、角度、俯仰调节等功能；亦可增加标定件的厚度校准装置，如卡尺、千分尺、激光传感器等。
67.另外，无论综合控制器10亦或测试仪11与上位控制器12组合，均集成有存储器与处理器。存储器可用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行软件程序的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据频率谱测试系统的使用所创建的数据。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他
易失性固态存储器件。
68.上述测厚装置的子系统如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明可以实现上述实施例所述的吸波涂层测厚方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上文方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
69.本技术的说明书和权利要求书中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数值、步骤、部件或它们的组合。
70.本发明的一些特征，为阐述清晰，分别在不同的实施例中描述，然而，这些特征也可以结合于单一实施例中描述。相反，本发明的一些特征，为简要起见，仅在单一实施例中描述，然而，这些特征也可以单独或以任何合适的组合于不同的实施例中描述。
71.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：根据涂层电磁参数与频率的关系，建立频率谱电磁参数表达式：，式中的为相对磁导率实部，为相对磁导率虚部，为相对介电常数实部，为相对介电常数虚部，为涂层电导率，为涂层厚度，ω为微波角频率；使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件，得到所述被测件在频率范围内的反射或透射频率谱；根据实测频率谱曲线线型及吸收峰分布，优选拟合频率范围，将频率电磁参数作为常数处理，将频率谱表达式改写为；预设被测件电磁参数及厚度拟合初值,并设定其中各参数的拟合上下限范围分别为：、、、、、；以所述频率谱电磁参数表达式为拟合方程、以反射或透射频率谱为已知量、以被测件电磁参数及涂层厚度作为待拟合参数，在优选的频率范围内进行数据拟合；以所述预设被测件电磁参数及厚度拟合初值为起始参数，在预设的上下限范围内不断调整，使拟合曲线与实测离散数据点以预期的拟合度相吻合；若拟合度不甚理想，可以通过调整参数初值、上下限、频率范围继续进行迭代优化；最终得到所述被测件收敛的电磁参数组和拟合厚度，所述被测件的拟合厚度即为被测件的吸波涂层厚度。2.如权利要求1所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，所述根据涂层电磁参数与频率的关系，建立频率谱电磁参数表达式的步骤包括：建立宏观模型得到频率谱信号表达式：，式中的为微波由空气入射到吸波涂层界面的反射系数，为微波在吸波涂层内的传播常数，为涂层厚度；将所述、以涂层复磁导率、复介电常数形式表示并代入频率谱信号表达式；进一步考虑涂层电导率后，以等效介电常数替代原式中复介电常数，最终得到频率谱电磁参数表达式：，
式中的为真空磁导率，j为虚数单位，为真空介电常数。3.如权利要求2所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，所述建立宏观模型得到频率谱信号表达式的步骤包括：基于微波在吸波涂层前后界面发生多次反射与透射建立宏观模型；设定微波由空气入射到吸波涂层界面的反射系数为、微波在吸波涂层内部的传输系数为、理想导体基底的反射系数为-1，使用级数求和公式计算多次出射或透射，得到总的反射率或透射率频率谱表达式为，其中为吸波涂层内的传播常数，为吸波涂层厚度。4.如权利要求1所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，使用微波频率谱测试系统扫频测量被测件频率谱实测曲线的优选方法包括：首次测试应充分利用测试系统的工作频率范围，进行完整的频率谱扫频测试，以便全面分析频率谱曲线线型与吸收峰分布从而开展后续拟合频率优选工作；测试前进行系统校准以抑制测试系统误差；测试过程中采取多次测试平均以抑制随机误差；测试后采取多点平滑、时域门技术进行测试曲线的预处理，以抑制多路径干扰等测试环境影响；如需进行标定测量，应采取与被测件相同的测试系统、测试参数、校准及信号预处理方式。5.如权利要求1所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，所述频率谱曲线拟合的频率范围优选方法包括：若频率谱曲线的主吸收峰频率为，设定在频率范围内，电磁参数才均视为常数处理；具体的操作步骤如下：假设频率谱的完整扫频范围为，频率谱曲线主吸收峰微波频率对应曲线最小值，频率谱最大值记为,一般对应微波频率为或；以频率为中心向两侧分别查频率，使得,，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设；查过程中如出现次吸收峰或提前到达扫频边界，则以对应曲线拐点或扫频边界作为或；此时如果，可以直接选取该组作为拟合频率范围，优选的与吸波涂层特性有关，首次可尝试预设，反之继续下列操作；增大使得以满足，原则上同步调整；但调整过程中保证
