CN118111994A - 亚表面缺陷检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚表面缺陷检测系统及方法。本发明的亚表面缺陷检测系统中，激励信号发生模块发生激振带动微悬臂梁结构振动，微悬臂梁结构在振动过程中，能够与被测样品接触，被测样品与微悬臂梁结构间的作用力影响经微悬臂梁结构反射至光信号接收模块的光信号，进而根据光信号接收模块接收到的光谱信号确定被测样品的表面形貌，其中，该亚表面缺陷检测系统结构简单，且无需大量的光学元件，进而成本降低，另外，由于该亚表面缺陷检测系统中结构简单且无需大量的光学元件，因此，在检测过程中，操作简单。

Description

亚表面缺陷检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种亚表面缺陷检测系统及方法。

背景技术

近年来，随着加工制造技术的迅速发展，对材料的构件表面与亚表面的质量要求越来越高。为了制造一个高质量的零件，需要对由机械加工对材料的构件表面与亚表面引起的表面缺陷进行检测，尤其是亚表面的表面缺陷，其在生产加工过程中，常被涂抹层所覆盖。

目前，在对材料的亚表面进行缺陷检测时，检测方式包括有人工检测与设备检测，其中，人工检测方式基于人眼直接观察和判断，其检测结果受主观意识、人员视觉疲劳以及注意力等因素的影响，容易产生误判，因此，设备检测已成为材料的构件的亚表面进行表面缺陷检测最常用的检测方式。在设备检测方式中，包括有超声波探伤检测、红外线缺陷检测、漏磁缺陷检测、激光缺陷检测以及光学机器视觉缺陷检测等，上述探伤检测方式虽然可对材料的亚表面的缺陷进行有效检测，但是其组成的检测系统复杂，尤其在一些利用光学检测原理进行亚表面缺陷检测时，需要大量的光学器件，导致成本变高，另外，由于其检测系统复杂，因此，在检测过程中，操作复杂。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种亚表面缺陷检测系统及方法，以解决现有检测系统复杂，尤其在一些利用光学检测原理进行亚表面缺陷检测时，需要大量的光学器件，导致成本变高，另外，由于其检测系统复杂，在检测过程中，操作复杂的问题。

本发明提供了一种亚表面缺陷检测系统，包括：

光信号发射模块，用于发射光信号；

环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口，所述第一端口与所述光信号发射模块连接；以及

光纤，所述光纤的入射端与所述第二端口连接；

微悬臂梁结构，所述微悬臂梁结构设于所述光纤的出射端，所述微悬臂梁结构用于反射光纤出射的光信号，所述微悬臂梁结构的下表面与所述光纤的出射端的端面形成空气微腔，所述微悬臂梁结构的上表面与所述微悬臂梁结构的下表面形成聚合物微腔，所述微悬臂梁结构的上表面与所述光纤的端面形成混合微腔；

激励信号发生模块，用于发生激振并带动所述微悬臂梁结构振动；

光信号接收模块，所述光信号接收模块与所述第三端口连接；

其中，光信号经所述第一端口、所述第二端口、所述光纤输出至所述微悬臂梁结构，所述微悬臂梁结构反射的光信号经所述第三端口输出至所述光信号接收模块，当所述微悬臂梁结构在振动时，所述微悬臂梁结构能够与被测样品接触，进而对所述被测样品的表面形貌进行检测。

本发明进一步地设置，所述光纤包括：单模光纤，所述单模光纤的入射端与所述第二端口连接，所述微悬臂梁结构设于所述单模光纤的出射端。

本发明进一步地设置，所述微悬臂梁结构包括：基座、用于反射所述光纤出射的光信号的悬臂梁以及探针；

所述基座设于所述光纤的出射端；

所述悬臂梁的一端设于所述基座远离所述光纤的出射端的一端，所述悬臂梁的另一端沿垂直于所述基座的方向延伸；

所述探针的一端设于所述悬臂梁延伸的一端，所述探针的另一端沿垂直于所述悬臂梁且远离所述光纤的方向延伸；

其中，当所述微悬臂梁在振动时，所述探针能够与被测样品接触。

本发明进一步地设置，光信号发射模块包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器与所述第一端口连接。

