本發(fā)明涉及激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、材料在經(jīng)過(guò)制造、加工、處理或使用過(guò)程中以及外部載荷和環(huán)境因素等多種因素導(dǎo)致材料往往存在殘余應(yīng)力在其內(nèi)部。殘余應(yīng)力能夠削弱材料的強(qiáng)度、韌性、穩(wěn)定性，使得材料性能和結(jié)構(gòu)完整性降低，從而影響裝配和連接，增加維護(hù)成本。因此對(duì)材料的應(yīng)力檢測(cè)十分重要。然而，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生十分普遍且難以有效檢測(cè)。傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)方法包括包括有損、微損、無(wú)損三種類型。其中，有損檢測(cè)方法和微損檢測(cè)方法分別為輪廓法、切槽法和盲孔法、環(huán)芯法，這兩種方法均對(duì)待測(cè)工件造成損傷，這對(duì)于在役狀態(tài)工件和高精尖設(shè)備是不符合的。此外，無(wú)損檢測(cè)方法為x射線衍射法、中子衍射法、磁測(cè)法、納米壓痕法、超聲法，這幾種無(wú)損檢測(cè)方法受到檢測(cè)材料、應(yīng)用場(chǎng)景、設(shè)備昂貴、易受檢測(cè)環(huán)境影響和檢測(cè)類型單一的限制。激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)采用激勵(lì)激光輻照在材料產(chǎn)生超聲波，并利用激光干涉儀來(lái)檢測(cè)超聲回波，并將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給工控機(jī)解析超聲波攜帶的信息。激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)損傷、非接觸性、不需要耦合劑、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、遠(yuǎn)距離檢測(cè)、檢測(cè)分辨率高和快速掃場(chǎng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用在高溫、高壓、腐蝕和輻射等特殊環(huán)境的缺陷檢測(cè)。此外，傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)方法對(duì)材料深度方向應(yīng)力梯度檢測(cè)和標(biāo)定存在很大困難，不足以滿足應(yīng)力檢測(cè)的需求。

2、因此，急需設(shè)計(jì)一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、技術(shù)方案：一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，包括：脈沖激光器、半波片、偏振分束器、光電探測(cè)器、擴(kuò)束系統(tǒng)、光闌、反射鏡、勻化系統(tǒng)、數(shù)字微鏡陣列、套簡(jiǎn)透鏡、二向色鏡、分束薄膜、物鏡、樣品、三維移動(dòng)平臺(tái)、激光測(cè)振儀、準(zhǔn)直系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、工控機(jī)。

3、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，

4、(1)激勵(lì)光的路徑：脈沖激光器發(fā)出脈沖激光經(jīng)過(guò)半波片之后再經(jīng)過(guò)偏振分束器被分成了兩束能量不同的偏振光，其中一束偏振光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器之后由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并將信號(hào)傳遞到工控機(jī)觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)；另一束脈沖激光繼續(xù)向后傳播，通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)后被放大，再經(jīng)過(guò)一個(gè)光闌后被反射鏡反射進(jìn)入勻化系統(tǒng)進(jìn)行光場(chǎng)勻化，將勻化后空間能量均勻的矩形光場(chǎng)投影到數(shù)字微鏡陣列上，由工控機(jī)控制數(shù)字微鏡陣列生成不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案并將脈沖激光反射后經(jīng)過(guò)套筒透鏡、二向色鏡、分束薄膜最后通過(guò)物鏡縮放投影在置于三維移動(dòng)臺(tái)上的樣品上；

5、(2)探測(cè)光的路徑：由激光測(cè)振儀發(fā)出的一束探測(cè)光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)后以垂直于樣品表面的傳播方向，通過(guò)二向色鏡和分束薄膜后被物鏡聚焦于樣品表面，并對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行整體振動(dòng)信息采集；

6、(3)激勵(lì)光與探測(cè)光一并通過(guò)物鏡返回，經(jīng)過(guò)分束薄膜選擇分配之后到達(dá)成像系統(tǒng)，再由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并層析成像。

