CN115420687B - 基于表面波tof延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统及方法，毫秒激光器和纳秒激光器通过延时脉冲发生器控制，用于控制两束激光的出光延时；毫秒激光器发出的激光通过聚焦透镜汇聚到匀光毛玻璃，光斑在匀光毛玻璃上被散射后通过聚焦透镜汇聚，再通过反射镜反射到待测样品表面；纳秒脉冲激光器出射的激光穿过透明玻璃片，透明玻璃片反射激光到光电探测器中，光电探测器将光信号转换成电信号输入到数字示波器；透过玻璃片的激光经过反射镜反射后，通过柱面镜汇聚成线源入射到待测样品表面；声波信号通过聚偏氟乙烯压电薄膜传感器探测，压电薄膜的输出信号通过数字示波器采集后输入计算机计算，反演材料温度相关剪切模量。
Description
技术领域
本发明涉及激光超声无损检测领域，具体涉及一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统及方法。
背景技术
高温下弹性常数的变化在材料设计的各个方面以及结构设计中起着至关重要的作用，如何准确地测量材料弹性常数随温度的变化对于保证材料正常服役具有重要意义。
传统的测量固体材料温度相关弹性常数的方法可以分为两大类：静态方法研究温度对样品在特定静态载荷下响应的影响：拉伸、弯曲或纳米压痕。声学方法测量特定声学模式的速度随温度的变化或由温度变化引起的本征频率的变化。这两种方法都假定整个样品均匀地加热到特定的温度，然而传统的加热炉很难实现均匀的加热环境，同时为了得到弹性常数随温度的变化，需要不断改变加热腔中的温度，测量过程繁琐。而且传统的加热炉或加热盘容积有限，无法实现对体积较大的材料进行测量，且无法实现对材料局部区域的表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统及方法。
实现本发明的技术方案为：第一方面，本发明提供一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统，包括毫秒激光器、纳秒激光器、聚焦透镜、匀光毛玻璃、聚焦透镜、反射镜、计算机、数字示波器、反射镜、透明玻璃片、光电探测器、柱面镜、聚偏氟乙烯压电薄膜传感器和数字脉冲延时发生器；
毫秒脉冲激光器和纳秒脉冲激光器通过数字脉冲延时发生器控制，用于控制两束激光的出光延时；毫秒脉冲激光器发出的激光通过聚焦透镜汇聚到匀光毛玻璃上，光斑在匀光毛玻璃上被散射后通过聚焦透镜汇聚，再通过反射镜反射到待测样品表面，在样品表面形成直径5～6毫米的光斑用于加热材料；纳秒脉冲激光器出射的激光穿过透明玻璃片，透明玻璃片反射激光到光电探测器中，光电探测器将光信号转换成电信号输入到数字示波器用作信号采集的触发信号；透过透明玻璃片的激光经过反射镜反射后，通过柱面镜汇聚成线源入射到待测样品表面用于激发超声表面波；声波信号通过聚偏氟乙烯压电薄膜传感器探测，传感器输出信号通过数字示波器采集后输入计算机计算，反演材料温度相关剪切模量。
进一步的，毫秒激光光斑和聚偏氟乙烯压电薄膜传感器在线源激光的法线方向上。
进一步的，纳秒激光器在待测样品的线源光斑和聚偏氟乙烯压电薄膜传感器分别位于毫秒激光光斑的两侧。
进一步的，通过数字脉冲延时发生器控制纳秒激光器相对于毫秒激光器的出光延时，同时控制毫秒激光器是否出光。
第二方面，本发明提供一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的方法，该方法基于第一方面所述系统实现，具体包括以下步骤：
第一步，通过数字脉冲演示发生器控制纳秒激光器相对于毫秒脉冲激光器的出光延时，数字脉冲演示发生器控制两激光器、出光；
第二步，纳秒激光激发的表面波在待测样片表面传播，穿过毫秒激光光斑辐照区域后被聚偏氟乙烯压电薄膜传感器接收；
第三步，通过计算机读取数字示波器中采集的表面波信号并对其做时频变换，得到不同频率的表面波在穿过毫秒激光加热区域后到达聚偏氟乙烯压电薄膜传感器的时间TOFhot(f)；
第四步，通过数字脉冲延时发生器控制毫秒激光器不出光，纳秒激光器出光激发表面波，聚偏氟乙烯压电薄膜传感器探测表面波在不被毫秒激光加热的待测样品表面传播时的信号；
第五步，通过计算机读取数字示波器中采集的表面波信号并对去做时频变换，得到不同频率的表面波在不被毫秒激光加热的待测样品表面传播后到达聚偏氟乙烯压电薄膜传感器的时间TOFcold(f)；
