CN113340852A - 一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，包括激光器、扩束镜、偏振分光镜、积分球、聚焦透镜组、针孔、信号采集系统和运动控制系统；信号采集系统包括光电探测器组、数据采集卡、计算机；运动控制系统包括运动控制器和样品台。激光检测时，借助样品台的翻转功能，调整激光入射角，获得样品损伤信号的分布特征，识别复合材料内不同类型损伤。借助积分球，可以收集表面散射光信号，并分析获得材料表面的分布特征信息。采用了双探测器探测，表面散射光探测器探测的光信号与亚表面损伤探测器探测的光信号进行归一化和差分，可以尽可能减小表面散射光对亚表面损伤检测的影响。借助XYZ三轴移动，实现样品内部损伤的三维检测。

Description

一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测 装置

技术领域

本发明涉及纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的无损检测技术，特别是一种采用偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的装置。

背景技术

目前针对加工纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤检测主要分为两类，一类是破坏性检测，另一类是无损检测。破坏性检测方法不需要依靠昂贵的设备，检测工艺成熟，容易操作，但是破坏性检测装置和方法存在如下问题：（1）、零件需要破坏后再检测，造成材料损失和生产成本增加。当检测不同加工工艺（锯切、磨削、研磨等）或加工参数条件下的半导体材料亚表面损伤时，需要将零件破坏并制成检测试样。纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆极难加工材料，加工过程中刀具磨损严重，不同的刀具状态下加工引入的亚表面损伤也不同。为了排除随机误差，提高有损检测精度，需要针对不同刀具状态下加工的材料进行检测，则需要破坏材料进行检测，造成大量的材料浪费，而纤维增强陶瓷基复合材料极其昂贵，因此采用破坏性检测方法检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤成本高。（2）、检测区域小，检测效率低。破坏性检测方法只针对于制备试样局部的截面进行检测，无法一次性评估整个材料的亚表面损伤分布状况。为此，实际检测中选取不同的检测位置，进行多次取样检测。另外，纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆极难加工材料，破坏性检测方法的样品制备需要经过多种工序，制样周期长，大大降低了整体检测效率。（3）、使用腐蚀剂有毒。破坏性检测样品制备完成之后往往需要经过腐蚀再用仪器设备检测，纤维增强陶瓷基复合材料常用的腐蚀剂有毒性，对操作人员身体安全存在一定的威胁。（4）、破坏性检测方法存在随机误差。随机误差来源主要有三方面。其一，破坏性检测方法，不可能将所有位置的损伤都能检出，存在漏检的可能性；其二，纤维增强陶瓷基复合材料属高硬脆材料，检测样品制备过程中，容易引入新的损伤，干扰检测结果，其三，纤维增强陶瓷基复合材料本身存在气孔等缺陷，影响检测判断。

无损检测包括超声检测、X射线检测、CT扫描检测、数字图像相关技术等，能够检测全局损伤，检测效率高，适合集成到生产线上进行在线检测。但大部分无损检测方法可靠性较差，并且容易受到其他因素的干扰。超声检测除了亚表面损伤信号之外，还存在表面粗糙度散射信号、由超声波发生和传输原件中不均匀性引起的散射信号以及材料原有的气孔等缺陷散射信号等，不利于亚表面裂纹信号的分析和检测。纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤有气孔、裂纹、分层等多种损伤形式。超声检测难以区分检测亚表面损伤形式。X射线检测和CT扫描检测都需要依靠昂贵的设备，检测效率低并且检测样品的大小尺寸受设备限制。另外，操作过程中存在射线辐射，不利于检测人员身体健康。数字图像相关技术只能检测表面裂纹等损伤，无法检测亚表面损伤的分布。

偏振激光散射检测方法在检测中超精密磨削硅片亚表面损伤过程中发现，表面散射光与入射激光的偏振状态基本保持一致，亚表面损伤散射光的偏振状态与入射光明显不同，通过偏振光学元件即可将亚表面损伤散射的光线从检测光线中分离出来，进而排除了表面粗糙度的影响，实现对亚表面损伤的检测。偏振激光散射检测中表面散射光的偏振状态与表面粗糙度大小和入射光的入射角直接相关，当检测激光垂直入射样品表面时，表面散射光对偏振激光散射检测的结果影响最小。因此偏振激光散射检测装置在纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤检测中具有广阔的应用前景。

