在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法
2023-11-03 19:24:27
專利名稱：在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法
在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法技術領域：
本發明涉及固體材料彈性參數在線檢測的連續表徵方法。二、背景技術
材料的缺陷的在線檢測是當今工業生產中的一個技術難點，材料參數的均勻性對於材料的使用壽命具有決定性的作用。目前常用的材料參數的檢測，特別是材料參數的均勻性檢測，均採用事後檢測的方法，無法為材料的在線質量控制提供實時地系統反饋進而提高生產的可靠性。因此開發新型的可用於固體材料彈性參數的在線檢測系統和方法是非常必要的。三、發明內容
本發明目的是利用非接觸式彈性參數檢測方法，實現固體材料彈性參數的在線表徵。在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，以及提出一種在線檢測材料均勻性的非接觸式檢測系統。
本發明技術方案是，在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，對固體材料的彈性常數採用非接觸式實時表徵方法，按聲波的產生、檢測以及系統控制應包括以下步驟(I)利用脈衝雷射產生脈衝雷射並輻射到空間調製器，當脈衝雷射經過空間調製器後產生兩束相干光；雷射源採用納秒或皮秒脈衝光源，並通過光柵構成的空間調製器將脈衝光進行分光，並取其中的±1級作為相干光源；脈衝雷射的功率在10-100毫焦左右。
(2)利用光學元器件透鏡組將兩束相干光輻射到被測材料表面產生空間相干的幹涉場，並在被測材料表面形成明暗相間的幹涉條紋；明暗相間的幹涉條紋間距通過調節透鏡組或者光柵來獲取，被測材料為薄膜材料；厚度為30-200微米；
(3)當由脈衝光源形成的幹涉條紋被檢測薄膜材料吸收後，將在薄膜材料中產生與幹涉條紋間距相應波長的聲 波；
(4)利用非接觸式聲探測器光探針(如PolyteC的0FV5xx系列雷射測振儀等)實時探測聲場的變化；
(5)利用時頻分析技術實時分析被檢測聲場的變化，實現固體材料彈性參數的在線表徵；當柵間距一定的幹涉場在被測產品上激發聲波時，被激發的聲波取決於材料內部的彈性參數，當被測材料均勻時，在不同部位被激發的聲波特徵也保持基本一致，這樣如實時分析中被檢測到聲波發生變化時，則反應了被測材料的物理參數或均勻性發生了變化；
( 6 )當被測聲場的頻率特性發生改變且超出閾值時(該閾值的大小取決於材料均勻性所允許的誤差範圍)，實時反饋給控制系統，從而為控制系統實時報警。
進一步的，本發明採用監測單一波長聲波的頻率(如O. 1-3K)變化特性檢測被測材料的均勻性。
具體而言，光探針實時探測聲場的變化的步驟如下，系統初始化後，第I步雷射觸發；第2步光探針同步；第3步信號採集；第4步FFT 』第5步判斷頻率是否改變，是則轉第6步，否則轉第I步；第6步判斷是否超閾值、是則轉第7步，否則轉第I步；第7 步報警；弟8步結束。
採用單一柵間距的幹涉場在材料中激發相應波長的聲波(該波長取決於所需探測 檢測材料的厚度或直徑，波長範圍在亞微米到幾毫米之間)並檢測被激發聲波的頻率變化 特性。