第六步，将加热和不加热两种情况下的到达时间做差分：
得到温度场引起的不同频率的表面波传播时间的延时；
第七步，应用差分演化算法测得的TOFdelay(f)反演出材料温度相关的剪切模量G(T)。
在其中一个实施例中，第一步中，纳秒激光器相对于毫秒脉冲激光器的出光延时为1毫秒。
在其中一个实施例中，第六步中，脉宽1毫秒的激光加热固体材料时，确定瞬态的温度梯度场的具体方法为：
建立固体材料中的热传导方程：
在考虑激光光斑横向功率密度分布为半径为a＝2～3毫米的高斯分布时，热传导方程的解为：其中τ为毫秒激光脉宽，TH(z,t)表述为：D为材料热扩散系数；
材料温度相关的剪切模量表示为：G＝G0(1-bT),B＝const.，G0和B分别为材料室温下的剪切模量和体积模量；材料的密度随温度的变化近似为线性变化：ρ(T)＝ρ0(1-αT(1+2C12/C11))，C11和C12为材料在室温下的弹性常数；α为材料的线性热膨胀系数；对于给定的温度梯度T(x,z)，表面波在此温度梯度传播时的色散曲线通过微扰理论计算：上式中，Δρ为温度引起的材料密度的变化，Δc为温度引起的材料弹性常数的变化；
毫秒激光加热形成的温度梯度场引起的表面波到达时间的延迟通过下式计算：
进一步的，对于给定的剪切模量随温度变化的系数b和激光参数Q值，实验中测量得到的表面波到达时间延迟与理论计算值之间的标准差表示为：
通过应用差分演化算法，搜索使得此标准差最小的bmin和Qmin值，需要测量的材料温度相关剪切模量可以表示为：G(T)＝G0(1-bminT)。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第二方面所述的方法的步骤。
第四方面，计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第二方面所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明利用毫秒脉冲激光加热，可以在毫秒时间范围内使得材料升温到1000摄氏度以上，克服了现有技术中加热炉加热速率缓慢，测量过程太长的缺点；(2)本发明可以实现对材料局部区域的性质表征，克服了现有技术无法实现材料局部区域表征的缺点；(3)本发明可以实现对大尺寸材料温度相关弹性常数的表征，克服了现有方法使用的加热炉加热腔容积有限，无法测量大尺寸材料的缺点；(4)本发明不需要对材料整体均匀加热，相反利用的是材料近表面被非均匀加热的温度场，克服了现有方法需要假设将材料整体均匀加热而现有加热炉很难实现这一要求的缺点。
附图说明
图1为毫秒激光加热具体材料形成的温度场示意图。
图2为实现此测量方法的实验装置系统示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的方法，其测量原理为：
表面波是一种沿着材料表面传播的声波，当表面波在表面弹性性质沿深度方向分布不均匀的材料表面传播时，会发生色散(不同频率的声波相速度不同)，其色散曲线可以用来反演材料近表面弹性性质分布。使用毫秒激光辐照固体材料表面时，材料吸收部分激光能量后会在材料近表面形成瞬态温度梯度场，此温度场会引起材料温度相关弹性性质的非均匀分布。当表面波传播经过此温度场时，因为色散效应，会引起不同频率的声波到达同一探测器位置时的飞行时间不同，通过测量温度场引起的表面波飞行时间的延迟，可以反演得到材料温度相关的弹性常数。本发明使用一束纳秒脉冲激光经过柱面镜汇聚成线源激光辐照到样品表面用于激发声表面波。将一束脉宽1毫秒的毫秒激光通过匀光毛玻璃匀光后，经过一个长焦透镜汇聚成半径2～3毫米的光斑入射到样品表面用于加热材料形成温度梯度场。声表面波通过聚偏氟乙烯压电薄膜探测。对于空间分布为一维无限大，时间分布为单位阶跃函数的连续激光辐照不透明固体材料，材料吸收部分激光能量后形成的温度梯度场可通过如下方程表示：
上式中，D为材料热扩散系数，表示材料对于激光的吸收，ρ为材料密度，c为材料比热容，I为激光的峰值功率密度，R为材料表面反射率。
本发明使用半径2.5毫米，脉宽1毫秒的长脉冲激光辐照材料，其在材料近表面区域形成的温度场分布为：
T(x,z,t)＝(TH(z,t)-TH(z,t-τ))exp(-x2/a2)
上式中，a为激光的半径，τ为激光的脉宽。