本发明进一步地设置，所述光信号接收模块包括：光电探测器；

所述光电探测器与所述第三端口连接，所述微悬臂梁反射的光信号经所述第三端口输出至所述光电探测器。

本发明进一步地设置，所述光信号接收模块还包括：频谱分析仪；

所述频谱分析仪与所述光电探测器连接。

本发明进一步地设置，所述光信号接收模块还包括：示波器；

所述示波器与所述光电探测器连接。

本发明进一步地设置，所述激励信号发生模块包括：信号发生器、压电陶瓷片以及陶瓷插入件；

所述信号发生器与所述压电陶瓷片连接；

所述压电陶瓷片用于产生激振并带动所述微悬臂梁振动；

所述光纤插入到陶瓷插入件，所述陶瓷插入件固设在所述压电陶瓷片上。

本发明还提供了一种应用如上所述的亚表面缺陷检测系统的方法，包括：

获取所述微悬臂梁结构的上表面、所述微悬臂梁的下表面以及所述光纤的端面形成的三束干涉光谱的光谱信息；

基于所述光谱信息获取反馈参数；

基于所述反馈参数获取被测样品的表面形貌。

本发明进一步地设置，在所述基于所述光谱信息获取反馈参数的步骤中，所述反馈参数为三束干涉光谱的共振频率、振幅或相位。

本发明所提供的一种亚表面缺陷检测系统及方法，其中，亚表面缺陷检测系统包括光信号发射模块，用于发射光信号；环形器，环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一端口与光信号发射模块连接；以及光纤，光纤的入射端与第二端口连接；微悬臂梁结构，微悬臂梁结构设于光纤的出射端，微悬臂梁结构用于反射光纤出射的光信号，微悬臂梁结构的下表面与光纤的出射端的端面形成空气微腔，微悬臂梁结构的上表面与微悬臂梁结构的下表面形成聚合物微腔，微悬臂梁结构的上表面与光纤的端面形成混合微腔；激励信号发生模块，用于发生激振并带动微悬臂梁结构振动；光信号接收模块，光信号接收模块与第三端口连接；其中，光信号经第一端口、第二端口、光纤输出至微悬臂梁结构，微悬臂梁结构反射的光信号经第三端口输出至光信号接收模块，当微悬臂梁结构在振动时，微悬臂梁结构能够与被测样品接触，进而对被测样品的表面形貌进行检测。在本发明技术方案中，激励信号发生模块发生激振带动微悬臂梁结构振动，微悬臂梁结构在振动过程中，能够与被测样品接触，被测样品与微悬臂梁结构间的作用力影响经微悬臂梁结构反射至光信号接收模块的光信号，进而根据光信号接收模块接收到的光谱信号确定被测样品的表面形貌，其中，该亚表面缺陷检测系统结构简单，且无需大量的光学元件，进而成本降低，另外，由于该亚表面缺陷检测系统中结构简单且无需大量的光学元件，因此，在检测过程中，操作简单。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明中亚表面缺陷检测系统的原理框图。

图2是一个实施例中微悬臂梁与单模光纤的结构图。

图3是一个实施例中微悬臂梁与单模光纤的检测原理图。

图4是一个实施例中探针－被测样品的接触谐振力学模型图。

图5是一个实施例中亚表面缺陷检测系统图。

图6是微悬臂梁结构的制备流程图。

图7是本发明中亚表面缺陷检测方法流程图。

图8是一个实施例中一阶模态的振型下基频为217.5kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图9是一个实施例中高阶模态的振型下高阶谐振频率为872kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图10是一个实施例中高阶模态的振型下高阶谐振频率为1150kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图11是一个实施例中高阶模态的振型下高阶谐振频率为1280kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图12是一个实施例中高阶模态的振型下高阶谐振频率为2150kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图13是一个实施例中高阶模态的振型下高阶谐振频率为2460kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现图。

