CN110220975B - 激光超声模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光超声模量测量装置，用于测量材料的模量，所述激光超声模量测量装置包括测试微区放大及成像装置。所述激光超声模量测量装置包括：激光超声激发器，所述激光超声激发器被配置为向材料发射脉冲激光；和激光超声接收器，所述激光超声接收器被配置为发出探测激光。进一步地，所述激光超声模量测量装置包括第一光路和从第一光路分支出的第二光路，并且所述测试微区放大及成像装置包括物镜和摄像头。根据本发明的激光超声模量测量装置，能够进行材料的模量检测，并且对材料的形状和尺寸要求较低。

Description

激光超声模量测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种激光超声模量测量装置，即一种基于激光超声原理实现模量测量的装置，特别是微区模量测量的装置。

背景技术

近年来，对激光超声检测技术的关注度不断升温，激光超声检测技术可被用于航空、航天、核电等领域材料的无损检测。在国内，同济大学、北京工业大学、中航301所失效分析检测中心、国防科学技术大学等无损检测相关研究中心建立有激光超声检测系统，用于材料无损探伤研究。

然而，现有的检测一方面局限于无损探伤，一方面对样品的形状和尺寸要求严格，例如对于小尺寸样品(样品尺寸远小于压电探头)、不规则形状(如曲面)样品等的检测具有一定难度。因此，激光超声检测技术的应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种能够进行材料的模量检测的激光超声模量测量装置。

本发明的目的还在于提供一种激光超声模量测量装置，对材料的形状和尺寸要求较低。

本发明的目的还在于提供一种可以实现微区的模量检测的激光超声模量测量装置。

本发明的目的还在于提供一种对材料表面不会形成可见的损伤痕迹的激光超声模量测量装置。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种激光超声模量测量装置，用于测量材料的模量，所述激光超声模量测量装置包括测试微区放大及成像装置。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声模量测量装置包括：

激光超声激发器，所述激光超声激发器被配置为向材料发射脉冲激光；和

激光超声接收器，所述激光超声接收器被配置为发出探测激光。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声模量测量装置包括第一光路和从第一光路分支出的第二光路，并且所述测试微区放大及成像装置包括物镜和摄像头；

其中，所述物镜和摄像头同轴设置在第一光路上，并且第一光路还包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、半透半反镜和第三聚焦透镜，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、半透半反镜和第三聚焦透镜依次设置在物镜和摄像头之间；并且

在所述第二光路上设置有所述激光超声接收器和反光镜，并且第二光路在所述半透半反镜处与第一光路汇合。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声激发器的平均输出功率为0.8-1.2W。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声接收器为双波混合型干涉仪或共焦Fabry-Perot型干涉仪。

根据本发明的一个优选实施例，所述摄像头为CCD摄像头。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声接收器发出的探测激光通过物镜后的光斑直径介于10-750μm之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声接收器固定设置，并且所述激光超声激发器活动设置，以形成固定的探测光路和活动的激发光路。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声激发器固定设置，并且所述激光超声接收器活动设置，以形成固定的激发光路和活动的探测光路。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声模量测量装置还包括数据采集和处理系统，用于对接收信号进行采集和处理。

本发明的激光超声模量测量装置，利用物质种类、成分与波速的对应性，通过测量波速得到物质的模量，而波速通过激发点与探测点之间的距离以及传播的时间获得，因此本发明提供了一种能够进行材料的模量检测的激光超声模量测量装置。本发明通过激光激发-激光接收形式的激光超声检测技术并引入微区放大及成像部分，可实现材料表面微米区域高定位精度模量测量，由此可对复杂形状和尺寸较小的材料进行检测。同时，由于采用的激发激光能量较低，可有效避免测量过程引入的材料表面损伤，对于形状不规则或成分复杂的材料分析具有一定的灵活性。

附图说明

图1为回振法的原理示意图；以及

图2为根据本发明的实施例的激光超声模量测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

激光超声测量在材料领域的应用包括材料无损探伤或模量测量研究，可以利用回振法测量超声波在试样中的传播时间，具体原理如图1所示。高频脉冲发生器通过发射换能器产生超声脉冲，在试样中传播一段距离后，被接收换能器接收，经放大、整形和鉴别后重新去触发高频脉冲发生器，产生下一个超声脉冲，于是整个系统变成一个振荡器，其振荡周期等于被测回波中循环的到达时间。通过测量多次循环的传播时间，便可得到每次循环的周期，用频率计测量这一脉冲系列的重复频率f或周期T，就可计算出超声波波速V。用于接收的接收换能器可以为PZT压电陶瓷探头，根据需求，可以有多种类型的测量探头，它们均需直接接触待测样品表面。

