CN111157617B - 一种测量固体材料温度相关杨氏模量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量固体材料温度相关杨氏模量的系统及方法，使用脉冲激光加热材料，调整脉冲激光的能量密度可以在激光辐照区域以及近表面区域使材料温度升高到接近熔点温度，在材料内部沿着深度方向产生从室温变化到接近材料熔点的温度梯度，基于材料吸收脉冲激光可在材料近表面区域形成温度梯度的原理，以及表面波在非均匀介质中传播的色散特性，测量固体材料温度相关杨氏模量。本发明克服了传统方法中加热炉只能加热材料到1000℃的限制，可以一次性得到材料温度相关杨氏模量，实现对材料的非接触式测量，并且不会对固体材料表面造成任何损伤。

Description

一种测量固体材料温度相关杨氏模量的系统及方法

技术领域

本发明涉及激光超声领域，具体涉及一种基于超声表面波测量固体材料温度相关杨氏模量的系统及方法。

背景技术

工业以及航空航天等领域，经常需要使用金属材料以及陶瓷材料工作在高温复杂环境下。在高温环境下，材料的杨氏模量较常温下具有很大的差异，如何准确地测量材料在高温环境下的杨氏模量对于保证材料正常工作具有重要意义。传统的用于测量材料温度相关的杨氏模量的方法有经典的材料拉伸试验、纳米压纹技术(Li.X,Bhushan.B.Areviewofnanoindentation continuous stiffness measurement technique and itsapplications[J].Materials Characterization,2002,48(1):11-36.)、冲击激励法(Gibson.K.L,

Ders.S,Zehnder.C,et al.On extracting mechanical propertiesfrom nanoindentation at temperatures up to 1000℃[J].Extreme MechanicsLetters,2017:S2352431617300925.)以及超声导波波速法(S.Periyannan,ModuliDetermination at Different Temperatures by an Ultrasonic Waveguide Method[J],Experimental Mechanics(2016),56:1257-1270)等。以上方法中都是使用加热炉加热来改变材料温度，市面上的加热炉由于材料耐热性的限制，加热温度最高只能到1000℃左右，对于耐高温的合金和陶瓷等材料，能承受几千度的高温，加热炉无法提供如此高的温度，使得这些材料在极高温环境下力学参数的评估受到限制。同时上述方法都一次性只能测量单一温度下的杨氏模量，要想得到温度相关的杨氏模量分布，需要不断改变加热炉腔室的温度进行多次测量，过程繁琐，对加热炉性能要求也极为苛刻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量固体材料温度相关杨氏模量的系统及方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种测量固体材料温度相关杨氏模量的试验系统，包括第一脉冲激光发射器、扩束系统、第一反射镜、柱面镜、第二反射镜、玻璃片、第二脉冲激光发射器、数字脉冲延时器、光电探测器、示波器、计算机、测振仪、第三反射镜和汇聚透镜，第一脉冲激光发射器和第二脉冲激光发射器通过数字延时器连接，用于控制两束激光的延时；第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场；第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；在激光2的传输路径上，玻璃片反射少量光到光电探测器，用于触发示波器；测振仪发出的连续激光经过第三反射镜和汇聚透镜垂直入射到样品表面，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，反射光中携带表面波的离面位移，测振仪将探测到的信号传输给示波器记录，并传输计算机中，由计算机计算固体材料温度相关杨氏模量。

一种测量固体材料温度相关杨氏模量的方法，包括如下步骤：

第一步，激发表面波在脉冲激光加热区域内传播；

通过数字脉冲延时器控制激光1和激光2入射靶材的时延，开启加热激光1和激发激光2，第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场；第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；

第二步，测振仪探测表面波，应用频域-波数法得到表面波色散曲线；

通过反射镜调整测振仪发出的光，使其垂直入射到固体材料表面加热激光1加热区域内，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，将探测到的信号传输给示波器记录，同时记录对应激发光与探测点的距离；移动电动平移台，激光2会在样片表面不同位置激发出表面波，每次移动激发光2后，记录激发光在不同位置下的表面波离面位移信号；对得到的系列信号做二维离散傅里叶变换，确定每一个波数幅值最大的频率对应的表面波相速度，即得表面波的色散曲线；