图14是一个实施例中微悬臂梁结构的光谱图。

图15是一个实施例中微悬臂梁结构在第一频率范围内频率与强度的关系图。

图16是一个实施例中微悬臂梁结构在第二频率范围内频率与强度的关系图。

图17是一个实施例中微悬臂梁结构在第三频率范围内频率与强度的关系图。

图18是一个实施例中微悬臂梁结构在不同电压下频率与强度的关系图。

图19是一个实施例中微悬臂梁结构在不同距离下频率与强度关系图。

图20是一个实施例中探针－被测样品作用力与探针－被测样品距离的关系图。

图21是一个实施例中银膜表面缺陷检测结果图。

附图中各标记：

1、光信号发生模块；2、环形器；3、光纤；31、单模光纤；311、包层；312、纤芯；4、微悬臂梁结构；41、探针；42、悬臂梁；43、基座；5、激励信号发生模块；51、信号发生器；52、压电陶瓷片；53、陶瓷插入件；6、光信号接收模块；61、光电探测器；62、频谱分析仪；7、被测样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前，在对材料的亚表面进行缺陷检测时，检测方式包括有人工检测与设备检测，其中，人工检测方式基于人眼直接观察和判断，其检测结果受主观意识、人员视觉疲劳以及注意力等因素的影响，容易产生误判，因此，设备检测已成为材料的构件的亚表面进行表面缺陷检测最常用的检测方式。在设备检测方式中，包括有超声波探伤检测、红外线缺陷检测、漏磁缺陷检测、激光缺陷检测以及光学机器视觉缺陷检测，其中，超声波探伤检测是根据声波在缺陷处发生波形变化的原理来检测缺陷，根据反射波的时间及形状来判断工业制造件内部缺陷及材料性质，超声波探伤检测技术常应用于各种金属管道内部的缺陷检测；红外线缺陷检测是通过红外热像仪捕捉物体表面的热辐射图像，分析图像中热量分布情况，检测出潜在的缺陷，但红外线缺陷检测仅适用于金属等导热性较好的物体，限制了其适用范围；磁漏缺陷检测技术广泛应用于钢铁产品的无损检测，其检测原理是将被测材料局部磁化，破裂的材料表面区域的磁导率会降低，且磁阻增加，从而形成可检验的漏磁信号；激光缺陷检测法适用于轧制中的钢材检测，一般的表面缺陷划痕、折叠、凸起、凹坑等均可检测，加以中心分布的检测设备，实现工业制造件的全方位检测，测量制造件的各种数据；光学机器视觉缺陷检测技术的基本原理是将特定的光源照在待测制造件表面上，利用高清高速摄像机获得制造件表面图像，通过图像处理技术对表面缺陷进行检测与分类，光学机器视觉缺陷检测更多的应用于产品分类上。上述设备检测方式虽然可对材料的亚表面的缺陷进行有效检测，但是其组成的检测系统复杂，尤其在一些利用光学检测原理进行亚表面缺陷检测时，需要大量的光学器件，导致成本变高，另外，由于其检测系统复杂，因此，在检测过程中，操作复杂。

基于此，本发明提供了一种亚表面缺陷检测系统。如图1－图5所示，该亚表面缺陷检测系统可包括光信号发射模块、环形器2、光纤3、微悬臂梁结构4、激励信号发生模块5以及光信号接收模块6。

其中，该光信号发射模块用于发射光信号；该环形器2可包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一端口与光信号发射模块连接；该光纤3的入射端与第二端口连接；该微悬臂梁结构4设于光纤3的出射端，微悬臂梁结构4用于反射光纤3出射的光信号，微悬臂梁结构4的下表面与光纤3的出射端的端面形成空气微腔(FPI1，Fabry–Pérotinterferometer1)，微悬臂梁结构4的上表面与微悬臂梁结构4的下表面形成聚合物微腔(FPI2，Fabry–Pé rot interferometer2)，微悬臂梁结构4的上表面与光纤3的端面形成混合微腔(FPI3，Fabry–Pérot interferometer3)；该激励信号发生模块5用于发生激振并带动微悬臂梁结构4振动；该光信号接收模块6与第三端口连接；光信号经第一端口、第二端口、光纤3输出至微悬臂梁结构4，微悬臂梁结构4反射的光信号经第三端口输出至光信号接收模块6，当微悬臂梁结构4在振动时，微悬臂梁结构4能够与被测样品7接触，进而对被测样品7的表面形貌进行检测。

在本实施例中，激励信号发生模块5发生激振带动微悬臂梁结构4振动，微悬臂梁结构4在振动过程中，能够与被测样品7接触，被测样品7与微悬臂梁结构4间的作用力影响经微悬臂梁结构4反射至光信号接收模块6的光信号，进而根据光信号接收模块6接收到的光信号确定被测样品7的表面形貌，其中，该亚表面缺陷检测系统无需大量的光学元件(与通过光学检测原理检测被测样品的缺陷方式相比，通过光纤代替复杂庞大的空间光路)，结构简单，进而成本降低，另外，由于该亚表面缺陷检测系统中无需大量的光学元件，因此，在检测过程中，操作简单。

另外，该亚表面缺陷检测系统在对被测样品7进行探测时，利用的是光纤3的端面与微悬臂梁结构4的上表面及下表面形成法布里－珀罗干涉仪(FPI，Fabry–Pérotinterferometer)的原理对被测样品7的表面形貌进行探测，其中，当光纤3的端面与微悬臂梁结构4的上表面及下表面形成的法布里－珀罗干涉仪受到外界信号动态变化时，例如，受到超声波或低频振动等信号时，法布里－珀罗干涉仪微腔长度的变化会呈现动态周期性的特征，此时，基于干涉波长的静态解调技术已无法进行准确探测，此时，可采用动态解调技术进行解调，该动态解调技术响应速度快、频率范围宽等优点。

在一些实施例中，如图2所示，光纤3可包括单模光纤313，其中，单模光纤313的入射端与第二端口连接，微悬臂梁结构4设于单模光纤313的出射端。

在本实施例中，单模光纤313可包括纤芯312与包层311，通过包层311对纤芯312进行包裹，进而延长单模光纤313的使用寿命。

这里，需要说明的是，微悬臂梁结构4在设置时，由单模光纤313出射的光信号可传输至微悬臂梁结构4上，且光信号被微悬臂梁结构4反射后可由单模光纤313传输至环形器2的第三端口，进而将反射的光信号传输至光信号接收模块6。

