CN102012401A - 固体材料非均匀性质的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N≥2；对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离x_i相关的N个振幅值A_i(i＝1…N)和N个相位值其中相位

是距离x_i的函数；通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；各频率时的相速度则为

f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值C_f得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。本发明不仅增大了频率范围，因此提高探测材料非均匀性的空间分辨率，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测。

Description

固体材料非均匀性质的无损检测方法

技术领域

本发明属于固体中的非均匀性质进行无损诊断的技术，特别是一种固体材料非均匀性质的无损检测方法。

背景技术

超声波在非均匀材料中传播时都会发生频散并引起基于频率变化的能量损耗。材料的非均匀性例如晶粒结构、沉积薄膜或层状结构等就是声波频散的主要原因，具体表现为超声波波形逐渐扭曲。为了实现对随深度改变的材料性质进行无损检测、薄膜、涂层等厚度进行检测以及类似的问题，必须要测量得到具有尽可能高精度的色散曲线。

现有的测量非均匀材料中的色散方法是基于探测离激发源不同距离处的两个宽带声表面波信号得到的，如文献1[Patent USA 4372163《Acoustic measurement of nearsurface property gradients》]。这种方法由于只利用了两个声表面波信号，相速度的测量误差较大。该方法采用压电换能器激发，使得频宽范围相对较窄，同时由于是接触式激发，换能器的尺寸限制使得两个声表面波之间的距离不可能太小，在确定相位差时会带来2π的不确定性，从而会带来相速度测量上的误差。

利用热栅分布的激光源可以激发不同波长的窄带声表面波，计算不同频率的声波波速得到色散曲线能对材料沿深度方向的非均匀性进行分析，如文献2[Patent CN101055265A《功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法》]。文中使用热栅分布的激光源需要高精度空间相位调制器通过控制软件调制而成，一方面设备成本较高，另一方面为保证激发效率对激光器有特殊要求，一般的纳秒级激光器并不适用；只探测固定传播距离不同中心频率的窄带信号进行相速度计算分析误差较大，并不能保证足够的测量可靠度。因此开发一种精确测量声表面波色散，进而无损检测固体材料非均匀性质的高可靠性技术是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对固体材料的空间非均匀性进行无损检测的方法，这种方法使各频率的相速度测量精度更高，可以避免相位的不确定性，能在更宽的频率范围内无损探测，因此测量材料非均匀性的空间分辨率更高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，步骤如下：

第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N≥2；

第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即：

(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离x_i相关的N个振幅值A_i(i＝1…N)和N个相位值

其中相位是距离x_i的函数；

(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；

(3)各频率时的相速度则为

f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值C_f得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用脉冲激光线源激发声表面波，不仅增大了频率范围，因此提高探测材料非均匀性的空间分辨率，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；(2)通过采集大量传播了不同距离的表面声波数据来进行色散分析，可以大大减少由有限的信噪比带来的相位计算误差和确定传播距离时的误差，从而显著提高了相速度的测量精度；(3)图2的设计方案可以控制声表面波源之间的距离足够小，使得相邻声表面波之间的相位差小于2π，从而可以有效地避免了2π的相位不确定性，提高声表面波相速度测量的精度。(4)利用脉冲激光激发宽带声表面波，改变激发点和探测点的距离，探测大量传播了不同距离的声表面波信号，根据声表面波波形随传播距离的改变计算非均匀固体中的声表面波色散。利用柱面透镜把脉冲激光聚焦成线源，作为样品表面狭长区域内的热弹源，非接触式激发垂直于线源方向传播的声表面波。(5)采用多个具有相等间距的换能器探测固定激光线源激发的声表面波，或者采用等间距的激光线源移动激发，固定位置的换能器接收大量传播了不同距离的声表面波。可以采用接触式的压电换能器探测，也可以采用非接触式的光学或电磁方法探测；在非接触式的激发或探测时，可以采用精密步进电机等间距的改变激发位置或探测位置，从而实现探测传播不同距离的声表面波信号。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是使用一个声表面波激发源和N个换能器激发和探测声表面波的设计检测系统示意图。

图2是使用步进电机移动激光线源在距换能器距离N个不同位置时探测声表面波的设计检测系统示意图。

图3是对N个信号作傅里叶变换后，给出的几个频率下相位和波传播距离的函数关系曲线图。

图4是根据相位与距离函数关系计算各频率相速度，从而得到的色散曲线。

具体实施方式

本发明固体材料非均匀性质的无损检测方法，步骤如下：

第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N≥2；

第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即：

(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离x_i相关的N个振幅值A_i(i＝1…N)和N个相位值

其中相位

是距离x_i的函数。

(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线，图3即为几个频率下相位于距离的拟合直线图。

(3)各频率时的相速度则为

f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值C_f得到色散曲线(如图4所示)，从而反映了固体材料的非均匀性质。

其中，第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的方法为两种，其中一种方法如图1所示，具体如下：

首先设计检测系统，该检测系统包含脉冲激光器、柱面透镜、N个压电换能器、固体材料样品、多通道ADC和计算机，计算机、多通道ADC、N个压电换能器依次相连；将脉冲激光器发出的短脉冲激光作为激光光源，通过柱面透镜把激光聚焦成线光源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；

