CN106198729B - 一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统 - Google Patents

一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统。系统中，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，通过压电换能器作用在样品上产生声板波；外差探测激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号，位于位移平台上的探头探测到的干涉信号在示波器上显示出相应的波形；示波器和位移平台分别与计算机联机，计算机用来控制位移平台的扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息，并对数据进行后处理获得样品声板波的场分布信息。本发明利用外差激光干涉仪探测样品表面单点振动的功能与位移平台相结合，可以按照需要实现对样品表面某一区域以某一精度进行扫描获得该区域的场分布信息。

Description

一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统
技术领域
本发明涉及一种外差激光探测干涉仪，特别涉及一种板波(Lamb波)光干涉扫描探测系统。
背景技术
在板波(Lamb波)研究领域，探测和确定小振幅表面振动的特点是非常重要的。对于KHz以上频率的应用，典型的最大的振幅大概在几纳米数量级。这种情况下环境的扰动对设备测量精度的影响非常显著，非接触的测量方法显得尤为重要。激光干涉仪提供了非接触的光学测量方法，可用来探测这种表面振动，一种简便的方法就是采用零差迈克尔逊干涉仪，它包括测量臂和参考臂。将表面振动的样品放置在测量臂上，表面振动引起测量臂上的光程差发生改变，相应的与参考臂的相位差产生变化，这样激光干涉仪将相位差转变为两臂上光束叠加后的强度变化，最终的光强信号由光探测器接收。这样在接收到的光强与表面振幅之间建立了联系。光强的干涉项由式子(1)表示，I1和I2分别为参考臂和测量臂的光强，A为表面振动的振幅，fSAW为表面振动的频率，λ为激光的波长，为环境因素在两束光之前引起的缓慢相位变化。
另外一种方法就是采用外差探测激光干涉仪，激光源发出的光经分光镜分成两束，之后使参考臂和测量臂中的某一束光的频率对于原始频率f发生微小的频移fm(fm＜＜f)变为f+fm。测量臂经过样品表面反射最终与参考臂的光发生干涉作用，得到光强的干涉项为：
在外差探测中环境因素导致的缓慢相位变化仅仅作为总相位变化中的一部分，因此这种测量方法在普通的工作平面上即可探测(无需高精度的光学平台)，并且几乎不受样品表面的粗糙、台阶起伏、反射率起伏的影响。
发明内容
针对以上的技术现状进行分析，考虑到实验室环境中不可避免存在着噪声干扰，本发明提出一种外差激光探测和扫面平台相结合的板波(Lamb波)光干涉扫描探测系统，以获得样品自聚焦二维表面的场分布信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、位移平台、探头、压电换能器、外差探测激光干涉仪、示波器和计算机，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，通过压电换能器作用在样品上产生声板波；外差探测激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号，位于位移平台上的探头探测到的干涉信号在示波器上显示出相应的波形；示波器和位移平台分别与计算机联机，计算机用来控制位移平台的扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息，并对数据进行后处理获得样品声板波的场分布信息。
所述信号发生器用于激发100KHz频率的信号。
所述功率放大器与压电换能器连接，压电换能器位于样品的表面。
进一步地，所述位移平台由X、Y、Z三轴扫描平台构成，其中X轴、Y轴的扫描平台上下交叠放置，Z轴的扫描平台垂直于XY平面；所述位移平台由三轴控制器驱动。
优选地，所述位移平台的最小步长为1.25μm，最大移动速度为20mm/s，最大载重为10KG。
所述外差激光干涉仪包括1550nm光纤激光器、三个半波片、三个偏振分光镜、两个反射镜、两个1/4波片、聚焦透镜、光折变晶体和光电探测器；1550nm光纤激光器发出的光经过第一半波片和第一偏振分光镜后分为透射光和反射光，其中透射光依次经过第一反射镜、第二偏振分光镜、第一1/4波片和聚焦透镜入射到样品表面经反射后返回，返回的光束通过第二半波片后与反射光通过第三半波片和第二反射镜后的光束一起入射到光折变晶体上，发生相干叠加产生干涉信号，干涉信号经过第二1/4波片和第三偏振分光镜由光电探测器探测干涉后的光强。