在一些实施例中，如图2所示，该微悬臂梁结构4可包括基座43、悬臂梁42以及探针41。该基座43设于光纤3的出射端；悬臂梁42用于反射光纤3出射的光信号，该悬臂梁42的一端设于基座43远离光纤3的出射端的一端，悬臂梁42的另一端沿垂直于基座43的方向延伸；探针41的一端设于悬臂梁42延伸的一端，探针41的另一端沿垂直于悬臂梁42且远离光纤3的方向延伸，其中，当微悬臂梁42在振动时，探针41能够与被测样品7接触。

具体地，基座43设置在单模光纤313出射端的一端，且基座43的另一端沿单模光纤313的轴向且远离单模光纤313的方向自由延伸；悬臂梁42的一端设于基座43上自由延伸的一端，悬臂梁42的另一端沿垂直于基座43的方向延伸，即，悬臂梁42与基座43构成一“L”型结构；探针41的一端设于悬臂梁42延伸的一端，探针41的另一端沿垂直于悬臂梁42且远离光纤3的方向延伸，即，探针41与悬臂梁42构成一“L”型结构。

在本实施例中，在对被测样品7进行检测时，激励信号发生模块5发生激振并带动悬臂梁42振动，悬臂梁42在振动过程中，带动探针41运动，使探针41能够与被测样品7接触，被测样品7与探针41间的作用力影响悬臂梁42反射至光信号接收模块6的光信号，进而根据光信号接收模块6接收到的光信号确定被测样品7的表面形貌。

另外，在检测过程中，探针41与被测样品7只有非常短暂时间的直接接触，因此，该微悬臂梁42减小了接触模式扫描过程中因探针41与被测样品7接触时间长而导致探针41损伤被测样品7或被测样品7损伤探针41的风险。

进一步地，该微悬臂梁结构4在进行光学解调时，不需要复杂的解调系统，系统简单，使用便捷，取代了商业AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)复杂的光学杠杆解调方式，实现了更大功能集成；另外，由于微悬臂梁结构4中的悬臂梁42一端固定，另一端自由悬空，且微悬臂梁结构4应用的低杨氏模量的聚合物材料，从而使得该微悬臂梁结构4在微弱力的作用下即可产生足够的变形，达到更小力的检测极限。

进一步地，该微悬臂梁结构4可为一体成型结构，其中，该微悬臂梁42在制作时，利用飞秒激光诱导TPP(Two－photon polymerization)设备进行制作，使用DeScribe软件对模型进行切片和分层处理，该DeScribe软件控制三维平台和激光切换过程。

如图6所示，图6为微悬臂梁结构4的制备示意图，该微悬臂梁42在制备是，具体的制备过程为，将单模光纤313安装在夹具上，并将商用光刻胶(IPDip)滴到单模光纤313尖端上以浸入单模光纤313的端面，然后，将浸入有光刻胶的单模光纤313移到飞秒激光诱导TPP设备上，其中，为确保微悬臂梁结构4打印后的形态良好，在聚焦期间，使用63倍油浸透镜(数值孔径NA＝1.4)。在飞秒激光TPP纳米光刻处理后，光刻胶内部的单体分子将交联并且团聚，与单模光纤313的端面达成固定的分子粘附结构，从而形成坚韧、稳定的粘附层，使聚合后的微悬臂梁结构4能稳固的粘附在单模光纤313的端面上。聚合后，首先，将被测样品7浸入到丙二醇甲基醚乙酸酯(PGME，APropyleneGlycolMono－methylEtherAcetate)中至少20分钟，然后浸入异丙醇(IPA，iso－Propyl alcohol)中约5分钟，以冲洗掉任何残留的光刻胶；同时，进行紫外线照射固化，以确保其机械稳定性，清洗后，微悬臂梁结构4被成功地打印到单模光纤313的端面上。

其中，在微悬臂梁结构4聚合过程中飞秒激光功率为30mW、重频为80MHz和工作波长为800nm。优化后扫描速度为800μm/s、线间距为200nm和切片间距为200nm，进而获得微悬臂梁42的最佳打印效果。

另外，该微悬臂梁结构4在设计时，可根据实际情况确定其尺寸、形状以及大小，体现了该微悬臂梁结构4应用时的灵活性。

在一些实施例中，如图5所示，光信号发射模块可包括可调谐激光器，其中，可调谐激光器与第一端口连接，通过可调谐激光器发射光信号至环形器2的第一端口。

在本实施例中，通过可调谐振激光器代替了宽带光源作为光源。

在一些实施例中，如图5所示，光信号接收模块6可包括光电探测器61，光电探测器61与第三端口连接，微悬臂梁42反射的光信号经第三端口输出至光电探测器61，其中，该光电探测器61将接收到的光信号转换成电信号进行输出，可通过采集光电探测器61输出的电信号进行确定微悬臂梁42的振动信息。

进一步地，如图5所示，光信号接收模块6还包括频谱分析仪62，该频谱分析仪62与光电探测器61连接，光电探测器61转换输出的电信号传输至频谱分析仪62上进行显示，进而进行信号检测。

在本实施例中，频谱分析仪62采集到的光电探测器61输出的电信号后，还可经FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)控制电路与AD采样电路进行远程显示，实现远程实时监控。

