CN112067565B - 一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置及方法，待测金属样品置于载物台上，可见光发射器发射的可见光束经反射镜反射进入衍射光栅，不同波长的光信号从衍射光栅表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜汇聚到待测金属的表面，由金属表面反射的光束通过准直透镜转变为同向、平行的光束，并由发射光接收器捕捉采集，经信号放大、滤波处理、A/D转换后传输给PC机，PC机用于将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态。本发明实用性强，可实现对含硫环境下不同尺寸、不同形状的金属腐蚀状态的评估测定，便捷、高效、准确性高。

Description

一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置及方法
技术领域
本发明涉及金属腐蚀监测领域，具体涉及一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置及方法。
背景技术
随着经济发展和社会进步，金属材料的应用领域越来越广泛，工业化的进程也加速了金属的制造业发展。但是，矿产资源的过度使用、工业废气的大量排放严重污染自然环境，造成空气中腐蚀污染物含量比例增加，大大提高了金属的腐蚀率金属腐蚀严重威胁着工业文明的发展，同时还会危害人身安全。
众所周知，金属银、铜是目前最流行的工业金属材料，相较于铁和铝材料其化学活性低，对于腐蚀环境性能稳定。此外，由于其自身优异的电气性能、机械性能，广泛应用于集成电路行业作为关键的导电部件。然而，在集成电路产品复杂多变的应用环境(高温、高湿、高碱等)下，金属铜、银及其合金同样不可避免地遭受腐蚀的侵害。
因此，高效的金属腐蚀测试和检测技术逐渐成为工业中至关重要的发展领域，同时对有关腐蚀检测和监测方法提出了更高的要求。中国专利申请CN110009632A提出一种金属腐蚀状态的评估方法，将采集的金属腐蚀图像进行特征提取，并放入预先构建的初始腐蚀评价网络训练所获得的目标腐蚀评价网络中，最终输出所测腐蚀图像的腐蚀状态评估值。其缺陷在于该方法基于图像识别技术完成金属腐蚀状态评估，图像处理分析较为繁琐，无法实现对金属状态方便、快捷的评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置及方法，通过测量分析不同腐蚀金属对可见光的吸收波长，实现对金属腐蚀状态便捷、高效的评估分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，包括直流电源、装置本体、信号处理电路和PC机，所述装置本体包括壳体以及封装在壳体内的可见光发射器、反射镜、衍射光栅、聚焦透镜、载物台、准直透镜和发射光接收器，所述待测金属样品置于载物台上，所述可见光发射器连接电源，可见光发射器发射的可见光束经反射镜反射进入衍射光栅，不同波长的光信号从衍射光栅表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜汇聚到待测金属的表面，由金属表面反射的光束通过准直透镜转变为同向、平行的光束，并由发射光接收器捕捉采集，所述发射光接收器通过所述信号处理电路连接所述PC机，所述发射光接收器用于将采集的光信号转换为电信号，并进行信号的放大，所述信号处理电路用于进行信号的二次放大，滤波，并将电信号转换为数字信号传输至PC机，所述PC机用于将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态。
进一步地，所述发射光接收器的内部具有光电二极管和前置放大电路，光电二极管的响应频率为30～50MHz，光电二极管直接与前置放大电路输入端电性连接。
进一步地，所述信号处理电路具有运算放大器、低通滤波器和并行A/D转换，运算放大电路输出端与低通滤波电路输入端直接连接，滤波电路输出端与A/D转换器输入端的电压比较器电性连接，并行A/D转换器输出端的数据转换器与PC机连接。
优选地，所述可见光发射器能够在垂直方向30°～60°范围内进行调整。
优选的，所述载物台的四条支腿为可伸缩式，能够实现垂直方向高度调节，调节高度为10～20cm。
优选的，所述衍射光栅的栅距为0.01～0.04mm，衍射光栅的光栅常数方程式为：d(sinθ+sini)＝kλ，其中，k为光谱级次(k＝0,±1,±2…)，θ为衍射角，i为入射光与光栅垂直平面的入射角，λ为入射光波长。