7、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，所述脈沖激光器的單脈沖寬度包括ns級(jí)，ps級(jí)，fs級(jí)。

8、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，所述擴(kuò)束系統(tǒng)是由2-5個(gè)透鏡構(gòu)成，其作用是將一個(gè)小準(zhǔn)直光斑進(jìn)行擴(kuò)束放大至更大尺寸的大準(zhǔn)直光斑；

9、所述數(shù)字微鏡陣列是由一塊塊的反射鏡排列在一起構(gòu)成的；所述每個(gè)反射鏡可以在對(duì)角線上進(jìn)行正負(fù)8-15度的偏轉(zhuǎn)；

10、所述準(zhǔn)直系統(tǒng)由2-5個(gè)反射鏡子和光闌構(gòu)成，其作用是控制激光光束方向垂直到樣品表面，由一個(gè)及以上的反射鏡和光闌所組成；

11、所述成像系統(tǒng)由長(zhǎng)工作距離物鏡和電荷耦合器件(ccd)組成。

12、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，所述數(shù)字微鏡陣列(dmd)可用空間光調(diào)制器(slm)代替。

13、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，所述擴(kuò)束系統(tǒng)是由2-5個(gè)凸透鏡或凹透鏡組合構(gòu)成。

14、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置，

15、周期性脈沖激光光柵在樣品上激勵(lì)出具有單一頻率成分的超聲波并沿其表面進(jìn)行傳播；而該單頻表面波受到樣品中殘余應(yīng)力的作用，發(fā)生了中心頻率的偏移；不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案所激勵(lì)的聲表面波在深度梯度的應(yīng)力缺陷作用下波長(zhǎng)發(fā)生梯度改變；通過(guò)測(cè)量具有不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵產(chǎn)生的單頻表面波，在梯度應(yīng)力材料中發(fā)生了頻率偏移，使其能夠通過(guò)表面波速度反演出相應(yīng)的殘余應(yīng)力；不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵所激發(fā)的表面波頻率不同，表面波穿透深度不同，由表面波穿透深度反演出樣品內(nèi)部不同深度的殘余應(yīng)力。

16、利用所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置的檢測(cè)方法，包括以下步驟：

17、(1)打開脈沖激光器和激光測(cè)振儀；

18、(2)打開工控機(jī)，設(shè)定分辨率不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案，以獲取不同波長(zhǎng)的表面波；

19、(3)調(diào)節(jié)半波片的旋轉(zhuǎn)角度，使偏振分束器出射的在光電探測(cè)器上的光強(qiáng)小于其承受閾值，同時(shí)光電探測(cè)器在其阻抗匹配時(shí)的輸出應(yīng)在100-500mv之間，并將光電探測(cè)器輸出和工控機(jī)相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)；

20、(4)調(diào)節(jié)擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍率，并利用后端的光闌截取擴(kuò)束后光斑能量較均勻的地方，同時(shí)光闌的透過(guò)面積應(yīng)大于勻化系統(tǒng)的入射窗口面積，保證能充分利用勻化系統(tǒng)；

21、(5)調(diào)整勻化系統(tǒng)中兩個(gè)微透鏡陣列之間的距離，使得勻化系統(tǒng)焦平面上的勻化光斑大小盡量和數(shù)字微鏡陣列一樣大，同時(shí)測(cè)量該光斑的總體能量，確保其在數(shù)字微鏡陣列的損傷閾值之下，該閾值為10mj/cm2；

22、(6)由工控機(jī)控制數(shù)字微鏡陣列顯示指定的編碼矩陣圖案，同時(shí)調(diào)整勻化系統(tǒng)出射光斑照射到數(shù)字微鏡陣列的角度，使其入射方向和數(shù)字微鏡陣列的法向具有20-30度夾角；