在另一实施例中，光信号接收模块6还包括示波器，该示波器与光电探测器61连接，光电探测器61转换输出的电信号传输至示波器上进行显示，进而进行信号检测。

同样，示波器采集到的光电探测器61输出的电信号后，还可经FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)控制电路与AD采样电路进行远程显示，实现远程实时监控。

在一些实施例中，如图5所示，激励信号发生模块5可包括信号发生器51、压电陶瓷片52以及陶瓷插入件53，其中，信号发生器51与压电陶瓷片52连接；压电陶瓷片52用于产生激振并带动微悬臂梁42振动；光纤3插入到陶瓷插入件53，陶瓷插入件53固设在压电陶瓷片52上。

具体地，陶瓷插入件53可为陶瓷插芯，陶瓷插芯设置在压电陶瓷片52上，并将单模光纤313插至陶瓷插芯上，以使压电陶瓷片52产生激振时，可带动微悬臂梁结构4振动，即，将信号发生器51作为激励源，使压电陶瓷片52产生激振，压电陶瓷片52带动陶瓷插芯振动，进而带动探针41振动。在本实施例中，还可将自激励、电动力激励、涡流激励以及光激励等激励方式带动探针41振动，具体应用时，本领域技术人员可根据实际情况，自行确定。

这里，需要说明的是，单模光纤313在插入至陶瓷插芯后，微悬臂梁结构4上的探针41需沿单模光纤313的轴向延伸出陶瓷插芯，以使微悬臂梁结构4在振动过程中，探针41能够与被测样品7接触。

亚表面缺陷检测系统在进行检测时，如图5所示，将被测样品7放置在三维移动平台上，通过电脑控制三维移动平台，调整被测样品7与探针41之间的距离，在被测样品7与探针41之间的距离调整后，通过可调谐激光器发射光信号，同时，通过信号发生器51发射激励信号，使压电陶瓷片52产生振动，进而压电陶瓷片52带动微悬臂梁结构4振动，其中，微悬臂梁结构4在振动过程中，探针41能够与被测样品7接触，被测样品7与探针41间的作用力影响经微悬臂梁结构4反射至光信号接收模块6的光信号，进而根据光信号接收模块6接收到的光谱信号确定被测样品7的表面形貌。

具体应用时，将设置有悬臂梁结构的光纤插入陶瓷插芯中，其中，悬臂梁结构的探针沿光纤的轴向延伸出陶瓷插芯，使探针与被测样品的表面接触，此时，悬臂梁结构的谐振的边界条件即可确定，进而可建立一个悬臂梁结构的探针－被测样品接触的谐振模型。如图2所示，基座的底端为固定端，探针为与被测样品的接触端，通过将悬臂梁结构的探针与被测样品的接触使用一个力学单元进行模拟，该力学单元含有一个弹簧常数，该弹簧常数表示与被测样品接触的亚表面缺陷检测系统的弹性成分，该亚表面缺陷检测系统的第n阶共振频率f_n，弹簧常数k^*是微悬臂梁结构的探针－被测样品的接触刚度，该弹簧常数k^*可通过如下所示公式的计算过程确定：

其中，k_c是悬臂梁的弹簧常数，c_c与探测梁相关的固有常数。

由此可见，当反馈参数为共振频率时，通过测试共振频率的变化可得到悬臂梁结构的探针与被测样品接触作用下弹簧常数发生的变化，即可得到悬臂梁结构的探针与被测样品之间的力。

为了研究微悬臂梁结构的探针的动态力学性能，使用多物理场耦合软件(COMSOLMultiphysics)建立了光纤的端面微悬臂梁结构的探针的动态力学仿真模型。在仿真模型中，聚合物结构材料的密度设置为1499kg/m3，杨氏模量设置为2.34GPa，泊松比设置为0.33，光纤的材料参数采用标准的二氧化硅材质参数，即密度为2700kg/m3，杨氏模量为73GPa，泊松比为0.17。微悬臂梁结构的悬臂梁的宽度为20μm，微悬臂梁结构的悬臂梁的厚度为4μm，微悬臂梁结构的悬臂梁的总长度为100μm(有效长度为60μm，即不包含基座支撑部分)。采用有限元法建立了微结构尺寸与微悬臂梁结构的悬臂梁谐振频率之间的定量关系，以优化微悬臂梁结构的尺寸。在此背景下，对微悬臂梁结构的探针的模态进行了仿真研究，并计算其高阶谐振频率，如图8所示，图8为在一阶模态的振型下，基频为217.5kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现，可以看出在基频频率217.5kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁表现出向上弯曲的特征；如图9所示，图9为在高阶模态的振型下，高阶谐振频率为872kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现；如图10所示，图10为在高阶模态的振型下，高阶谐振频率为1150kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现；如图11所示，图11为在高阶模态的振型下，高阶谐振频率为1280kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现；如图12所示，图12为在高阶模态的振型下，高阶谐振频率为2150kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现；如图13所示，图13为在高阶模态的振型下，高阶谐振频率为2460kHz时微悬臂梁结构的悬臂梁的表现。