温度场会引起材料密度、弹性性质的变化：ρ＝ρ0+Δρ,C＝C0+ΔC。上式中ρ0、C0，为材料室温下的密度和弹性常数，Δρ、ΔC为温度引起的材料密度和弹性常数的变化。因为温度引起材料密度、弹性常数的变化较小，表面波在加热区域传播时的色散特性可通过微扰理论求解：
上式中，ΔVR为温度引起的表面波波速的变化，V0为室温下材料的表面波波速，Ui为室温下材料中表面波的振幅，eI为相应的应变张量。为表面波沿传播方向的波印廷矢量在深度方向的积分。
温度引起的材料密度的变化由热膨胀引起，可表示为：
ρ(T)＝ρ0(1-αT(1+2C12/C11))
上式中，α为材料线性热膨胀系数，C11和C12为材料在室温下的弹性张量。
对于固体材料，其体积模量B随温度的变化很小，且表面波播速对其变化不敏感，在计算中可近似认为其不随温度变化；同时材料剪切模量G随温度的变化近似线性：
G＝G0(1-bT),B＝const.
上式中，G0为室温下材料的剪切模量，B为材料的体积模量，b为本发明要测量的材料剪切模量随温度变化系数。最终，毫秒激光辐照材料形成的温度梯度场T(x,z,t)引起表面波飞行时间的延迟为：
通过控制毫秒加热激光与纳秒激发激光入射到样品表面的延时，测量不同延时下毫秒激光加热材料形成的温度场引起的不同频率表面波飞行时间的延迟，再通过差分演化算法，结合正向计算物理模型反演出材料温度相关剪切模量。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
用一束半径为2.5毫米的毫秒脉冲激光辐照固体材料，材料吸收激光能量，会在近表面区域形成温度梯度场T(x,z,t)，如图1所示。固体材料的剪切模量G是温度T的函数，此温度梯度场T(x,z,t)会引起材料剪切模量G非均匀分布，当表面波穿过此温度梯度场时，会发生色散(不同频率的声波传播速度不同)，因而不同频率的表面波穿过加热区域后到达探测器的飞行时间TOF不同。通过测量温度梯度场引起的表面波飞行时间的延迟TOFdelay(f)，建立TOFdelay(f)正向计算的物理模型，就能反演得到材料温度相关的剪切模量G。
如图2所示，实现测量固体材料温度相关剪切模量的系统，包括毫秒激光器1、纳秒激光器2、匀光系统(聚焦透镜3、匀光毛玻璃4、聚焦透镜5)、反射镜6、计算机7、数字示波器8、反射镜9、透明玻璃片10、光电探测器11、柱面镜12、聚偏氟乙烯压电薄膜传感器13、数字脉冲演示发生器14、待测样品15。毫秒激光器1和纳秒激光器2通过数字脉冲演示发生器14控制，用于精确控制两束激光的出光延时。毫秒激光器1发出的激光通过聚焦透镜3汇聚到匀光毛玻璃4上，光斑在匀光毛玻璃4上被散射后通过汇聚透镜5汇聚，再通过反射镜6反射到待测样品15表面，在样品表面形成直径5mm的光斑用于加热材料。纳秒激光器2出射的激光穿过透明玻璃片10，透明玻璃片10反射微弱的激光到光电探测器11中，光电探测器11将光信号转换成电信号输入到数字示波器8用作信号采集的触发信号。透过透明玻璃片10的激光经过反射镜9反射后，通过柱面镜12汇聚成线源入射到待测样品15表面用于激发超声表面波。声波信号通过聚偏氟乙烯压电薄膜探测器13探测，压电探测器13的输出信号通过数字示波器8采集后输入计算机7计算，反演材料温度相关剪切模量。
基于上述系统，测量固体材料温度相关剪切模量的方法，包括如下步骤：
第一步，激发表面波在样品表面传播并穿过毫秒激光光斑加热区域：
通过数字脉冲延时发生器14设置纳秒激光器2与毫秒激光器1的出光延时为td＝1毫秒。毫秒激光器1出射的激光经过匀光后入射到待测样品15表面，在材料近表面区域形成温度梯度场。纳秒激光器2出射的激光经过反射镜9反射后再透过柱面镜12汇聚成长度1厘米左右的线源入射到待测样品15表面激发出沿着线源法线方向传播的表面波。
第二步，聚偏氟乙烯压电薄膜探测器13探测表面波，通过时频分析得到不同频率的表面波穿过温度梯度场后到达探测器的飞行时间TOFhot(f)。
数字示波器8记录表面波的离面位移信号uhot(t)，并将信号输入给计算机，通过计算机对表面波信号做Wily-Vigner变换：对不同频率f的信号Whot(t,f)，寻找峰值点，峰值点对应的时刻即为此频率的声波的到达时刻TOFhot(f,td)。
第三步，激发表面波在不被加热的样品表面传播：
通过数字脉冲延时发生器14控制毫秒激光器1不出光，纳秒激光器1出光。纳秒激光经过柱面镜12汇聚成长度1厘米左右的线源入射到样品表面激发出沿着线源法线方向传播的表面波。