各压电换能器固定在线光源中轴线方向上，分别把位于x_i(i＝1…N)处的压电换能器下压至固体材料样品表面，依次探测不同位置的声表面波信号，也即探测到传播不同距离的声表面波，并把声表面波信号转换成电信号输入多通道ADC，然后多通道ADC把各压电换能器探测到的声表面波信号转换成数字信号输入计算机，该计算机记录各声表面波的信号数据并进行后续的数据处理。

第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的第二种方法如图2所示，具体如下：

首先设计检测系统，该检测系统包括脉冲激光器、柱面透镜、步进电机、单个压电换能器、固体材料样品、单通道示波器和计算机，步进电机分别连接脉冲激光器、柱面透镜，该计算机控制单通道示波器、步进电机，单通道示波器与单个压电换能器相连。采用步进电机移动激光光束，其优点是移动空间步长很小，能够激发出大量的传播距离相隔很短的声表面波，大大了提高探测的精度。脉冲激光器激发的短脉冲激光通过柱面透镜聚焦线光源辐照在固体材料样品表面x_i(i＝1…N)的位置，作为固体材料表面的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；

其中脉冲激光器和柱面镜固定在步进电机的平移台上，计算机控制步进电机使激光线光源沿轴向精确移动，在不同的位置x_i(i＝1…N)处激发声表面波，单个压电换能器固定在线光源中轴线方向上，下压至固体材料样品表面，探测从x_i(i＝1…N)处激发的声表面波，单通道示波器把换能器探测的声表面波信号转换成数字信号输入电脑，并进行后续的数据处理。

上述换能器在固体表面沿超声传播方向的固定位置为x_i(i＝1…N)，探测N个传播了不同距离的声表面波信号，为使每个换能器的接触区域大小小于声波的特征波长，以保证由换能器带来的波形扭曲最小，因此在本设计中采用圆形探测头。

实施例

以第二种探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的方法为例，采用脉冲宽度为1纳秒，波长为532纳米的脉冲激光激发声表面波。作为非均匀性质的样品例子，采用的是硅片上附有800nm的一层金刚石薄膜，这层与基底硅不同性质的膜能使声表面波发生色散。测量得到的声表面波信号的带宽可达300MHz，比文献1中压电换能器接触式激发的声波频宽2.25MHz要高得多，因此能够测量的非均匀性的空间分辨率要高得多。再来比较这种利用N个等距点的方案与文献[1中只用两点声表面波信号得到的相速度误差。假定两点的声表面波的传播距离差为L，探测时一定程度的性噪比会引起各频率下的相位计算产生误差，假定其标准差为δ，则只用两点测算相速度的标准差为

这里f是频率。而同样在传播距离差L的范围内有N个点时的标准差为

也就是说方案得到相速度精度是文献1中的方案得到的相速度精度的倍，当N的数量很大，即N→∞时，这个系数近似值为

在第二种方法的实验中，激光源移动步长为20μm，N＝100，因此整个激光移动长度为2mm，即L＝2mm。因此根据上式计算，相比于文献1中只用两点测算的方法，在同样的传播距离差2mm的情况下，利用第二种方法测量得到的精度是文献1中的8.2倍。

Claims (4)

1.一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，其特征在于步骤如下：

第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N≥2；

第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即：

(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离x_i相关的N个振幅值A_i(i＝1…N)和N个相位值

其中相位

是距离x_i的函数；

(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；

(3)各频率时的相速度则为

f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值C_f得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。

2.根据权利要求1所述的固体材料非均匀性质的无损检测方法，其特征在于第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的方法为：

首先设计检测系统，该检测系统包含脉冲激光器、柱面透镜、N个压电换能器、固体材料样品、多通道ADC和计算机，计算机、多通道ADC、N个压电换能器依次相连；将脉冲激光器发出的短脉冲激光作为激光光源，通过柱面透镜把激光聚焦成线光源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；

各压电换能器固定在线光源中轴线方向上，分别把位于x_i(i＝1…N)处的压电换能器下压至固体材料样品表面，依次探测不同位置的声表面波信号，也即探测到传播不同距离的声表面波，并把声表面波信号转换成电信号输入多通道ADC，然后多通道ADC把各压电换能器探测到的声表面波信号转换成数字信号输入计算机，该计算机记录各声表面波的信号数据并进行后续的数据处理。

3.根据权利要求1所述的固体材料非均匀性质的无损检测方法，其特征在于第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的方法为：

首先设计检测系统，该检测系统包括脉冲激光器、柱面透镜、步进电机、单个压电换能器、固体材料样品、单通道示波器和计算机，步进电机分别连接脉冲激光器、柱面透镜，该计算机控制单通道示波器、步进电机，单通道示波器与单个压电换能器相连，脉冲激光器激发的短脉冲激光通过柱面透镜聚焦线光源辐照在固体材料样品表面xi(i＝1…N)的位置，作为固体材料表面的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；

其中脉冲激光器和柱面镜固定在步进电机的平移台上，计算机控制步进电机使激光线光源沿轴向精确移动，在不同的位置x_i(i＝1…N)处激发声表面波，单个压电换能器固定在线光源中轴线方向上，下压至固体材料样品表面，探测从x_i(i＝1…N)处激发的声表面波，单通道示波器把换能器探测的声表面波信号转换成数字信号输入电脑，并进行后续的数据处理。

4.根据权利要求2或3所述的固体材料非均匀性质的无损检测方法，其特征在于各压电换能器采用圆形探测头。

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