一種在線檢測材料均勻性的非接觸式檢測系統；該系統包括以下部分脈衝雷射 器；光柵構成的空間調製器；光探針或雷射測振器(如Polytec的0FV534雷射測振儀等)構 成的超聲探測器；系統控制與分析軟體。實現材料彈性參數的實時表徵和材料彈性參數的 均勻性在線檢測；所述的非接觸檢測系統採用空間調製器調節脈衝雷射，並在材料表面產 生瞬態的明暗相間的幹涉場，從而激發相應波長的聲波。
使用非接觸式的聲波檢測系統，實時探測所激發的聲波特性。
本發明的有益效果是本發明與現有技術相比，具有以下突出優點(1)使用非接 觸式的雷射檢測方法大大提高了系統檢測的實時性；(2)採用光學幹涉和光學檢測聲場的 特性，提高了系統的解析度和靈敏度；(3)採用時頻分析的方法，提高了系統的精確度和抗 幹擾性，因而可適用於多種工況條件，具有很強的適應性。四
圖1實時表徵材料彈性參數的系統結構圖。
圖2PET樣品上被檢測信號及其相應的時頻特性。
圖3系統控制軟體原理框圖。
圖4鎳鉻樣品上被檢測信號(a)及其相應的時頻特性(b)鎳鉻樣品上被檢測信號 及其相應的時頻特性。五具體實施方式
針對固體材料彈性參數的實時檢測方法的實施方案由於被測試材料為實際工況 中的在生產固體材料，本方法的實施可採用如圖1所示的非接觸式檢測系統。圖1中實時 表徵材料彈性參數的系統結構圖，脈衝雷射1、光闌2、透鏡3、反射鏡4、在線被測產品5、光 柵6、脈衝雷射7、雷射測振儀8。
I)檢測系統的聲激發源是被空間調製的脈衝雷射源，該雷射源採用納秒或皮秒脈 衝光源，並通過光柵將脈衝光進行分光，並取其中的±1級作為相干光源；
2)利用透鏡組將相干光如圖1所示聚到被測材料表面(PET薄膜，厚度為130微 米)，形成明暗相間的幹涉條紋，其間距可通過調節透鏡組或者光柵來獲取，本實例中選取 柵間距為115微米的光柵對脈衝雷射進行分光，並通過放大倍率為3的透鏡組在樣品表面 形成間距為345微米的幹涉條紋；
3)使用雷射探針探測，本實例中使用Polytec的0FV503雷射測振儀檢測被激發的 聲信號，並實時分析該信號在時頻域中的變化特性；
4)利用控制軟體分析被激發聲信號的頻率特性，根據頻率變化將實時分析材料參 數的變化特性，並反饋給控制軟體從而對產品生產進行實時控制；其控制原理框圖如圖3 所示。
實施例2
I)與實例I相同，本實驗中採用波長為532納米的納秒雷射作為激發源，通過二元 光柵將該脈衝光進行分光，取其中的±1級作為相干光源，其示意圖如圖1所示；
2)利用透鏡組將相干光聚到被測材料(鎳鉻樣品Cr20Ni80，厚度為O.1毫米)表 面，如圖1所示；形成明暗相間的幹涉條紋，其間距可通過調節透鏡組或者光柵來獲取，本 實例中選取柵間距為115微米的光柵對脈衝雷射進行分光，並通過放大倍率為3的透鏡組 在樣品表面形成間距為345微米的幹涉條紋；
3)使用雷射探針探測，本實例中使用Polytec的0FV503雷射測振儀檢測被激發的 聲信號，並實時分析該信號在時頻域中的變化特性，相應的被檢測信號及其時頻特性如圖4 所示；
4)利用控制軟體分析被激發聲信號的頻率特性，根據頻率變化將實時分析材料參 數的變化特性，並反饋給控制軟體從而對產品生產進行實時控制；其控制原理框圖如圖3 所示。
在線檢測材料均勻性的非接觸式檢測系統；包括脈衝雷射器；光柵構成的空間調 制器；光偏轉探測器(帶寬IGHz)或基於幹涉或都卜勒效應的雷射測振器構成的超聲探測 器；系統控制與分析軟體模塊實現材料彈性參數的實時表徵和材料彈性參數的均勻性在線 檢測；所述的非接觸檢測系統採用空間調製器調節脈衝雷射，激發相應波長的聲波。
系統控制流程框圖中，系統初始化後開始，弟I步雷射觸發；弟2步光探針冋 步；第3步信號採集；第3步FFT ;第4步判斷頻率是否改變，是則轉第5步，否則轉第I 步；第5步判斷是否超閾值、是則轉第6步，否則轉第I步；:第6步報警；第7步結束。