，即吸收峰两侧带宽之比小于；同时应保证；首次可尝试预设。6.如权利要求5所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，频率谱曲线拟合所需电磁参数初值及上下限范围的优选方法，包括：对于吸波剂、涂料参数已知，喷涂工艺稳定的待测涂层，或仅对材料工艺微调迭代的情况下，可直接使用已知电磁参数作为拟合初值，并根据经验适当上下浮动作为拟合上下限范围；对于吸波剂已知的待测涂层，通过获取吸波剂的电磁参数，在考虑涂料中粘结剂、添加剂的组分配方及喷涂工艺影响后，对吸波剂电磁参数适当调整以确定拟合初值和上下限范围；对于吸波剂参数未知的待测涂层，或需要进一步提高涂层测厚精度时，可通过制备标定件进行频率谱测试、数据拟合分析以优选拟合初值和上下限范围。7.如权利要求6所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，所述标定件的设置与制备方法包括：标定件应与待测件使用相同的基底、吸波剂材料、涂料配方、喷涂工艺，当基底为理想导体时可使用固定厚度导体代替；标定件包括不少于2件不同厚度吸波涂层，使待测件的吸波涂层厚度在标定件的吸波涂层厚度范围内，即满足，其中为待测涂层预期厚度，为标定件涂层厚度；使所述标定件优选的拟合频率范围彼此存在重叠，否则酌情增加不同涂层厚度的标定件数量。8.如权利要求7所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，所述标定件吸波涂层厚度的确定方法包括：喷涂前在基底背面均匀标示多个标记点，使用测厚量具测量各标记点处基底厚度；在吸波涂层固化后参照喷涂前的厚度测量方法，使用前述方法分别测量各标记点处涂层样板总厚度；将喷涂前后涂层样板各标记点厚度值对应相减，得到各标记点处吸波涂层厚度；计算各标记点吸波涂层厚度的平均值作为标定件的吸波涂层厚度。9.如权利要求5所述的一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法，其特征在于，利用标定件优选频率谱拟合参数初值和上下限范围的方法包括：使用微波频率谱测试系统扫频测量标定件的微波反射率频率谱或微波透射率频率谱，得到各标定件的实测频率谱曲线，从实测曲线确认标定件的主吸收峰分别为；若标定件厚度满足，则频率满足；分别优选得到标定件各自拟合频率范围与，满足频率范围存在重叠即
，否则需增加中间厚度标定件；根据所述频率范围预设初选频率范围为；根据吸波剂、涂料配方、喷涂工艺，列出涂层电磁参数物理自洽的上下限范围：、、、、；将上述范围拆分为不少于两组有较大重合的参数组上下限范围，拆分过程以其中不确定性最大的参数为主导，并以各自上下限范围的中位值作为拟合初值；在所述初选频率范围内，分别对标定件进行数据拟合；对拟合失败或拟合度低的拟合参数初值组予以舍弃，可根据拟合度进一步拆分参数组上下限或调整初值以进行迭代优选；直至选择对不同标定件均具有较高拟合度的一组参数；根据得到的拟合参数初值与上下限范围，分别在频段，在频段，进行数据拟合；分别得到收敛后的电磁参数和，综合两者确定优选的拟合参数初值和上下限范围。10.一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚装置，其特征在于，所述装置包括：测试控制数据处理程序软件子系统，其用于实现测试过程控制、信号处理与数据拟合分析，所述测试控制数据处理程序软件子系统包括测试总控程序、扫频测试程序、信号预处理程序、频率谱拟合后处理程序；微波扫频测试硬件子系统，其用于实现频率谱扫频测量及软件存储与运行载体部件，所述微波扫频测试硬件子系统包括扫频信号源、信号接收器、微波通路、样品载具、控制器，其中所述控制器集成有存储与运行所述程序软件所需的处理器与存储器。

技术总结

本发明涉及一种基于微波频率谱的吸波涂层测厚方法和装置：通过宏观建模得到频率谱信号表达式、微观展开得到频率谱电磁参数表达式；制作标定件、对标定件或被测件进行频率谱测试，得到标定件或被测件的反射或透射频率谱实测曲线；以频率谱电磁参数表达式为拟合方程、以反射或透射频率谱为已知量、以被测件或标定件电磁参数和涂层厚度作为待拟合参数，在优选后的频率范围内进行数据拟合，在预设的初值上下限范围内不断调整待拟合参数，使拟合曲线与实测离散数据点相吻合，得到标定件或被测件的拟合厚度；从而解决弱标定或无标定情况下，利用非接触微波频率谱测试，结合数值拟合电磁等参数，获得吸波涂层厚度。获得吸波涂层厚度。获得吸波涂层厚度。