这种激光超声测量技术具有如下特点：(1)操作简便；(2)设备成本较低，占地小，可作为工程应用中的便携无损检测设备，实现现场实时检测；(3)对待测样品几何形状要求不高，可实现超大尺寸样品测量；(4)测量过程对样品零损伤，做到真正的无损检测。然而，在研究中设计人发现这类采用PZT压电陶瓷探头探测超声脉冲的方法对于小尺寸样品(样品尺寸远小于压电探头)、不规则形状(如曲面)样品等的检测具有一定难度。同时该方法属于接触式测量，只能实现常温环境下的测量，不适合于恶劣环境(如高温、高压、高射、有毒、辐射等)下的在线实时测量。

另一种激光超声测量技术是采用激光激发-激光探测的方式，这种激光超声技术的激发过程是指：用一束脉冲激光照射试样表面，如果激光通过一球面透镜聚焦，可形成一点声源，如果通过一柱面透镜聚焦，则可形成一线声源。若照射试样表面的激光光功率密度低于试样表面的损伤阈，则形成的是对试样表面无损的热弹源；若激光的光功率密度大于试样表面的损伤阈，则使试样表面材料汽化产生一烧蚀激发源，无论哪种激发源都将使材料表面形成超声波(包含表面波、纵波、横波)。所产生的超声波的接收采用光学法，使用共焦Fabry-Perot(F-P)干涉仪或双波混合干涉仪，探测光束照射试样表面，接收带有材料信息的超声波，得到传播声速，根据声速计算得到材料杨氏模量。共焦F-P干涉仪具有带宽、灵敏及较大的入射孔径等特点，但通常只能测量法向位移，需在表面使用薄膜光栅加以修饰，才可同时测量表面的法向和切向位移。双波混合干涉仪是将由试样表面反射信号与参考光束在非线性光学晶体(像BaTiO₃等)中相干涉而形成动态光栅，再让参考光束通过这光栅而形成一波前“畸变”的参考光束，它与“畸变”信号光束再相干涉，达到测量试样表面的目的。

这种激光超声测量技术具有如下特点：(1)可实现真正的非接触检测，消除了压电换能器技术中的耦合剂影响；(2)没有压电探头表面接触的限制，可用于各种复杂形貌试样的检测；(3)该种技术属于一种宽带的检测技术，能用光波波长为测量标准而精确测量超声位移，减小测量误差。

基于此，设计人提出了一种激光超声模量测量装置，即一种基于激光超声原理实现模量测量的装置，特别是微区模量测量的装置。如前所述，虽然目前国内开展相关研究的高校科研院所搭建有激光超声模量测量装置，但是相关测量装置、方法等具有一定的相似性，没有进一步的技术突破，就目前的研究进展而言可以总结为以下几点：第一，国内激光超声测量技术用于材料无损检测、测厚等领域的研究，没有对于材料模量测量的研究；第二，对管材、曲面等复杂形状样品需进行复杂的数据处理过程。

本发明的激光超声模量测量装置可用于材料模量测量，并且对样品的形状和尺寸要求较低，可以对于小尺寸样品(样品尺寸远小于压电探头)、不规则形状(如曲面)的样品进行材料模量测量。

进一步地，设计人在研究过程中，针对激光超声模量测量过程中激光斑点较大，普遍在毫米量级，提出了实现微区的模量检测的方法和装置；并且，搭建的激光超声检测装置激发激光能量较小，对样品表面不会形成可见的损伤痕迹；而且，对纤维增强、各向异性材料的模量测量准确性有所提高。

下面，对本发明的描述中所使用的相关技术术语进行说明。激光超声是指用脉冲激光在物体中产生的超声波，或利用脉冲激光来产生超声波这一物理过程。激光超声模量测量是指：采用激光超声方式对材料进行模量检测，即通过入射激光使固体材料表面或内部产生超声波，并在材料表面或内部进行传播，对夹带材料信息的超声波进行采集、分析、处理得到材料模量。微区模量测量是指能够观察或检测微米量级的尺寸，例如激光光斑可以在十几微米的量级。

随着核电材料的发展，对材料微米尺度力学性能测量需求不断增加，例如，在事故容错燃料研发过程中，需要对锆合金涂层进行微区力学性能评价；在高温高压水服役环境下，材料表面腐蚀会造成表面氧化层与基体之间力学性能差异；在SiC/SiC_f复合材料包壳管研发过程中，纤维-基体界面、纤维、基体内部的力学性能研究需要精确定位的微纳米力学性能测量装置等。因此，设计人研发了这种基于激光超声原理实现微区模量测量的装置。而且，利用该装置测量模量过程不损伤样品，在很大程度上节约了制备工艺复杂或表征成本高(如辐照等)的宝贵核电材料样品。