然而，纤维增强陶瓷基复合材料加工一般远大于硅片超精密磨削表面粗糙度。使用偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料加工亚表面损伤时，表面散射对偏振激光散射检测的影响不可忽略。另外，纤维增强陶瓷基复合材料加工亚表面损伤形式多样，包括裂纹、分层，纤维抽出等，加之材料本身的气孔等缺陷，仅仅采用激光垂直入射的方式检测，无法分辨并检测不同形式的损伤，需要改变激光的入射角实现对不同损伤形式的检测。而改变激光入射角，表面散射光对偏振激光散射检测的影响不可忽略。现有的偏振激光散射检测装置无法满足不同角度下亚表面损伤的检测，因此，需要提出一种能够抑制表面散射光对偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的检测装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，能够减小材料加工表面散射对偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤，得到比较准确的亚表面损伤信息，识别复合材料内不同类型损伤。

所述的纤维增强陶瓷基复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料、氧化物增强氧化物陶瓷基复合材料之任意一种。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，包括激光器、扩束镜、偏振分光镜、聚焦透镜组、积分球、针孔、信号采集系统和运动控制系统；

所述的激光器提供光学系统的信号源；

所述扩束镜放置于激光器出光口前端，增扩激光束出光直径；

所述的偏振分光镜放置于扩束镜出光口的前方，用于分离不同偏振状态的光；

所述积分球，放置于偏振分光镜下方，用于收集材料表面散射光；

所述聚焦透镜组包括上聚焦透镜和下聚焦透镜，上聚焦透镜和下聚焦透镜分别分布于偏振分光镜的透射端和反射端两侧，下聚焦透镜放置于偏振分光镜的透射端，将偏振分光镜反射的激光束聚焦于纤维增强陶瓷基复合材料表面；上聚焦透镜放置于偏振分光镜的反射端，汇聚经过纤维增强陶瓷基复合材料表面亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔放置于上聚焦透镜上方的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器组、数据采集卡、计算机；

所述光电探测器组探测散射光功率信号，包括表面散射光探测器和亚表面散射光探测器，表面散射光探测器置于积分球侧边出光孔处，亚表面散射光探测器置于针孔后侧，探测通过针孔的散射光；

所述的数据采集卡接收光电探测器的输出信号；

所述的计算机对数据采集卡采集到的信号进行分析处理；

所述样品台运动控制系统，控制样品台平移、翻转，以调整检测激光束的入射角和检测位置，所述的样品台运动控制系统包括运动控制器和样品台；

所述的运动控制器接收计算机的指令，控制样品台运动；

所述的旋转位移平台带动纤维增强陶瓷基复合材料样品变换位置和倾斜角度。

上述用于陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置的运行工艺，原理是采用线偏振的激光检测，具体步骤如下：

（1）激光器发射检测激光，检测激光束经过扩束镜，直径增大，发散角减小，再经过偏振分光镜，通过积分球，经由下聚焦透镜聚焦到待测样品上。

（2）检测激光样品材料表面发生表面散射和透射，透射的光被亚表面损伤散射；表面散射光被积分球收集到，由表面散射光探测器探测并被记录，得到样品表面散射信号。

（3）经过亚表面损伤散射的光偏振状态与检测激光的偏振状态不同，经过偏振分光镜时，部分与入射光偏振状态相同的光发生透射，而与入射光偏振状态不同的光，发生反射，再经上聚焦透镜聚焦后，通过针孔被亚表面散射光探测器探测，得到亚表面损伤散射信号。

（4）计算机发出指令给运动控制器控制样品台在焦平面内沿X轴和Y轴平动和翻转，改变偏振激光入射角和检测位置，得到材料不同位置处不同入射角的激光散射信号。

（5）计算机发出指令给运动控制器控制样品台沿Z轴竖直移动，检测不同深度处焦平面内的亚表面损伤的分布特征。

（6）通过将表面散射光的检测信号和亚表面散射光的检测信号进行差分和归一化，降低表面散射对亚表面损伤检测的影响，最终得到比较准确的亚表面损伤信息，识别复合材料内不同类型损伤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明增加了样品台的翻转功能，激光检测时，可以调整激光入射角，获得不同入射角下纤维增强陶瓷基复合材料样品损伤信号的分布规律。

2、由于本发明增加了积分球，使得采用偏振激光散射检测装置检测时，表面散射光信号可以被收集，并进行分析获得材料表面的分布特征信息。

3、由于本发明采用了双探测器探测，表面散射光探测器探测的光信号与亚表面损伤探测器探测的光信号进行归一化和差分，可以尽可能减小表面散射光对亚表面损伤检测的影响。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是实施例1中损伤粗糙表面背散射系数随入射角的变化曲线；

图3是实施例1中不同类型损伤检测信号特征识别；其中（a）改变激光入射角示意图、（b）不同损伤检测信号特征；

图4是实施例1中不同深度处损伤分布图；a-e分别代表第一至第五层；

图5是实施例1中截面损伤分布，其中（a）是偏振光散射检测、（b）截面SEM检测结果。

图中，1、激光器，2、扩束镜，3、偏振分光镜，4、积分球，5、下聚焦透镜，6、样品台，7、表面散射光探测器，8、上聚焦透镜，9、针孔挡板，10、针孔，11、亚表面散射光探测器，12、数据采集卡，13、计算机，14、运动控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