第四步，聚偏氟乙烯压电薄膜探测器13探测表面波，通过时频分析得到不同频率的表面波在不被加热的样品表面传播到达压电传感器的飞行时间TOFcold(f,td)。
数字示波器8记录表面波的离面位移信号ucold(t)，并将信号输入给计算机7，通过计算机7对表面波信号做Wily-Vigner变换：对不同频率f的信号Wcold(t,f)，寻找峰值点，峰值点对应的时刻即为此频率的声波的到达时刻TOFcold(f,td)。
第五步，通过差分法得到毫秒激光形成的温度场造成的表面波到达时间的延迟：
第六步，通过数字脉冲延时发生器14设置纳秒脉冲激光器2相对于毫秒脉冲激光器1入射到样品表面的延时为td＝0.5毫秒，重复步骤第二步、第三步、第四步、第五步，测量此延时下温度场引起的表面波飞行时间延迟
第七步，计算给定剪切模量随温度变化的系数b，激光参数为Q的毫秒脉冲激光加热材料引起的表面波飞行时间的延迟计算测量得到的与物理模型计算得到的飞行时间延迟之间的标准差。
半径a＝2.5毫米的连续高斯激光光斑辐照固体材料时，在材料近表面区域形成的温度梯度场可以表示为：
当脉冲激光的脉宽τ为1毫秒时，温度场梯度场表示为：
T(x,z,t)＝(TH(z,t)-TH(z,t-τ))exp(-x2/a2)。
此温度梯度场引起材料密度沿深度方向的分布可以线性的表示为ξ(T)＝ρ0(1-αT(1+2C12/C11))，材料的体积模量随温度变化很小，且表面波的播速对其变化不敏感，可近似假设其不随温度变化。材料的剪切模量随温度的变化可以表示为：G＝G0(1-bT),B＝const.。上式中b为剪切模量的温度相关系数。表面波在此区域传播时的色散特性通过微扰理论计算：
表面波穿过毫秒激光加热区域时飞行时间的延时表示为：
实验中测量的与理论计算的/>之间的标准差为：
第八步，应用差分演化算法搜索bmin和Qmin，使得标准差最小，得到材料温度相关剪切模量：G(T)＝G0(1-bminT)。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的系统，其特征在于，包括毫秒激光器(1)、纳秒激光器(2)、聚焦透镜(3)、匀光毛玻璃(4)、聚焦透镜(5)、反射镜(6)、计算机(7)、数字示波器(8)、反射镜(9)、透明玻璃片(10)、光电探测器(11)、柱面镜(12)、聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)和数字脉冲延时发生器(14)；
毫秒脉冲激光器(1)和纳秒脉冲激光器(2)通过数字脉冲延时发生器(14)控制，用于控制两束激光的出光延时；毫秒脉冲激光器(1)发出的激光通过聚焦透镜(3)汇聚到匀光毛玻璃(4)上，光斑在匀光毛玻璃(4)上被散射后通过聚焦透镜(5)汇聚，再通过反射镜(6)反射到待测样品(15)表面，在样品表面形成直径5～6毫米的光斑用于加热材料；纳秒脉冲激光器(2)出射的激光穿过透明玻璃片(10)，透明玻璃片(10)反射激光到光电探测器(11)中，光电探测器(11)将光信号转换成电信号输入到数字示波器(8)用作信号采集的触发信号；透过透明玻璃片(10)的激光经过反射镜(9)反射后，通过柱面镜(12)汇聚成线源入射到待测样品(15)表面用于激发超声表面波；声波信号通过聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)探测，传感器(13)输出信号通过数字示波器(8)采集后输入计算机(7)计算，反演材料温度相关剪切模量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，毫秒激光光斑和聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)在线源激光的法线方向上。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，纳秒激光器(2)在待测样品(15)的线源光斑和聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)分别位于毫秒激光光斑的两侧。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过数字脉冲延时发生器(14)控制纳秒激光器(2)相对于毫秒激光器(1)的出光延时，同时控制毫秒激光器(1)是否出光。