基于激光超声原理实现微区模量测量的装置主要由激光超声激发系统、激光超声接收系统、测试微区放大及成像装置、数据采集和处理系统四部分组成，整体结构如图2所示。其中，激光超声激发系统包括激光超声激发器1，激光超声接收系统包括激光超声接收器9。

如图2所示，本发明的激光超声模量测量装置用于测量材料11的模量，所述激光超声模量测量装置包括测试微区放大及成像装置。具体地，所述激光超声模量测量装置包括：激光超声激发器1，所述激光超声激发器1被配置为向材料11发射脉冲激光；和激光超声接收器9，所述激光超声接收器9被配置为发出探测激光。所述激光超声模量测量装置包括第一光路和从第一光路分支出的第二光路，并且所述测试微区放大及成像装置包括物镜2和摄像头8；其中，所述物镜2和摄像头8同轴设置在第一光路上，并且第一光路还包括第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜4、半透半反镜5和第三聚焦透镜7，第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜4、半透半反镜5和第三聚焦透镜7依次设置在物镜2和摄像头8之间；并且在所述第二光路上设置有所述激光超声接收器9和反光镜6，并且第二光路在所述半透半反镜5处与第一光路汇合。

优选地，所述激光超声激发器1的平均输出功率为0.8-1.2W，由于采用的激发激光能量较低，可有效避免测量过程引入的材料表面损伤。所述激光超声接收器9为双波混合型干涉仪或共焦Fabry-Perot型干涉仪。有利地，所述摄像头8为CCD摄像头。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光超声接收器9发出的探测激光通过物镜后的光斑直径介于10-750μm之间。由此，本发明的激光超声模量测量装置可实现材料表面微米区域高定位精度模量测量。

可选地，所述激光超声接收器9固定设置，并且所述激光超声激发器1活动设置，以形成固定的探测光路和活动的激发光路；和/或所述激光超声激发器1固定设置，并且所述激光超声接收器9活动设置，以形成固定的激发光路和活动的探测光路。

如图2所示，所述激光超声模量测量装置还包括数据采集和处理系统10，用于对接收信号进行采集和处理。

下面介绍本发明的激光超声模量测量装置的工作过程。首先，激光超声激发系统发出脉冲激光，经聚焦后照射到待测材料11的表面上，激发超声波，这构成激发过程；激光超声接收器9发出探测激光，经反光镜6、半透半反镜5改变光束方向，经过两道透镜(第二聚焦透镜4和第一聚焦透镜3)聚焦后，光束通过长焦距物镜后照射到材料11的表面接收超声波，被激发的超声波携带材料性质信息，由激光超声接收系统接收，这构成接收过程；微区成像过程，该过程通过两部分来实现，一部分，样品测试区前端放置一长焦距物镜2，探测激光通过物镜后光斑尺寸缩小50倍，形成微米尺度的光斑，另一部分，在离开样品的远端放置一摄像头8，例如CCD摄像头，其放置位置与物镜2成一条直线，进而实现样品表面微区成像；激光超声被接收后，由数据采集和处理系统10对接收信号进行采集及处理。

本发明针对先进核能材料研发过程中对微米尺度材料模量的测量需求，引入了微区放大及成像装置并优化了入射激光功率和脉宽，实现了对材料微米区域模量的精确、无损测量。同时，本发明的激光超声模量测量装置对样品没有特殊要求，可实现小尺寸、成分复杂、不规则形状样品的测量，具有广阔的应用前景。