23、(7)選擇套筒透鏡的透鏡，根據(jù)所要求的輻照在樣品上的光斑大小選擇透鏡焦距和透鏡間距；

24、(8)根據(jù)所選激光器波長(zhǎng)選擇二向色鏡；

25、(9)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直系統(tǒng)中的反射鏡使光束的方向和位置使其穿過(guò)兩個(gè)光闌精確垂直地對(duì)準(zhǔn)樣品目標(biāo)區(qū)域；

26、(10)將樣品夾持在三維移動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)套筒透鏡的成像焦平面位置使其在樣品表面投影出清晰的圖案；

27、(11)激光測(cè)振儀發(fā)出探測(cè)光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)中反射鏡反射校準(zhǔn)后通過(guò)二向色鏡到達(dá)分束薄膜，探測(cè)光再通過(guò)物鏡投影在三維移動(dòng)平臺(tái)上的樣品；調(diào)整探測(cè)光的光斑大小，使其能夠完全覆蓋可能激勵(lì)聲場(chǎng)的區(qū)域；并通過(guò)調(diào)節(jié)分束薄膜的角度使得激勵(lì)光和探測(cè)光重疊到達(dá)成像系統(tǒng)；

28、(12)將激光測(cè)振儀測(cè)得到的結(jié)果傳回工控機(jī)，并和不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案進(jìn)行計(jì)算成像，從而得到樣品的深度梯度應(yīng)力三維圖。

29、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置的檢測(cè)方法，

30、計(jì)算檢測(cè)殘余應(yīng)力所需公式包括：計(jì)算表面波的頻率公式(1)以及計(jì)算表面波穿透深度公式(2)：

31、c＝λf????(1)

32、h＝vf-0.96????(2)

33、式(1)中c為表面波速度，λ為表面波波長(zhǎng)，f為表面波頻率；式(2)中h為表面波的穿透深度，v為表面波的速度，f為表面波頻率；

34、由式(3)計(jì)算殘余應(yīng)力與深度的關(guān)系：

35、

36、式(3)中σ為應(yīng)力，h為表面波的穿透深度，i和j代表第i和j次檢測(cè)，i的取值為(1、2、3…n)，j的取值為(1、2、3…n)，且i大于j；

37、聯(lián)立公式(2)與公式(3)可以得到殘余應(yīng)力梯度深度與表面波頻率的關(guān)系如公式(4)所示：

38、

39、式(4)中σ為應(yīng)力，f為表面波頻率，i和j代表第i和j次檢測(cè)，i的取值為(1、2、3…n)，j的取值為(1、2、3…n)，且i大于j；根據(jù)公式聲彈性理論可以反演出梯度應(yīng)力、穿透深度；

40、波矢k、波長(zhǎng)λ、空間光柵常數(shù)d、角速度ω、頻率f、頻譜分變率δrw、周期t之間的關(guān)系式下式所示：

41、

42、ω＝2*π*f(7)

43、

44、所述的基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置在應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用。

45、進(jìn)一步的優(yōu)先的，所述脈沖激光器發(fā)出脈沖激光經(jīng)過(guò)半波片之后再經(jīng)過(guò)偏振分束器被分成了兩束能量不同的偏振光，其中一束偏振光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器之后由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并將信號(hào)傳遞到工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)。另一束脈沖激光繼續(xù)向后傳播，通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)后被放大，再經(jīng)過(guò)一個(gè)光闌后被反射鏡反射進(jìn)入勻化系統(tǒng)進(jìn)行光場(chǎng)勻化，將勻化后空間能量均勻的矩形光場(chǎng)投影到數(shù)字微鏡陣列上，由工控機(jī)控制數(shù)字微鏡陣列生成不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案并將脈沖激光反射后經(jīng)過(guò)套筒透鏡、二向色鏡、分束薄膜最后通過(guò)物鏡以設(shè)定好的縮放比例投影在樣品上(該樣品置于三維移動(dòng)臺(tái)上)。周期性脈沖激光光柵在樣品上激勵(lì)出具有單一頻率成分的超聲波并沿其表面進(jìn)行傳播。而該單頻表面波受到樣品中殘余應(yīng)力的作用，發(fā)生了中心頻率的偏移。不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案所激勵(lì)的聲表面波在深度梯度的應(yīng)力缺陷作用下波長(zhǎng)發(fā)生梯度改變。通過(guò)測(cè)量具有不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵產(chǎn)生的單頻表面波，在梯度應(yīng)力材料中發(fā)生了頻率偏移，使其能夠通過(guò)表面波速度反演出相應(yīng)的殘余應(yīng)力。不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵所激發(fā)的表面波頻率不同，表面波穿透深度不同，由表面波穿透深度反演出樣品內(nèi)部不同深度的殘余應(yīng)力。

