CN101055265B - 功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表征和分析功能梯度材料表面和近表面性质的分层层析方法，该方法是利用声表面波的穿透性，根据不同频率声表面波在功能梯度材料表面传播性质，建立功能梯度材料的表面和近表面分层层析，其主要有以下几部分组成：1、利用计算全息技术，通过调制空间相位技术调制脉冲激光，在被测材料上产生不同波长的声表面波；2、利用常用的光学检测仪器，测量被激发微区所产生的声表面波信号，获得相应的声色散特性；3、根据声表面波在多层材料中传播模型，训练神经元网络，并通过已训练的神经元，实现微区深度方向的材料性质表征；4、利用激发源和检测光的逐点扫描，实现功能材料表面和亚表面弹性性质的分层层析。
Description
技术领域
本发明涉及一种对材料的性能进行分析的方法，具体的说是一种对功能梯度材料的表面和近表面进行分层层析方法。
背景技术
表面硬化等功能梯度材料已被广泛地应用到航空、船舶、汽车等现代生产领域，如何快速获取材料的性能参数是检测领域的研究热点之一。声对介质材料的可穿透性为材料的微区物理性能和不均匀性检测，以及内部结构和缺陷的非破坏性观察提供了可能。目前传统的成熟检测手段如扫描电子声显微镜(SEAM)、声学显微镜，超声检测系统等都无法为功能梯度材料提供可靠的表面和近表面性能参数。因此开发新型的功能梯度材料弹性性质深度剖面表征技术是非常必要的。
发明内容
1、发明目的：本发明的目的是利用计算全息和扫描技术，提出一种功能梯度材料弹性参量的深度剖面表征和缺陷分析的新方法。
2、技术方案：本发明所述的一种功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)利用计算全息技术调制脉冲激光，在材料表面激发栅距可变的栅源，利用相应栅源在材料表面激发不同频率声表面波；
(2)利用常用的激光检测方法，检测栅源区被激发的声表面波信号，通过傅氏变化，获得被激发的声表面波频率，根据栅距和频率的关系，获得微区的声表面波色散曲线。
(3)利用训练后的神经元，反演各微区深度剖面的弹性参数，再通过扫描获得整个材料表面和近表面的弹性参数分层层析。
在上述步骤(1)中，是利用空间相位调制器调制脉冲激光从而获得材料表面所需热栅源。
在步骤(2)中，通过改变空间相位调制器上相位分布使激发区的被激发栅源间距变化，检测相应声波，获得激发区的声色散曲线。
在步骤(3)中，通过扫描法获得材料各微区深度方向的弹性参数变化，并根据各微区深度方向的弹性参数变化关系，通过图象处理技术，获得材料表面和近表面的分层层析。
3、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下突出优点：(1)使用计算全息技术，并利用透射式空间相位调制器获得所需要的各类激发面源，使光路调节简单快速；(2)使用多层神经元分析技术，使数据反演快速准确；(3)使用微区扫描技术获得材料表面在深度方向的分层分析，解决了表面硬化材料等表面和近表面的分层层析和表征问题，具有极高的应用前景。
附图说明
图1是功能梯度材料的表面和近表面分层层析工作原理图。
图2是程序框图，(a)调用各全息相位图子程序，(b)系统主程序框图。
图3是空间相位调制器工作原理图。
图4是功能梯度材料表面栅间距为λ的热栅分布图。
图5是(a)功能梯度材料表面被激发的声表面波，(b)被激发声表面波的频谱。
图6是通过改变栅间距方法，在被测材料同一微区所测声色散曲线。
图7是利用数据反演所获得的被检测功能梯度材料微区深度方向弹性参数变化曲线，(a)为功能梯度材料密度随深度变化曲线，(b)功能梯度材料杨氏模量随深度变化曲线，(c)功能梯度材料泊松比随深度变化曲线。
图8是功能梯度材料在距表面0.2毫米处的密度分布图，其亮度部分为不均匀缺陷位置。
具体实施方式
图1是本发明功能梯度材料的表面和近表面分层层析的工作原理图，下面结合附图对本发明的工作过程进行详细阐述：
1)、首先利用计算全息技术，根据激光的波长、目标空间位置等计算在功能梯度材料表面产生各种栅间距所需的相位分布图，利用LabView、C、Visual C++等编写各相位图的调用控制软件(该子程序框图如图2(a)所示)，并显示在透射式空间相位调制器(如透射式LCD)上；当激光通过该相位调制器时(如图3所示)，在功能梯度材料表面产生栅间距为λ(如图4所示)的热栅分布；当激发源达到一定的强度时，被测材料上将产生波长为λ，λ/2和λ/2n n＝2，3…的声波；
2)、使用光学检测仪器如光偏转、光干涉仪以及激光多普勒干涉仪检测被测材料表面被激发区的声表面波信号(如图5(a)所示)，通过频谱分析获得该声表面波的频率f；由图5(b)频率谱可知该被激发的声波频率为19MHz和37.9MHz，该声表面波分别由一级衍射和二极衍射光产生，其声波波长分别为λ和λ/2；根据频率与波长的关系获得该表面波的声波速度V＝λf；
3)、通过控制软件调用不同的全息相位分布图，并显示在透射式空间相位调制器上，这样在被测材料同一微区产生不同频率的声表面波，如被测材料为深度方向功能梯度材料，则不同频率的声表面波声速将发生变化，可获得被测材料同一微区的声色散曲线(如图6所示)；
4)、根据微区声色散曲线，使用已训练的神经元数据反演声色散曲线，获得被测材料微区深度方向的弹性参数变化(如图7所示)；
5)、使用步进电机控制系统或转镜扫描技术扫描整个被测材料表面，在各微区重复2、3、4过程，获得各微区深度方向的弹性参数变化曲线，将各微区深度方向弹性参数联立，使用分析软件显示被测材料不同深度位置的弹性参数，实现材料深度方向的分层层析(该主程序框图如图2(b)所示)。图8为功能梯度材料在距表面0.2毫米处的材料密度分布图。其亮度部分为材料中缺陷位置。
Claims (5)
1.一种功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)利用计算全息技术调制脉冲激光，在材料表面激发栅距可变的栅源，利用相应栅源在材料表面激发不同频率声表面波；
(2)利用常用的激光检测方法，检测栅源区被激发的声表面波信号，通过傅氏变化，获得被激发的声表面波频率，根据栅距和频率的关系，获得微区的声表面波色散曲线。
(3)利用训练后的神经元，反演各微区深度剖面的弹性参数，再通过扫描获得整个材料表面和近表面的弹性参数分层层析。
2.根据权利要求1所述的功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于步骤(1)是利用空间相位调制器调制脉冲激光从而获得材料表面所需热栅源。
3.根据权利要求2所述的功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于在步骤(2)中，通过改变空间相位调制器上相位分布使激发区的被激发栅源间距变化，检测相应声波，获得激发区的声色散曲线。
4.根据权利要求1、2或3所述的功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于在步骤(3)中，通过扫描法，获得材料各微区深度方向的弹性参数变化。
5.根据权利要求1、2或3所述的功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法，其特征在于在步骤(3)中，根据各微区深度方向的弹性参数变化关系，通过图象处理技术，获得材料表面和近表面的分层层析。
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