其中，在进行动力学传感测试时，可调谐激光器发出的光信号经第一端口、第二端口以及光纤输出至微悬臂梁结构(即，光纤的端面与微悬臂梁结构的上表面及下表面形成的法布里－珀罗干涉仪)中，微悬臂梁结构对光信号进行反射，反射后的光信号经第三端口输出至光电探测器进行光信号接收并进行检测，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号输出至频谱仪上显示微悬臂梁结构的振动信息。具体地，先测量被测样品在常温常压下的光谱响应，检测光的波长是根据如图14所示的光谱图中3dB的波长来选择的，图14为微悬臂梁结构的光谱图，被测样品进行光谱响应检测时，选择的探测光的波长为图中虚线所示，探测光波长取被测样品干涉光谱的3dB波长(即，光谱最大能量下降一半时所对应的波长)，即1426.66nm，功率设置为10mW，动态力学传感测试时使用频谱仪或者矢量网络分析仪对频谱进行测试。在使用频谱仪测试时，测得的频谱纵坐标单位为dBm，表示进入频谱仪的光强；而当使用矢量网络分析仪对被测样品进行测试时，不仅可以测得不同频率下的光强，还可以测量出相位信息。如上所述，该微悬臂梁结构的探针在施加较宽的频率信号(0－3MHz)时，在相对应处都得到了理想中的信号响应频谱，如图15所示，图15为微悬臂梁结构在第一频率范围内频率与强度的关系图，在图15中可以清晰看到在300kHz左右有一个明显的谐振峰。基于此，进一步可采用较窄的扫频激励信号(280－290kHz)扫描，得到的结果如下图16，图16为微悬臂梁结构在第二频率范围内频率与强度的关系图，在进行扫频信号激励时，可观察到测得的频谱中有一个明显的波峰，谐振频率为285.3kHz，该波峰即为上述提到的微悬臂梁结构的探针的谐振峰。进一步，基于该谐振峰，将利用制备好的微悬臂梁结构对被测样品后续的测量进行进一步的研究，经过频谱仪中最大值保持处理后得到的结果如图17所示，图17为微悬臂梁结构在第三频率范围内频率与强度的关系图，从图17中可以看出，谐振频率为285.3kHz时品质因子为8.22103。其中，在进行试验过程中，第一频率范围、第二频率范围以及第三频率范围为不同的频率范围段。

另外，由于在探针的振动过程中，外部激励和探针－被测样品相互作用力的改变将导致振动状态的变化，所以，当探针悬臂振幅较小时，探针与被测样品之间的振动很难被忽略，因此就会造成测试的误差，以及扫描图像的失真。

基于上述问题，本实施例中进一步研究了外部激励信号电压对悬臂梁结构的探针的振动强度变化的影响，以提高微悬臂梁结构的检测精度以及进一步应用至其他检测中。

如图18所示，图18为微悬臂梁结构在不同电压下频率与强度关系图，从图18中可以看出，外部激励信号电压从5V增大到20V时，微悬臂梁结构的探针振动强度逐渐增大，且频谱的谐振峰半高全宽逐渐变小，因此，为了提高微悬臂梁结构的检测精度，在本实施例中，外部激励信号电压设置为20V，即，通过20V的激励信号激发微悬臂梁结构的探针进行振动。其中，在探针逐渐接近被测样品的过程中，探针与被测样品相距较远，探针在外部激励信号的作用下处于自由振荡状态时的系统动力学特性，当探针继续接近被测样品时，由于探针和被测样品之间的距离越来越近，探针和被测样品间的原子力将会起到重要的作用，直接影响系统的振幅、相位、共振频率等重要的物理量。具体地，先采用动态力学模式，使探针以10nm的步进距离逐渐靠近玻片(即，使探针以10nm的步进距离逐渐靠近被测样品)，测出微悬臂梁结构的探针在远离、靠近以及接触被测样品后不同状态下的频谱图，如图19所示，图19为微悬臂梁结构在不同距离下频率与强度关系图，探针逐渐靠近被测样品时，原子间作用力的变化使微悬臂结构的悬臂梁的振荡逐渐减弱，振幅越来越小，当探针逐渐靠近被测样品时，频谱向低频方向移动，谐振波长发生蓝移；当探针与被测样品接触后，频谱向高频方向移动，谐振波长发生红移，上述情况是由于该亚表面缺陷检测系统工作在自由振荡区(弹簧常数k^*＝0)，吸引力区域(弹簧常数k^*＜0)，排斥力区域(弹簧常数k^*＞0)，由于探针和被测样品之间的距离越来越近，探针和被测样品间的原子力将会起到重要的作用，谐振峰发生蓝移。进一步可通过微悬臂梁结构的悬臂梁的弹簧常数可求得探针－被测样品之间力与距离的关系，其中，根据微悬臂梁结构的悬臂梁的弹簧常数可求得探针－被测样品之间力与距离的关系，经过拟合后曲线，与AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)测得作用力与探针－被测样品间距离的关系一致；另外，通过该亚表面缺陷检测系统对镀有银膜的试件进行扫描，如图20所示，图20为探针－被测样品作用力与探针－被测样品距离的关系图(即，得到的扫描区域的局部接触力－距离分布图)，所在缺陷区域的距离明显低于其他正常区域，如图21所示，图21为银膜表面缺陷检测结果图，从图21中所给出的结果很好的反映了试件扫描区域范围内的结构情况，结构缺陷或者缺失会明显导致局部接触力的降低，因此本实验证明了该亚表面缺陷检测系统无损检测的可行性。