46、與此同時(shí)，由激光測(cè)振儀發(fā)出的一束探測(cè)光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)后以垂直于樣品表面的傳播方向，通過(guò)二向色鏡和分束薄膜后被物鏡聚焦于樣品表面，并對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行整體振動(dòng)信息采集。

47、隨后，激勵(lì)光與檢測(cè)光一并通過(guò)物鏡返回，經(jīng)過(guò)分束薄膜選擇分配之后到達(dá)成像系統(tǒng)，再由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并層析成像。

48、當(dāng)一個(gè)分變率檢測(cè)區(qū)域的一組不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案全部掃描完之后，工控機(jī)控制三維移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)樣品到下一個(gè)檢測(cè)區(qū)域。三維移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力掃場(chǎng)檢測(cè)。

49、優(yōu)選的，所述脈沖激光器的單脈沖寬度可以是ns級(jí)，ps級(jí)，fs級(jí)，其中不同的脈寬對(duì)應(yīng)了不同的光聲波的激發(fā)模式。

50、優(yōu)選的，所述ns級(jí)的激光，其主要是由熱膨脹激勵(lì)的聲波。

51、優(yōu)選的，所述擴(kuò)束系統(tǒng)是由多個(gè)透鏡構(gòu)成，其作用是將一個(gè)小準(zhǔn)直光斑進(jìn)行擴(kuò)束放大至更大尺寸的大準(zhǔn)直光斑，它們由兩個(gè)凸-凸透鏡所組成，由凹-凸透鏡的組合方式，由更多的透鏡組合而成。

52、優(yōu)選的，所述數(shù)字微鏡陣列可用空間光調(diào)制器代替等。

53、優(yōu)選的，所述數(shù)字微鏡陣列是由一塊塊十分微小的反射鏡排列在一起構(gòu)成的，它們的尺寸小至13.8um或更小。

54、優(yōu)選的，所述每個(gè)反射鏡可以在對(duì)角線上進(jìn)行正負(fù)12度的偏轉(zhuǎn)。

55、優(yōu)選的，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)由多個(gè)反射鏡子和光闌構(gòu)成，其作用是控制激光光束方向垂直到樣品表面，由一個(gè)及以上的反射鏡和光闌所組成，并且有多種組合方式。

56、優(yōu)選的，所述二向色鏡可通過(guò)所選激光器波長(zhǎng)選擇合適的二向色鏡。

57、優(yōu)選的，所述成像系統(tǒng)由長(zhǎng)工作距離物鏡和ccd組成。

58、優(yōu)選的，一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像的方法，包括以下步驟：

59、打開脈沖激光器和激光測(cè)振儀，預(yù)熱一段時(shí)間，讓兩臺(tái)儀器達(dá)到最佳工作溫度區(qū)間，打開工控機(jī)，設(shè)定分辨率不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案，以獲取不同波長(zhǎng)的表面波；

60、調(diào)節(jié)半波片的旋轉(zhuǎn)角度，使偏振分束器出射的在光電探測(cè)器上的光強(qiáng)小于其承受閾值，同時(shí)光電探測(cè)器在其阻抗匹配時(shí)的輸出應(yīng)在100-500mv之間，并將光電探測(cè)器輸出和工控機(jī)相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)；