第三步，根据步骤二得到的色散曲线，应用神经网络算法反演杨氏模量沿深度方向的分布；

第四步，根据加热激光能量密度和材料本身参数，求解热传导方程，得到瞬态温度梯度场；

第五步，将瞬态温度梯度场带入杨氏模量沿深度方向的分布中，得到材料温度相关杨氏模量。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)利用脉冲激光加热固体材料，通过控制脉冲激光的能量，在激光辐照区域材料温度可以升高到接近其熔点，克服了传统方法中加热炉只能加热材料到1000℃的限制。2)通过测量表面波在激光辐照区域内传播的色散特性，可以一次性得到材料温度相关杨氏模量，避免了传统测量方法需要不断改变加热炉温度进行测量的复杂操作过程。3)材料的加热，表面波的激发都利用的是脉冲激光，表面波的探测使用的是激光多普勒测振仪，可以实现对材料的非接触式测量，并且不会对固体材料表面造成任何损伤，属于无损检测。

附图说明

图1是脉冲激光辐照样品表面在材料内部形成的温度梯度场示意图。

图2是实现此测量方法的实验装置系统示意图。

图3是具体实施方法的流程框图。

具体实施方式：

用一束脉冲激光辐照固体材料，材料吸收激光能量，在激光辐照区域以及近表面区域形成温度梯度T(x,z,t)(如图1所示)。材料的杨氏模量E是温度T的函数，因激光辐照引起的温度分布T(x,z,t)会引起材料E(x,z,t)空间分布的不均匀。当表面波在激光辐照区域传播时，因为此区域杨氏模量E(x,z,t)的非均匀分布，表面波会发生色散。通过分析表面波的色散曲线中反演出材料的E(x,z,t)，再通过计算因激光辐照引起的材料温度梯度分布T(x,z,t)，就能得到不同温度T下材料的E。

本发明使用脉冲激光加热材料，调整脉冲激光的能量密度可以在激光辐照区域以及近表面区域使材料温度升高到接近熔点温度，在材料内部沿着深度方向产生从室温变化到接近材料熔点的温度梯度。基于材料吸收脉冲激光可在材料近表面区域(深度与材料的光穿透深度及脉宽有关)形成温度梯度的原理，以及表面波在非均匀介质中传播的色散特性，测量固体材料温度相关杨氏模量。

如图2所示，实现测量固体材料温度相关杨氏模量的试验系统，包括第一脉冲激光发射器、扩束系统、第一反射镜、柱面镜、第二反射镜、玻璃片、第二脉冲激光发射器、数字脉冲延时器、光电探测器、示波器、计算机、测振仪、第三反射镜和汇聚透镜，第一脉冲激光发射器和第二脉冲激光发射器通过数字延时器连接，用于控制两束激光的延时。第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场，并且需要保证第一反射镜不会阻挡第二激光入射到样品表面。第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；第二反射镜和柱面镜同时固定在电动平移台上，通过移动电动平移台，可以在样片表面不同位置激发出表面波。在激光2的传输路径上，玻璃片反射少量光到光电探测器，用于触发示波器。测振仪发出的连续激光经过第三反射镜和汇聚透镜垂直入射到样品表面，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，反射光中携带表面波的离面位移，测振仪将探测到的信号传输给示波器记录，并传输计算机中，由计算机计算固体材料温度相关杨氏模量。

如图3所示，测量固体材料温度相关杨氏模量方法，具体包括如下步骤：

第一步，激发表面波在脉冲激光加热区域内传播。

通过数字脉冲延时器控制激光1和激光2入射靶材的时延，延时时间为t_d(激光1先于激光2入射)。开启加热激光1和激发激光2，第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场，并且保证第一反射镜不会阻挡第二激光器发出的光。第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；