进一步地，频率调制模块还可以应用到超高真空环境和液体环境中，进而获的金属、半导体、绝缘体的原子级别分辨率图像。

这里，需要说明的是，该亚表面缺陷检测系统在检测过程中，不仅可获得原子级别的被测样品的表面形貌，还可对被测样品进行三维检测成像，提供被测样品的表面形貌的更多信息，例如，频率、相位以及振幅等信息；同时，还可根据被测样品7的具体特性，采用该亚表面缺陷检测系统对被测样品7的相同区域进行扫描，从而获得多角度的不用的被测样品7的表面形貌信息。另外，该亚表面缺陷检测系统在与被测样品7接触时，采用恒力模式或恒高模式进行扫描，产生稳定的分辨率高的图像，同时，由于微悬臂梁结构4的探针41与被测样品7直接接触，因此，微悬臂梁结构4的硬度不能太大，弹性系数要较小，以确保在很小作用力的情况下，可产生能够检测到微悬臂梁结构4中的悬臂梁42的弯曲形变量。

进一步，还需要说明的是，由于在扫描过程中，探针41与被测样品7直接接触，很可能缺陷被测样品7或者探针41，因此不适合扫描生物分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的被测样品7。

在本实施例中，该亚表面缺陷检测系统所应用的轻巧模式与静态接触模式相比，轻敲模式扫描成像时探针41的针尖对被测样品7进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，克服了静态接触模式下因探针的针尖被拖过被测样品而受到摩擦力、粘附力、静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤被测样品的缺点，适合于材料表面和亚表面缺陷研究的检测，因此，该亚表面缺陷检测系统还具有分辨率高、性能稳定和抗电磁干扰能力强等优势，利用原子间的作用力，不缺陷样品表面，可从多个角度监测不同样品表面信息，在材料表征领域具有巨大的应用潜力。

在一些实施例中，如图7所示，本发明还提供了一种应用上述亚表面缺陷检测系统的方法，其包括步骤：

S100、获取微悬臂梁结构的上表面、所述微悬臂梁的下表面以及所述光纤的端面形成的三束干涉光谱的光谱信息。

在本实施例中，如图3、图4所示，光纤的端面与微悬臂梁结构的上表面及下表面形成了法布里－珀罗干涉仪(FPI，Fabry–Pérotinterferometer)。具体地，光纤的端面反射的光信号与微悬臂梁结构的下表面与上表面反射的光信号进行干涉，形成了三束干涉光谱，其中，该微悬臂梁结构的下表面与光纤的端面形成空气微腔，微悬臂梁结构的上表面与微悬臂梁结构的下表面形成聚合物微腔，微悬臂梁结构的上表面与光纤的端面形成混合微腔。

在本实施例中，混合微腔与空气微腔以及聚合物微腔相比，混合微腔的光强相对较弱，并可通过混合微腔固定聚合物微腔的光强度，因此，当向微悬臂梁的探针施加力时，反射光谱的变化是由空气介质中空气微腔的变化引起。空气微腔的自由光谱范围可以通过如下所示的计算公式确定：

其中，FSR指的是自由光谱范围(Free Spectral Range)；L指的是FP腔的腔长；n指的是FP腔内腔介质的折射率；λ指的是谐振波长。

另外，当微力施加到探针时，悬臂梁将变形，进而导致FPI空腔长度发生变化，导致单模光纤(SMF，Single Mode Fiber)的反射光谱中的谐振波长漂移，因此，可通过监测单模光纤的反射光谱中谐振波长的波长变化量来确定FP腔的长度变化量，从而进一步确定探针所受到的作用力，其中，谐振波长的波长变化量和FP腔的长度变化量之间的对应关系可简化如下所示计算公式：

其中，Δλ指的是波长变化量；ΔL指的是FP腔的长度变化量；λ指的是谐振波长；L指的是FP腔的腔长。

S200、基于光谱信息获取反馈参数。

具体地，反馈参数包括三束干涉光谱的共振频率、共振振幅或共振相位，在对被测样品的表面形貌进行探测时，可根据频谱仪或示波器获取到的光电探测器探测到的电信号，确定三束干涉光谱的共振频率、振幅或相位。在本实施例中，可将共振频率、振幅或相位中的任一参数作为反馈参数，例如，将共振频率作为反馈参数，再例如，将共振相位作为反馈参数。