优选地，所述外差探测激光干涉仪的最大功率为2.5W，焦斑直径为125μm。
所述计算机利用Labview程序对样品上每个点的振动信息进行数据提取，提取的数据包括坐标、相位和幅值，最终使用Matlab软件进行数据后处理获得扫描区域的场分布信息。
所述样品的四周设有吸声胶。吸声胶由质量百分比为55％-75％的环氧树脂和质量百分比为25％-45％的钨粉组成。
优选地，所述吸声胶由质量百分比为65％的环氧树脂和质量百分比为35％的钨粉组成。
本发明的板波(Lamb波)波光干涉扫描探测系统结合了外差激光探测和自聚焦二维平面扫描，外差激光探测可以获取样品表面单个点的完全的板波(Lamb波)振动信息，同时不需要高精度的光学平台且对环境噪声具有很强的免疫能力，可以满足大多情况下实验室的使用。结合精密位移平台(最小步长1.25μm)的自聚焦二维平面扫描，可以实现对宏观大尺寸(厘米尺度)样品板波(Lamb波)器件表面的宏观尺度区域进行快速(单点扫描时间间隔＜2秒)精确扫描，其中按照特定比例混合的吸声胶在100KHz下可以达到4dBcm-1的场吸声效果，基本可以实现平面波无反射。通过示波器实时显示每个点的干涉信号，并利用Labview程序对每个点的振动信息进行数据提取包括坐标、相位和幅值，最终使用Matlab进行数据后处理获得扫描区域的场分布信息。本发明利用外差激光干涉仪探测样品表面单点振动的功能与位移平台相结合，可以按照需要实现对样品表面某一区域以某一精度进行扫描获得该区域的场分布信息。
附图说明
图1为本发明的声板波(Lamb波)光干涉扫描探测系统示意图；
图2为本发明的声板波(Lamb波)光干涉扫描探测系统中外差激光干涉仪的内部光路示意图；
图3为本发明的自聚焦二维平面扫描样品示意图，(a)线声源扫描样品，(b)点声源扫描样品；图中1-线声源，2-吸声胶，3-点声源，4-扫描区域。
图4为本发明的自聚焦线声源扫描结果分布图，其中(a)能量分布图，(b)相位分布图。
图5为本发明的自聚焦点声源扫描结果分布图，其中(a)能量分布图，(b)相位分布图。
具体实施方式
扫描平台和示波器与计算机联机，并利用Labview程序来设置扫描区域和扫描精度(步长)。示波器实时显示扫描区域中每个点的干涉信号波形，Labview程序提取每个点的坐标、相位和幅值信息。获取的信息存入文件中，最后利用Matlab进行数据后处理获取场分布图。
如图1所示，本发明的板波(Lamb波)光干涉扫描探测系统，该系统包括信号发生器、功率放大器、位移平台、光纤探头、压电换能器、外差探测激光干涉仪、示波器和计算机组成。其中信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，通过设置在样品表面的压电换能器作用在样品上，产生板波(Lamb波)。外差探测激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面返回与参考臂激光相干叠加产生干涉信号，位于位移平台上的光纤探头探测到的干涉信号在示波器上显示出相应的波形。示波器和位移平台与计算机联机，并利用Labview程序来控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅和相位信息。
本实施例中，样品采用304不锈钢板，尺寸分别为100mm*300和300mm*300mm。信号发生器和示波器为Agilent公司生产的DSOX2024A集成信号发生器功能的新型示波器，带宽200MHz。功率放大器采用隆仪电子科技的DGR-150W，最大输入电压信号10Vp-p，最大输出功率150W，置于信号发生器后端，用于驱动压电换能器。位移平台由Zolix生产的型号分别为TSA-50，TSA-300，TSA-500，电动位移台三轴互相垂直。通过Zolix公司TSA系列位移台控制器可以实现对三轴扫描平台的驱动，即实现自聚焦二维扫描，同时进行焦距的判断，实验自聚焦自聚焦二位扫描。其中电动位移台最小步长1.25μm，最大移动速度20mm/s，最大载重10KG。
所述外差探测激光干涉仪用来实现在扫描过程中对每一个点进行测量，获取每个点的位移和相位信息。本实施例中，外差探测激光干涉仪最大激光功率为2.5W，探测激光焦斑直径125μm。图2所示为外差激光干涉仪的内部光路，1550nm光纤激光器发出的光经过1/4波片和分光镜后分为透射光和反射光，其中透射光(测量臂)依次经过反射镜、偏振分光镜和透镜入射到样品表面经反射后返回。反射光(参考臂)通过反射镜后与经样品表面反射回来的透射光经减法器由光电探测器探测干涉后的光强。