本发明所述t_d的具体数值与加热激光的脉宽有关，作为一种具体实现，可以应用2μs的脉冲激光1加热材料，设置t_d≈1μs。

第二步，测振仪探测表面波，应用频域-波数法得到表面波色散曲线v(f)。

通过反射镜调整测振仪发出的光，使其垂直入射到固体材料表面加热激光1加热区域内，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，反射光中携带表面波的离面位移，测振仪将探测到的信号传输给示波器记录，同时记录对应激发光与探测点的距离。

移动电动平移台，激光2会在样片表面不同位置激发出表面波，每次移动激发光2后，探测点与激发光之间的距离记为x_i，记录激发光在不同位置下的表面波离面位移信号S_i(i＝1,2,…,n)。n为采样点数量，需保证n为2的正整数次幂，本发明中取n＝64。电动平移台的移动步长Δd需要满足：Δd≤λ_min/2，其中λ_min为激光2激发的表面波的最小波长。

对得到的系列信号S_i(i＝1,2,…,n)做二维离散傅里叶变换：

式中，f和k分别为表面波的频率和波数，通过式(1)将时域-空域信号转换到频域-波数域信号。

对得到的频域-波数域信号，每一个波数k_i(i＝1,2，…)都有一个幅值最大的频率f_i，对应频率f_i的表面波相速度

通过此方法得到表面波的色散曲线v(f)。

第三步：根据步骤二得到的色散曲线v(f)，应用神经网络算法反演杨氏模量沿深度方向的分布。

固体材料中的波动方程为：

式中，λ和μ为固体材料的Lamé常数，u为表面波的位移向量。设置沿深度方向不同分布的杨氏模量

带入到波动方程中，可以求解每一种杨氏模量分布下的表面波色散曲线

将色散曲线

作学习样本，

做相应样本下的输出，送给神经网络算法训练，训练出杨氏模量与表面波色散的关系。之后再将实验中得到的色散曲线v(f)作输入，计算出相应的杨氏模量分布E(z)。

第四步，根据加热激光能量密度和材料本身参数，求解热传导方程，得到瞬态温度梯度场T(x,z,t)。

固体材料的热传导方程为：

式中，K和κ分别为材料的热传导率和热扩散系数，Q为系统体热源；

将激光辐照固体材料当作边界条件处理时，对应系统体热源Q＝0，此时固体材料的热传导方程的边界条件为：

式中，I₀(t)为脉冲激光1的功率密度，A为固体材料表面的光吸收率。

将边界条件(3)带入到方程(2)中，通过求解方程(2)计算出表面波在探测区域传播时间τ内，温度梯度随深度方向分布的平均值

式中，x₁和x_n分别为第1个探测点和第n个探测点的位置，t₁和t_n分别为表面波到达第1个探测点和第n个探测点的时间，τ＝t_n-t₁。

第五步，将

带入E(z)中，得到材料温度相关杨氏模量E(T)。

对于每一个特定深度z_i，都对应一个温度T_i和一个杨氏模量E_i，由此得到E_i(T_i)，对任意深度z，得到材料温度相关杨氏模量E(T)。

Claims (3)

1.测量固体材料温度相关杨氏模量的试验系统，其特征在于，包括第一脉冲激光发射器、扩束系统、第一反射镜、柱面镜、第二反射镜、玻璃片、第二脉冲激光发射器、数字脉冲延时器、光电探测器、示波器、计算机、测振仪、第三反射镜和汇聚透镜，第一脉冲激光发射器和第二脉冲激光发射器通过数字延时器连接，用于控制两束激光的延时；第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场；第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；在激光2的传输路径上，玻璃片反射少量光到光电探测器，用于触发示波器；测振仪发出的连续激光经过第三反射镜和汇聚透镜垂直入射到样品表面，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，反射光中携带表面波的离面位移，测振仪将探测到的信号传输给示波器记录，并传输计算机中，由计算机计算固体材料温度相关杨氏模量；