一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估方法，具体步骤如下：将待测金属样品置于载物台上，接通直流电源，可见光发射器输出强度均匀的220～1400nm的可见光束，经反射镜传输到衍射光栅，不同波长的光信号从衍射光栅表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜汇聚待测金属表面并发生反射，准直透镜对反射光的光谱进行调制，使其转变为平行准直光束，发射光接收器捕捉采集反射光信号，光信号传送至信号处理电路中的运算放大器进行信号放大，放大信号经低通滤波器处理后并传输至并行A/D转换器输入端的电压比较器中，并行A/D转换器输出端的数据转换器将数字信号传输至PC机，PC机将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态，并显示数据。
优选地，所述的待测金属样品为含硫环境下的银或铜材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明基于不同金属腐蚀状态下腐蚀产物种类、颗粒大小以及腐蚀层厚度的改变所引起的表面颜色差异性变化的机理，与预置的不同腐蚀状态波长参数进行匹配，实现对含硫环境下金属腐蚀状态的评估测定，同时具有便捷、高效等优点；
(2)本发明实用性强，可实现对不同尺寸、形状类型的金属腐蚀状态的评估，前期无需制样；利用低通滤波器消除表面杂质对波长影响，准确性更高。
(3)本发明的光路传播过程均在封闭性的壳体内，抗干扰能力强，同时能够将评估结果全部显示在PC端显示器上，可视化程度高。
附图说明
图1是本发明的金属腐蚀状态评估测试装置连接示意图；
图中，1-直流电源，2-可见光发射器，3-反射镜，4-衍射光栅，5-聚焦透镜，6-载物台，7-准直透镜，8-发射光接收器，9-信号处理电路，10-PC机，11-壳体。
图2为图1所示实施例中的金属腐蚀状态评估测试装置信号处理电路的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，包括直流电源1、装置本体、信号处理电路9和PC机10，所述装置本体包括壳体11以及封装在壳体11内的可见光发射器2、反射镜3、衍射光栅4、聚焦透镜5、载物台6、准直透镜7和发射光接收器8，所述待测金属样品置于载物台6上，所述可见光发射器2连接直流电源1，可见光发射器2发射的可见光束经反射镜3反射进入衍射光栅4，不同波长的光信号从衍射光栅4表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜5汇聚到待测金属样品的表面，由金属表面反射的光束通过准直透镜7转变为同向、平行的光束，并由发射光接收器8捕捉采集，所述发射光接收器8通过所述信号处理电路9连接所述PC机10，所述发射光接收器8用于将采集的光信号转换为电信号，并进行信号的放大，所述信号处理电路9用于进行信号的二次放大，滤波，并将电信号转换为数字信号传输给PC机10，所述PC机10用于将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态。
所述发射光接收器8的内部具有光电二极管和前置放大电路，光电二极管的响应频率为30～50MHz，光电二极管直接与前置放大电路输入端电性连接。
所述信号处理电路9具有运算放大器、低通滤波器和并行A/D转换，运算放大电路输出端与低通滤波电路输入端直接连接，滤波电路输出端与A/D转换器输入端的电压比较器电性连接，经A/D转换器输出端的数据转换器与PC机相连。
具体实施步骤如下：
将待测金属样品置于载物台6上，接通直流电源1，可见光发射器2输出220～1400nm波长的可见光束，光束到达反射镜3实现可见光的反射。可见光发射器2能够实现垂直方向30°～60°方位角范围内的调节，从而完成对反射镜3反射方向的调整。当反射光经过衍射光栅4平面时，光束无法通过垂直方向入射进入衍射光栅4平面，需考虑不同入射角下的光栅常数，所述的光栅常数方程式为：d(sinθ+sin i)＝kλ，其中，k为光谱级次(k＝0,±1,±2…)，θ为衍射角，i为入射光与光栅垂直平面的入射角，λ为入射光波长。为实现高强度的光栅分布，所述的衍射光栅4栅距为0.01～0.04mm。可见光光束经光栅后置聚焦透镜，实现各方向可见光在待测金属样品表面的汇聚。为保证入射光光斑准确照射在待测金属样品表面，载物台6底部四个角分别设有一根螺旋轴，可实现10～20cm高度的调节。在不同腐蚀状态下，金属的表面粗糙度、腐蚀颗粒尺寸、腐蚀层厚度存在较大差异性，从而对入射光在不同波长处的吸光度不同。经由金属样品表面反射的光束通过准直透镜7转变为同向、平行的光束，并由发射光接收器8捕捉采集，发射光接收器8内部具有光电二极管和前置放大电路，调节光电二极管响应频率30～50MHz实现光信号采集，并将其转换为电信号。此外，借助内部前置放大电路放大电信号，电信号串联电阻R1输入运算放大器U1中，通过改变并联电阻R2从而实现对信号输出强度的调节，并联电容C1能够实现控制高频信号输入，阻碍低频信号的输入，下拉电阻R3实现运算放大器电压准位的提升，运算放大器U1输出端通过电阻R4、R5连接低通滤波器U2输入端，同时R4＝R5，C2＝C3，通过调节R6、R7两电阻值，抑制电路出现振荡频率。然后将滤波信号传输到并行A/D转换输入端的电压比较器中，对输入电压信号进行分类，数据传送到寄存器中，再由并行A/D转换输出端的数字转换器将数字信号传输至PC机，然后借助Matlab软件将采集波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态，并由Labview软件完成结果信息的界面显示。