5.一种基于表面波TOF延时测量固体材料温度相关剪切模量的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述系统实现，具体包括以下步骤：
第一步，通过数字脉冲演示发生器(14)控制纳秒激光器(2)相对于毫秒脉冲激光器(1)的出光延时，数字脉冲演示发生器(14)控制毫秒激光器(1)、纳秒激光器(2)出光；
第二步，纳秒激光器(2)激发的表面波在待测样片(15)表面传播，穿过毫秒激光器(1)光斑辐照区域后被聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)接收；
第三步，通过计算机(7)读取数字示波器(8)中采集的表面波信号并对其做时频变换，得到不同频率的表面波在穿过毫秒激光加热区域后到达聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)的时间TOFhot(f)；
第四步，通过数字脉冲延时发生器(14)控制毫秒激光器(1)不出光，纳秒激光器(2)出光激发表面波，聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)探测表面波在不被毫秒激光(2)加热的待测样品(15)表面传播时的信号；
第五步，通过计算机(7)读取数字示波器(8)中采集的表面波信号并对去做时频变换，得到不同频率的表面波在不被毫秒激光(1)加热的待测样品(15)表面传播后到达聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(13)的时间TOFcold(f)；
第六步，将加热和不加热两种情况下的到达时间做差分：
得到温度场引起的不同频率的表面波传播时间的延时；
第七步，应用差分演化算法测得的TOFdelay(f)反演出材料温度相关的剪切模量G(T)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一步中，纳秒激光器(2)相对于毫秒脉冲激光器(1)的出光延时为1毫秒。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第六步中，脉宽1毫秒的激光加热固体材料时，确定瞬态的温度梯度场的具体方法为：
建立固体材料中的热传导方程：
在考虑激光光斑横向功率密度分布为半径为a＝2～3毫米的高斯分布时，热传导方程的解为：其中τ为毫秒激光脉宽，TH(z,t)表述为：D为材料热扩散系数；/>表示材料对于激光的吸收，ρ为材料密度，c为材料比热容，I为激光的峰值功率密度，R为材料表面反射率；
材料温度相关的剪切模量表示为：G＝G0(1-bT),B＝const.，G0和B分别为材料室温下的剪切模量和体积模量，b为要测量的材料剪切模量随温度变化系数；材料的密度随温度的变化近似为线性变化：ρ(T)＝ρ0(1-αT(1+2C12/C11))，C11和C12为材料在室温下的弹性常数；α为材料的线性热膨胀系数；对于给定的温度梯度T(x,z)，表面波在此温度梯度传播时的色散曲线通过微扰理论计算：上式中，Δρ为温度引起的材料密度的变化，Δc为温度引起的材料弹性常数的变化；ΔVR为温度引起的表面波波速的变化，V0为室温下材料的表面波波速，Ui为室温下材料中表面波的振幅，eI为相应的应变张量；Px为表面波沿传播方向的波印廷矢量在深度方向的积分；
毫秒激光加热形成的温度梯度场T(x,z,t)引起的表面波到达时间的延迟通过下式计算：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于给定的剪切模量随温度变化的系数b和激光参数Q值，实验中测量得到的表面波到达时间延迟与理论计算值之间的标准差表示为：
通过应用差分演化算法，搜索使得此标准差最小的bmin和Qmin值，需要测量的材料温度相关剪切模量表示为：G(T)＝G0(1-bminT)。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求5-8中任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求5-8中任一所述的方法的步骤。
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