本发明以下实施例所检测的纤维增强陶瓷基复合材料具体为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，厂家为中航复合材料有限责任公司。

如图1所示，一种采用偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤的装置，包括激光器1、扩束镜2、偏振分光镜3、聚焦透镜组、积分球4、针孔10、信号采集系统和运动控制系统。

所述的激光器1提供光学系统的信号源；

所述扩束镜2放置于激光器1出光口前端，增扩激光束出光直径；

所述的偏振分光镜3放置于扩束镜2出光口的前方，用于分离不同偏振状态的光；

所述积分球4，放置于偏振分光镜3下方，用于收集材料表面散射光；

所述聚焦透镜组包括上聚焦透镜8和下聚焦透镜5，上聚焦透镜8和下聚焦透镜5分别分布于偏振分光镜3的透射端和反射端两侧，下聚焦透镜5放置于偏振分光镜3的透射端，将偏振分光镜反射的激光束聚焦于纤维增强陶瓷基复合材料表面；上聚焦透镜8放置于偏振分光镜3的反射端，汇聚经过纤维增强陶瓷基复合材料表面亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔10放置于上聚焦透镜上方8的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器组、数据采集卡12、计算机13；

所述光电探测器组探测散射光功率信号，包括表面散射光探测器7和亚表面散射光探测器11，表面散射光探测器7置于积分球侧边出光孔处，亚表面散射光探测器11置于针孔后侧，探测通过针孔的散射光；

所述的数据采集卡12接收光电探测器的输出信号；

所述的计算机13对数据采集卡12采集到的信号进行分析处理；

所述运动控制系统，控制样品台平移、翻转，以调整检测激光束的入射角和检测位置，所述的运动控制系统包括运动控制器14和样品台6；

所述的运动控制器14接收计算机13的指令，控制样品台6运动；

所述的样品台6带动纤维增强陶瓷基复合材料样品变换位置和倾斜角度。

本发明提出的偏振激光散射检测纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤主要原理是采用线偏振的激光检测，具体实施方式如下：

激光器1发射检测激光，检测激光束经过扩束镜2，直径增大，发散角减小，再经过偏振分光镜3，通过积分球4，经由下聚焦透镜5聚焦到样品材料上，检测激光样品材料表面发生表面散射和透射，透射的光被亚表面损伤散射。表面散射光被积分球4收集到，由表面散射光探测器7探测并被记录，得到样品表面散射信号。经过亚表面损伤散射的光偏振状态与检测激光的偏振状态不同，经过偏振分光镜4时，部分与入射光偏振状态相同的光发生透射，而与入射光偏振状态不同的光，发生反射，再经上聚焦透镜8聚焦后，通过针孔10被亚表面散射光探测器11探测，得到亚表面损伤散射信号。计算机控制13发送指令给运动控制器14，控制样品台6翻转，改变检测激光入射角度，得到不同入射角时，样品表面和亚表面散射信号；通过将表面散射光的检测信号和亚表面散射光的检测信号进行差分和归一化，降低表面散射对亚表面损伤检测的影响，最终得到比较准确的亚表面损伤信息。

实施例1

一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测方法，包括如下步骤：

A、将待测样品放置于样品台6上。

B、激光器1发射激光，经过扩束镜2之后，激光发散角减小，光束直径增大，经过偏振分光镜3透射，通过积分球4后，由放置于积分球4下端出光口处的下聚焦透镜5聚焦到待测样品上。

C、线偏振激光与待测样品表面和亚表面损伤相互作用，表面散射光被积分球4收集后，由探测器7探测；线偏振激光经亚表面损伤多次散射后去偏振，变为部分偏振光，偏振状态改变的光背散射，经过偏振分光镜3被反射，被放置于偏振分光镜3反射端的上聚焦透镜8聚焦，焦点处的光通过针孔10由光电探测器11探测，最后光电探测器11探测的光电信号被信号采集系统采集；离焦的光则不会通过针孔10，即不被光电探测器11探测到；计算机13发出指令给运动控制器14控制样品台6翻转，改变偏振激光入射角，使入射角为0°，然后计算机13发出指令给运动控制器14控制样品台6在焦平面内沿X轴和Y轴平动，步进间距为5μm，扫描整个样品表面，得到入射角为0°时，材料不同位置处不同入射角的激光散射信号；然后改变入射角，入射角增加5°，移动X轴Y轴，得到入射角为0°时，材料不同位置处不同入射角的激光散射信号；不断改变入射角，入射角为0°-90°时，材料不同位置处不同入射角的激光散射信号。