根据金属在不同腐蚀状态下所对应在表面颜色、腐蚀产物颗粒尺寸、吸收波长等方面的差异性，同时结合国家标准GB/T19292.1《金属和合金的腐蚀/大气腐蚀性分类》中不同腐蚀状态下的外观特征进行分类，包括无腐蚀、轻度腐蚀、中度腐蚀、重度腐蚀和重度腐蚀五种不同腐蚀状态。
采用上述方法分别测得含硫环境下金属银、金属铜的腐蚀状态，结果分别如表1、表2所示。
表1 金属银在不同腐蚀状态下各参数值
等级 腐蚀程度 表面颜色 波长
C1 无腐蚀 白色 370nm
C2 轻度腐蚀 棕色 484～528nm
C3 中度腐蚀 蓝色 646～820nm
C4 重度腐蚀 蓝灰色 1123～1141nm
C5 严重腐蚀 灰色 575～1150nm
表2 金属铜在不同腐蚀状态下各参数值
等级 腐蚀程度 表面颜色 波长
C1 无腐蚀 玫瑰红色 350nm
C2 轻度腐蚀 紫色、蓝绿 560nm、670nm
C3 中度腐蚀 绿色 848～856nm
C4 重度腐蚀 黑紫色 560nm
C5 严重腐蚀 蓝灰色、灰黑色 560～670nm

Claims (7)

1.一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，其特征在于，包括直流电源、装置本体、信号处理电路和PC机，所述装置本体包括壳体以及封装在壳体内的可见光发射器、反射镜、衍射光栅、聚焦透镜、载物台、准直透镜和发射光接收器，待测金属样品置于载物台上，所述可见光发射器连接直流电源，可见光发射器发射的可见光束经反射镜反射进入衍射光栅，不同波长的光信号从衍射光栅表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜汇聚到待测金属样品的表面，由金属表面反射的光束通过准直透镜转变为同向、平行的光束，并由发射光接收器捕捉采集，所述发射光接收器通过所述信号处理电路连接所述PC机，所述发射光接收器用于将采集的光信号转换为电信号，并进行信号的放大，所述信号处理电路用于进行信号的二次放大，滤波，并将电信号转换为数字信号传输至PC机，所述PC机用于将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态；
所述信号处理电路包括运算放大器、低通滤波器和并行A/D转换器，运算放大器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与并行A/D转换器输入端的电压比较器电性连接，并行A/D转换器输出端的数据转换器与PC机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，其特征在于，所述发射光接收器内部设有光电二极管和前置放大电路，光电二极管的响应频率为30～50MHz，光电二极管直接与前置放大电路输入端电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，其特征在于，所述可见光发射器能够在垂直方向30°～60°范围内进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，其特征在于，所述载物台的四条支腿为可伸缩式，能够实现垂直方向高度调节，调节高度为10～20cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于波长变化的金属腐蚀状态评估测试装置，其特征在于，所述衍射光栅的栅距为0.01～0.04mm，衍射光栅的光栅常数方程式为：d(sinθ+sini)＝kλ，其中，k为光谱级次(k＝0,±1,±2…)，θ为衍射角，i为入射光与光栅垂直平面的入射角，λ为入射光波长。
6.一种利用权利要求1所述的评估测试装置进行金属腐蚀状态评估方法，其特征在于，具体步骤如下：将待测金属样品置于载物台上，接通电源，可见光发射器输出强度均匀的220～1400nm的可见光束，经反射镜传输到衍射光栅，不同波长的光信号从衍射光栅表面以不同出射角度射出，再经过聚焦透镜汇聚待测金属表面并发生反射，准直透镜对反射光的光谱进行调制，使其转变为平行准直光束，发射光接收器捕捉采集反射光信号，光信号传送至信号处理电路中的运算放大器进行信号放大，放大信号经低通滤波器处理后并传输至并行A/D转换器输入端的电压比较器中，由并行A/D转换器输出端的数据转换器将数字信号传输至PC机，PC机将采集的波长信息及带隙宽与预置腐蚀状态数据库进行匹配，确定待测金属的腐蚀状态，并显示数据。
7.根据权利要求6所述的金属腐蚀状态评估方法，其特征在于，所述的待测金属样品为含硫环境下的银或铜材料。
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