S300、基于反馈参数获取被测样品的表面形貌。

在本实施例中，反馈参数可为共振频率、振幅或相位中的任一参数。

例如，在一具体实施例中，将三束干涉光谱的共振频率作为反馈参数对被测样品的表面形成进行探测。在进行探测时，将工作模式调至频率调制模式，此时，通过在探测过程中，获取探针的针尖远离被测样品的表面时悬臂梁的共振频率与探针的针尖靠近被测样品的表面时悬臂梁的共振频率的差值。其中，共振频率在计算时，依赖探针的针尖与被测样品的表面之间的相互作用力，而频率偏移的空间依赖性即是通过微悬臂梁结构的探针扫描被测样品的表面形貌的图像差异的来源，因此，可通过恒定频率偏移的探针的高度即可获取被测样品的表面形貌。

综上所述，本发明提供了一种亚表面缺陷检测系统及方法，具有以下

有益效果：

激励信号发生模块发生激振带动微悬臂梁结构振动，微悬臂梁结构在振动过程中，能够与被测样品接触，被测样品与微悬臂梁结构间的作用力影响经微悬臂梁结构反射至光信号接收模块的光信号，进而根据光信号接收模块接收到的光谱信号确定被测样品的表面形貌，其中，该亚表面缺陷检测系统结构简单，且无需大量的光学元件，进而成本降低，另外，由于该亚表面缺陷检测系统中结构简单且无需大量的光学元件，因此，在检测过程中，操作简单。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种亚表面缺陷检测系统，其特征在于，包括：

光信号发射模块，用于发射光信号；

环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口，所述第一端口与所述光信号发射模块连接；以及

光纤，所述光纤的入射端与所述第二端口连接；

微悬臂梁结构，所述微悬臂梁结构设于所述光纤的出射端，所述微悬臂梁结构用于反射光纤出射的光信号，所述微悬臂梁结构的下表面与所述光纤的出射端的端面形成空气微腔，所述微悬臂梁结构的上表面与所述微悬臂梁结构的下表面形成聚合物微腔，所述微悬臂梁结构的上表面与所述光纤的端面形成混合微腔；

激励信号发生模块，用于发生激振并带动所述微悬臂梁结构振动；

光信号接收模块，所述光信号接收模块与所述第三端口连接；

其中，光信号经所述第一端口、所述第二端口、所述光纤输出至所述微悬臂梁结构，所述微悬臂梁结构反射的光信号经所述第三端口输出至所述光信号接收模块，当所述微悬臂梁结构在振动时，所述微悬臂梁结构能够与被测样品接触，进而对所述被测样品的表面形貌进行检测。

2.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光纤包括：单模光纤，所述单模光纤的入射端与所述第二端口连接，所述微悬臂梁结构设于所述单模光纤的出射端。

3.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述微悬臂梁结构包括：基座、用于反射所述光纤出射的光信号的悬臂梁以及探针；

所述基座设于所述光纤的出射端；

所述悬臂梁的一端设于所述基座远离所述光纤的出射端的一端，所述悬臂梁的另一端沿垂直于所述基座的方向延伸；

所述探针的一端设于所述悬臂梁延伸的一端，所述探针的另一端沿垂直于所述悬臂梁且远离所述光纤的方向延伸；

其中，当所述微悬臂梁在振动时，所述探针能够与被测样品接触。

4.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，光信号发射模块包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器与所述第一端口连接。

5.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括：光电探测器；

所述光电探测器与所述第三端口连接，所述微悬臂梁反射的光信号经所述第三端口输出至所述光电探测器。

6.根据权利要求5所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光信号接收模块还包括：频谱分析仪；

所述频谱分析仪与所述光电探测器连接。

7.根据权利要求5所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光信号接收模块还包括：示波器；

所述示波器与所述光电探测器连接。

8.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测系统，其特征在于，所述激励信号发生模块包括：信号发生器、压电陶瓷片以及陶瓷插入件；

所述信号发生器与所述压电陶瓷片连接；

所述压电陶瓷片用于产生激振并带动所述微悬臂梁振动；

所述光纤插入到陶瓷插入件，所述陶瓷插入件固设在所述压电陶瓷片上。

9.一种应用如权利要求1－8任一项所述的亚表面缺陷检测系统的方法，其特征在于，包括：

获取所述微悬臂梁结构的上表面、所述微悬臂梁的下表面以及所述光纤的端面形成的三束干涉光谱的光谱信息；

基于所述光谱信息获取反馈参数；

基于所述反馈参数获取被测样品的表面形貌。

10.根据权利要求9所述的亚表面缺陷检测方法，其特征在于，在所述基于所述光谱信息获取反馈参数的步骤中，所述反馈参数为三束干涉光谱的共振频率、振幅或相位。