61、調(diào)節(jié)擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍率，并利用后端的光闌截取擴(kuò)束后光斑能量較均勻的地方，同時(shí)光闌的透過(guò)面積應(yīng)大于勻化系統(tǒng)的入射窗口面積，保證能充分利用勻化系統(tǒng)；

62、調(diào)整勻化系統(tǒng)中兩個(gè)微透鏡陣列之間的距離，使得勻化系統(tǒng)焦平面上的勻化光斑大小盡量和數(shù)字微鏡陣列一樣大，同時(shí)測(cè)量該光斑的總體能量，確保其在數(shù)字微鏡陣列的損傷閾值之下，該閾值為10mj/cm2；

63、由工控機(jī)控制數(shù)字微鏡陣列顯示指定的編碼矩陣圖案，同時(shí)調(diào)整勻化系統(tǒng)出射光斑照射到數(shù)字微鏡陣列的角度，使其入射方向和數(shù)字微鏡陣列的法向具有24度夾角；

64、選擇合適的套筒透鏡的透鏡，根據(jù)所要求的輻照在樣品上的光斑大小選擇合適的透鏡焦距和透鏡間距；

65、根據(jù)所選激光器波長(zhǎng)選擇合適的二向色鏡；

66、調(diào)節(jié)準(zhǔn)直系統(tǒng)中的反射鏡使光束的方向和位置使其穿過(guò)兩個(gè)光闌精確垂直地對(duì)準(zhǔn)樣品目標(biāo)區(qū)域；

67、用酒精擦拭表面和內(nèi)部含有殘余應(yīng)力缺陷的鋁合金樣品，并將其夾持在三維移動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)套筒透鏡的成像焦平面位置使其在樣品表面投影出清晰的圖案；

68、激光測(cè)振儀發(fā)出探測(cè)光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)中反射鏡反射校準(zhǔn)后通過(guò)二向色鏡到達(dá)分束薄膜，探測(cè)光再通過(guò)物鏡投影在三維移動(dòng)平臺(tái)上的樣品。調(diào)整探測(cè)光的光斑大小，使其能夠完全覆蓋可能激勵(lì)聲場(chǎng)的區(qū)域。并通過(guò)調(diào)節(jié)分束薄膜的角度使得激勵(lì)光和探測(cè)光重疊到達(dá)成像系統(tǒng)。

69、將激光測(cè)振儀測(cè)得到的結(jié)果傳回工控機(jī)，并和不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案進(jìn)行計(jì)算成像，從而得到樣品的深度梯度應(yīng)力三維圖。

70、本發(fā)明一種基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力顯微層析成像裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

71、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)本發(fā)明基于激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在非接觸無(wú)損傷待測(cè)樣品時(shí)可以實(shí)現(xiàn)樣品應(yīng)力缺陷的檢測(cè)，相比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)本發(fā)明并不需要耦合劑產(chǎn)生環(huán)境污染，并且可以在具有高溫高壓、腐蝕、輻射、有毒等極端環(huán)境條件下進(jìn)行檢測(cè)。(2)相比傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)只能單點(diǎn)檢測(cè)，本發(fā)明結(jié)合三維移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力掃場(chǎng)檢測(cè)。(3)相比較傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)光束進(jìn)行調(diào)控的方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光場(chǎng)調(diào)控，本發(fā)明采用空間光調(diào)制的辦法，使用數(shù)字微鏡陣列生成不同空間光柵常數(shù)的周期性光柵圖案，能夠產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的超聲波針對(duì)不同深度的應(yīng)力缺陷檢測(cè)。(4)相比傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料深度方向應(yīng)力梯度檢測(cè)和標(biāo)定存在很大困難，本發(fā)明能夠進(jìn)行應(yīng)力顯微層析成像，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)無(wú)法成像深度梯度應(yīng)力場(chǎng)的不足。