D、通过将表面和亚表面散射信号进行差分和归一化，减小表面散射对亚表面损伤检测的影响，提高该点亚表面损伤的检测精度。

E、计算机13控制样品台6沿X轴、Y轴平动，改变激光检测位置，通过信号采集系统采集平面内不同位置处的探测信号，得到材料亚表面同一深度处焦平面内不同位置的损伤信息；

对陶瓷基复材样品进行三维检测，具体来说，首先将激光束聚焦于样品表面，在样品磨削表面扫描5×5mm的区域，得到第一层的偏振激光散射检测信号分布，然后控制Z轴移动，使激光焦点移动至样品内部距离表面5μm处，扫描5×5mm区域，得到第二层的偏振激光散射检测信号分布，再控制Z轴移动，得到第三层、第四层、第五层等，如图4所示。最终通过将多层损伤信号分布按照Z轴位置进行数据融合，得到不同类型损伤在材料内部的分布规律，如图5（a）所示。通过与SEM检测结果对比，如图5（b）所示，证实了该方法可以检测陶瓷基复合材料不同类型损伤。

结果如图2所示，损伤粗糙表面的背散射系数随着入射角增大而逐渐减小，当入射角接近90°时，即入射激光与损伤表面接近平行时，背散射系数急剧减小。考虑到陶瓷基材内部不同类型损伤具有不同的长宽比（aspect ratio），裂纹长宽比远大于1，而气孔的长宽比接近于1，则不同类型损伤检测信号随入射角的变化趋势也不同。为此，在实际检测中，根据偏振激光散射检测信号，定位不同损伤的位置信息，然而在不同位置处，改变激光入射角，得到检测光信号随入射角θi的变化规律。如图3（b），裂纹的偏振激光散射检测信号表现出先减小后增大的趋势。在入射角接近54°时，检测信号下降速率明显大于其他入射角处。而对于气孔，当入射角变化，检测激光照射到气孔表面时，检测信号增大，并且随入射角变化不大，当激光离开气孔表面时，检测信号逐渐减小。由此实现了不同类型损伤的识别。

F、计算机13控制样品台6沿Z轴竖直移动，使激光焦点进入待测样品亚表面不同深度，重复步骤D、E，不同深度处焦平面内的亚表面损伤的分布信息，进而得到不同深度下探测信号的变化规律。

G、分析处理光电探测器7、11探测的信号，得到待测样品亚表面损伤的三维信息。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，其特征在于，包括激光器、扩束镜、偏振分光镜、聚焦透镜组、积分球、针孔、信号采集系统和运动控制系统；

所述的激光器提供光学系统的信号源；

所述扩束镜放置于激光器出光口前端，增扩激光束出光直径；

所述的偏振分光镜放置于扩束镜出光口的前方，用于分离不同偏振状态的光；

所述积分球，放置于偏振分光镜下方，用于收集材料表面散射光；

所述聚焦透镜组包括上聚焦透镜和下聚焦透镜，上聚焦透镜和下聚焦透镜分别分布于偏振分光镜的透射端和反射端两侧，下聚焦透镜放置于偏振分光镜的透射端，将偏振分光镜反射的激光束聚焦于纤维增强陶瓷基复合材料表面；上聚焦透镜放置于偏振分光镜的反射端，汇聚经过纤维增强陶瓷基复合材料表面，经过亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔放置于上聚焦透镜上方的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到纤维增强陶瓷基复合材料亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器组、数据采集卡、计算机；

所述光电探测器组探测散射光功率信号，包括表面散射光探测器和亚表面散射光探测器，表面散射光探测器置于积分球侧边出光孔处，亚表面散射光探测器置于针孔后侧，探测通过针孔的散射光；

所述的数据采集卡接收光电探测器的输出信号；

所述的计算机对数据采集卡采集到的信号进行分析处理；

所述运动控制系统，控制样品台平移、翻转，以调整检测激光束的入射角和检测位置，所述的运动控制系统包括运动控制器和样品台；

所述的运动控制器接收计算机的指令，控制样品台运动；

所述的样品台带动纤维增强陶瓷基复合材料样品变换位置和倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，其特征在于，所述的陶瓷基纤维增强复合材料是碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料、氧化物增强氧化物陶瓷基复合材料。

3.根据权利要求1所述的用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，其特征在于，所述的样品台可以沿着X、Y、Z轴转动，检测时，固定X、Y轴，转动Z轴得到不同层偏振激光散射检测信号分布。

4.根据权利要求1所述的用于纤维增强陶瓷基复合材料加工损伤的激光散射检测装置，其特征在于，所述激光束的入射角调整范围是0-90°。

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