图3为本发明的自聚焦二维平面扫描样品示意图，图中黑色部分为吸声胶用于防止Lamb波边界反射。其中吸声胶由环氧树脂(55％-75％)，钨粉(25％-45％)组成，本实验中吸声胶的组分配比为环氧树脂(65％)，钨粉(35％)，总的功率吸声效果可以达到35dB，吸声系数可以达到95％以上。图3虚线部分为扫描区域，(a)图中的扫描区域为40*80mm，(b)图中的扫描区域为50*50mm。(b)图中声源位于左边界外，扫描探头在初始设定的路径下对样品表面逐点进行扫描，然后利用Labview提取到的测量区域的振动情况数据，经Matlab处理后得到的108.4KHz激励信号下板波(Lamb波)能量分布图。
图4为本发明的自聚焦线声源扫描结果分布图，其中能量分布图(a)对应于图3(a)，相位分布图(b)对应于图3(b)。(a)图中声源位于扫描区域左边界外，(b)图中声源位移扫描区域左上角，扫描探头在初始设定的路径下对样品表面逐点进行扫描，然后利用Labview提取测量区域的振动数据，经Matlab处理后得到的108.4KHz激励信号下板波(Lamb波)场强分布图。
图5为本发明的自聚焦点声源扫描结果分布图，其中振幅分布图(a)对应于图3(a)，相位分布图(b)对应于图3(b)。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，包括信号发生器、功率放大器、压电换能器、光纤探头、三轴扫描平台、外差探测激光干涉仪、示波器和计算机，其特征在于，信号发生器产生的激励信号经功率放大器放大后，通过压电换能器作用在样品上产生声板波；所述光纤探头位于三轴扫描平台上；所述外差探测激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号，所述光纤探头探测到的干涉信号在示波器上显示出相应的波形；示波器和三轴扫描平台分别与计算机联机，计算机用来控制三轴扫描平台的扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息，并对数据进行后处理获得声板波的场分布信息；所述外差激光干涉仪包括1550nm光纤激光器、三个半波片、三个偏振分光镜、两个反射镜、两个1/4波片、聚焦透镜、光折变晶体和光电探测器；1550nm光纤激光器发出的光经过第一半波片和第一偏振分光镜后分为透射光和反射光，其中透射光依次经过第一反射镜、第二偏振分光镜、第一1/4波片和聚焦透镜入射到样品表面经反射后返回，返回的光束通过第二半波片后与反射光通过第三半波片和第二反射镜后的光束一起入射到光折变晶体上，发生相干叠加产生干涉信号，干涉信号经过第二1/4波片和第三偏振分光镜由光电探测器探测干涉后的光强。
2.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述信号发生器用于激发108.4KHz频率的信号。
3.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述功率放大器与压电换能器连接，压电换能器位于样品的表面。
4.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述三轴扫描平台由X、Y、Z三轴扫描平台构成，其中X轴、Y轴的扫描平台上下交叠放置，Z轴的扫描平台垂直于XY平面；所述三轴扫描平台由三轴控制器驱动。
5.根据权利要求4所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述三轴扫描平台的最小步长为1.25μm，最大移动速度为20mm/s，最大载重为10KG。
6.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述外差探测激光干涉仪的最大激光功率为2.5W，探测激光焦斑直径为125μm。
7.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述计算机利用Labview程序控制扫描路径和提取干涉信号波形的振幅与相位信息，最终使用Matlab软件进行数据后处理获得扫描区域的场分布信息。
8.根据权利要求1所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述样品的四周设有吸声胶，所述吸声胶由质量百分比为55％-75％的环氧树脂和质量百分比为25％-45％的钨粉组成。
9.根据权利要求8所述的一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，其特征在于，所述吸声胶由质量百分比为65％的环氧树脂和质量百分比为35％的钨粉组成。
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