權利要求
1.在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，其特徵是對固體材料的彈性常數採用非接觸式實時表徵方法，按聲波的產生、檢測以及系統控制應包括以下步驟(1)利用脈衝雷射輻射到空間調製器，當脈衝雷射經過空間調製器後產生兩束相干光； 雷射源採用納秒或皮秒脈衝光源，並通過光柵構成的空間調製器將脈衝光進行分光，並取其中的±I級作為相干光源；(2)利用光學元器件透鏡組將兩束相干光輻射到被測材料表面產生空間相干的幹涉場，並在被測材料表面形成明暗相間的幹涉條紋；明暗相間的幹涉條紋間距通過調節透鏡組或者光柵來獲取，被測材料為薄膜材料；厚度為30-200微米；(3)當由脈衝光源形成的幹涉條紋被檢測薄膜材料吸收後，將在薄膜材料中產生與幹涉條紋間距相應波長的聲波；(4)利用非接觸式聲探測器、光探針實時探測聲場的變化；(5)利用時頻分析技術實時分析被檢測聲場的變化，實現固體材料彈性參數的在線表徵；當柵間距一定的幹涉場在被測產品上激發聲波時，被激發的聲波取決於材料內部的彈性參數，當被測材料均勻時，在不同部位被激發的聲波特徵也保持基本一致，這樣如實時分析中被檢測到聲波發生變化時，則反應了材料參數的變化特性，即材料性質的變化特性；(6)當被測聲場的頻率特性發生改變且超出閾值時，實時反饋給控制系統，從而為控制系統實時報警。
2.根據權利要求1所述的在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，其特徵是採用單一柵間距的幹涉場在材料中激發相應波長的聲波並檢測被激發聲波的頻率變化特性。
3.根據權利要求1所述的在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，其特徵是光探針實時探測聲場變化的步驟如下，系統初始化後，第I步雷射觸發；第2步光探針同步；第3步信號採集；第4步FFT ;第5步判斷頻率是否改變，是則轉第6步，否則轉第 I步；第6步判斷是否超閾值、是則轉第7步，否則轉第I步；第7步報警；第8步結束。
4.一種在線檢測材料均勻性的非接觸式檢測系統；包括以下部分脈衝雷射器；光柵構成的空間調製器；光偏轉探測器或基於幹涉或都卜勒效應的雷射測振器構成的超聲探測器；系統控制與分析軟體模塊實現材料彈性參數的實時表徵和材料彈性參數的均勻性在線檢測；所述的非接觸檢測系統採用空間調製器調節脈衝雷射。
全文摘要
在線檢測材料彈性參數均勻性的非接觸式檢測方法，對固體材料的彈性常數採用非接觸式實時表徵方法(1)利用脈衝雷射輻射到空間調製器，當脈衝雷射經過空間調製器後產生兩束相干光；雷射源採用納秒或皮秒脈衝光源，並通過光柵構成的空間調製器將脈衝光進行分光，並取其中的±1級作為相干光源；(2)利用光學元器件透鏡組將兩束相干光輻射到被測材料表面產生空間相干的幹涉場，並在被測材料表面形成明暗相間的幹涉條紋；明暗相間的幹涉條紋間距通過調節透鏡組或者光柵來獲取；(3)當由脈衝光源形成的幹涉條紋被檢測薄膜材料吸收後，在薄膜材料中產生與幹涉條紋間距相應波長的聲波；表徵和分析固體樣品彈性常數特性的非接觸式檢測。
文檔編號G01N21/17GK103018170SQ20121049527
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者徐曉東, 胡柏星 申請人:南京百絲勝新材料科技有限公司