测量固体材料温度相关杨氏模量的方法，包括如下步骤：

第一步，激发表面波在脉冲激光加热区域内传播；

通过数字脉冲延时器控制激光1和激光2入射靶材的时延，开启加热激光1和激发激光2，第一脉冲激光发射器发射的脉冲激光1通过扩束镜扩束，再经过第一反射镜斜入射到样片表面加热材料，在材料近表面区域形成温度梯度场；第二脉冲激光发射器发射的脉冲激光2通过第二反射镜和柱面镜后，汇聚成线源入射到激光1加热区域，激发出沿着线源激光2垂直方向传播的表面波；

第二步，测振仪探测表面波，应用频域-波数法得到表面波色散曲线；

通过反射镜调整测振仪发出的光，使其垂直入射到固体材料表面加热激光1加热区域内，从样品表面反射的光沿原路径返回测振仪，将探测到的信号传输给示波器记录，同时记录对应激发光与探测点的距离；移动电动平移台，激光2会在样片表面不同位置激发出表面波，每次移动激发光2后，记录激发光在不同位置下的表面波离面位移信号；对得到的系列信号做二维离散傅里叶变换，确定每一个波数幅值最大的频率对应的表面波相速度，即得表面波的色散曲线；

第三步，根据步骤二得到的色散曲线，应用神经网络算法反演杨氏模量沿深度方向的分布；

第四步，根据加热激光能量密度和材料本身参数，求解热传导方程，得到瞬态温度梯度场；

第五步，将瞬态温度梯度场带入杨氏模量沿深度方向的分布中，得到材料温度相关杨氏模量；

步骤2中，记探测点与激发光之间的距离为x_i，记激发光在不同位置下的表面波离面位移信号S_i，记采样点数量为n，且满足n为2的正整数次幂，对得到的系列信号S_i(i＝1,2,…,n)做二维离散傅里叶变换，将时域-空域信号转换到频域-波数域信号，即：

式中，f和k分别为表面波的频率和波数；

对得到的频域-波数域信号，每一个波数k_i,i＝1,2，…都有一个幅值最大的频率f_i，对应频率f_i的表面波相速度

通过此方法得到表面波的色散曲线v(f)；

步骤3中，确定杨氏模量沿深度方向分布的具体方法为：

建立固体材料中的波动方程为：

式中，λ和μ为固体材料的Lamé常数，u为表面波的位移向量；

设置沿深度方向不同分布的杨氏模量

带入到波动方程中，求解每一种杨氏模量分布下的表面波色散曲线

将色散曲线

作学习样本，

做相应样本下的输出，送给神经网络算法训练，训练出杨氏模量与表面波色散的关系，之后再将得到的色散曲线v(f)作输入，计算出相应的杨氏模量分布E(z)；

步骤4中，确定瞬态温度梯度场的具体方法为:

建立固体材料的热传导方程为：

式中，K和κ分别为材料的热传导率和热扩散系数，Q为系统体热源；

将激光辐照固体材料当作边界条件处理时，对应系统体热源Q＝0，此时固体材料的热传导方程的边界条件为：

式中，I₀(t)为脉冲激光1的功率密度，A为固体材料表面的光吸收率，T表示材料温度；

将边界条件带入到热传导方程中，计算表面波在探测区域传播时间τ内，温度梯度随深度方向分布的平均值

式中，x₁和x_n分别为第1个探测点和第n个探测点的位置，t₁和t_n分别为表面波到达第1个探测点和第n个探测点的时间，T(x,z,t)表示因激光辐照引起的材料温度梯度分布，τ＝t_n-t₁。

2.根据权利要求1所述的测量固体材料温度相关杨氏模量的试验系统，其特征在于，第一反射镜需要保证不会阻挡第二脉冲激光发射器激光入射到样品表面。

3.根据权利要求1所述的测量固体材料温度相关杨氏模量的试验系统，其特征在于，第二反射镜和柱面镜同时固定在电动平移台上，通过移动电动平移台，在样片表面不同位置激发出表面波。

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