可选地，以下为激光超声模量测量装置的各部分的主要技术参数：

1、激光超声激发器主要技术参数：

①波长1053nm；

②平均输出功率0.8-1.2W；

③脉冲能量1000μJ；

④脉冲宽度650ps；

⑤重复频率高达10kHz；

⑥峰值功率最高达1.2MW；

⑦光线最小移动增量0.01μm。

2、激光超声接收器主要技术参数：

①工作原理为双波混合技术(TWM)；

②噪声等效表面位移(NESD)2.10-7nm(W/Hz)1/2；

③模拟输出：-交流信号(50ohms)输出和表面位移成正比

-直流(DC)信号输出，和目标反射成正比

-校准输出；

④检测带宽上限1GHz；

⑤检测带宽下限1MHz；

⑥连续激光功率150mV～400mV；

⑦聚焦检测光斑直径可达到10～750μm；

⑧聚焦深度2～50mm。

3、测试微区放大及成像装置主要技术参数

①采用Olympus SLMPLN50X显微物镜，工作距离18mm；

②成像分辨率1280×1024像素彩色。

4、数据采集和处理系统

①最大实时采样率250MS/s；

②最高等效时间采样率达5GS/s；

③125MHz带宽；

④两路高速同步采样通道，每通道标准内存64MB。

本发明的基于激光超声原理的模量测量装置进行模量测量的机理在于，利用物质种类、成分与波速的对应性，通过测量波速得到物质的模量，而波速通过激发点与探测点之间的距离以及传播的时间获得。本发明通过激光激发-激光接收形式的激光超声检测技术并引入微区放大及成像部分，可实现材料表面微米区域高定位精度模量测量。同时，由于采用的激发激光能量较低，可有效避免测量过程引入的材料表面损伤，对于形状不规则或成分复杂的样品分析具有一定的灵活性。通过搭建该装置，实现了核电材料离子前后辐照后微米尺度的模量分析，测量结果与同类测试设备接近；对包壳材料等形状复杂或成分复杂的样品适用性较高，而且，由于装置检测无损伤的优势，可以节约宝贵的测试样品，提高研发工作效率。

需要说明的是，这里激光超声接收器可以为双波混合型干涉仪，然而，本发明不局限于该类型干涉仪作为接收器，也可以采用共焦Fabry-Perot型干涉仪，可达到相同测试效果。本发明的基于激光超声原理实现微区模量测量的装置的光路设计为探测光束固定，激光超声激发器采用光纤激光头，根据实际检测情况灵活摆放，然而本发明不局限于这种模式，也可选择光纤型探测激光头，固定激发激光，探测光束为活动激光，可以达到相同测试效果。而激光脉冲激发器、激光超声接收器(接收干涉仪)、物镜不局限于基于激光超声原理实现微区模量测量装置选定的品牌型号，其它合适品牌型号、或自主性研发的符合上述装置参数的装置均可达到相同测试效果。

综合以上，本发明的激光超声模量测量装置具有如下特点：

(1)设计有微区放大及成像部分的光路；

(2)采用探测光路固定，激发光路根据测量需求灵活摆放的方式；

(3)采用亚纳秒级激发脉冲激光，可实现对样品浅表层约20μm深度范围的测量；

(4)采用精密移动平台控制激发-探测光束间移动，进而激发-探测光束间距精确可控，最小可精确到0.01μm。

附图标记列表：

1 激光超声激发器

2 物镜

3 第一聚焦透镜

4 第二聚焦透镜

5 半透半反镜

6 反光镜

7 第三聚焦透镜

8 摄像头

9 激光超声接收器

10 数据采集和处理系统

11 材料

Claims (8)

1.一种激光超声模量测量装置，用于测量材料(11)的模量，其特征在于，所述激光超声模量测量装置包括测试微区放大及成像装置；

所述激光超声模量测量装置包括：

激光超声激发器(1)，所述激光超声激发器(1)被配置为向材料(11)发射脉冲激光；和

激光超声接收器(9)，所述激光超声接收器(9)被配置为发出探测激光；

所述激光超声模量测量装置包括第一光路和从第一光路分支出的第二光路，并且所述测试微区放大及成像装置包括物镜(2)和摄像头(8)；

其中，所述物镜(2)和摄像头(8)同轴设置在第一光路上，并且第一光路还包括第一聚焦透镜(3)、第二聚焦透镜(4)、半透半反镜(5)和第三聚焦透镜(7)，第一聚焦透镜(3)、第二聚焦透镜(4)、半透半反镜(5)和第三聚焦透镜(7)依次设置在物镜(2)和摄像头(8)之间；并且

在所述第二光路上设置有所述激光超声接收器(9)和反光镜(6)，并且第二光路在所述半透半反镜(5)处与第一光路汇合。

2.根据权利要求1所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声激发器(1)的平均输出功率为0.8-1.2W。

3.根据权利要求2所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声接收器(9)为双波混合型干涉仪或共焦Fabry-Perot型干涉仪。

4.根据权利要求3所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述摄像头(8)为CCD摄像头。

5.根据权利要求4所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声接收器(9)发出的探测激光通过物镜后的光斑直径介于10-750μm之间。

6.根据权利要求5所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声接收器(9)固定设置，并且所述激光超声激发器(1)活动设置，以形成固定的探测光路和活动的激发光路。

7.根据权利要求5所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声激发器(1)固定设置，并且所述激光超声接收器(9)活动设置，以形成固定的激发光路和活动的探测光路。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的激光超声模量测量装置，其特征在于，所述激光超声模量测量装置还包括数据采集和处理系统(10)，用于对接收信号进行采集和处理。