专利名称：在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法
在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法技术领域：
本发明涉及固体材料弹性参数在线检测的连续表征方法。二、背景技术
材料的缺陷的在线检测是当今工业生产中的一个技术难点，材料参数的均匀性对于材料的使用寿命具有决定性的作用。目前常用的材料参数的检测，特别是材料参数的均匀性检测，均采用事后检测的方法，无法为材料的在线质量控制提供实时地系统反馈进而提高生产的可靠性。因此开发新型的可用于固体材料弹性参数的在线检测系统和方法是非常必要的。三、发明内容
本发明目的是利用非接触式弹性参数检测方法，实现固体材料弹性参数的在线表征。在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，以及提出一种在线检测材料均匀性的非接触式检测系统。
本发明技术方案是，在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，对固体材料的弹性常数采用非接触式实时表征方法，按声波的产生、检测以及系统控制应包括以下步骤(I)利用脉冲激光产生脉冲激光并辐射到空间调制器，当脉冲激光经过空间调制器后产生两束相干光；激光源采用纳秒或皮秒脉冲光源，并通过光栅构成的空间调制器将脉冲光进行分光，并取其中的±1级作为相干光源；脉冲激光的功率在10-100毫焦左右。
(2)利用光学元器件透镜组将两束相干光辐射到被测材料表面产生空间相干的干涉场，并在被测材料表面形成明暗相间的干涉条纹；明暗相间的干涉条纹间距通过调节透镜组或者光栅来获取，被测材料为薄膜材料；厚度为30-200微米；
(3)当由脉冲光源形成的干涉条纹被检测薄膜材料吸收后，将在薄膜材料中产生与干涉条纹间距相应波长的声 波；
(4)利用非接触式声探测器光探针(如PolyteC的0FV5xx系列激光测振仪等)实时探测声场的变化；
(5)利用时频分析技术实时分析被检测声场的变化，实现固体材料弹性参数的在线表征；当栅间距一定的干涉场在被测产品上激发声波时，被激发的声波取决于材料内部的弹性参数，当被测材料均匀时，在不同部位被激发的声波特征也保持基本一致，这样如实时分析中被检测到声波发生变化时，则反应了被测材料的物理参数或均匀性发生了变化；
( 6 )当被测声场的频率特性发生改变且超出阈值时(该阈值的大小取决于材料均匀性所允许的误差范围)，实时反馈给控制系统，从而为控制系统实时报警。
进一步的，本发明采用监测单一波长声波的频率(如O. 1-3K)变化特性检测被测材料的均匀性。
具体而言，光探针实时探测声场的变化的步骤如下，系统初始化后，第I步激光触发；第2步光探针同步；第3步信号采集；第4步FFT ’第5步判断频率是否改变，是则转第6步，否则转第I步；第6步判断是否超阈值、是则转第7步，否则转第I步；第7 步报警；弟8步结束。
采用单一栅间距的干涉场在材料中激发相应波长的声波(该波长取决于所需探测 检测材料的厚度或直径，波长范围在亚微米到几毫米之间)并检测被激发声波的频率变化 特性。
一种在线检测材料均匀性的非接触式检测系统；该系统包括以下部分脉冲激光 器；光栅构成的空间调制器；光探针或激光测振器(如Polytec的0FV534激光测振仪等)构 成的超声探测器；系统控制与分析软件。实现材料弹性参数的实时表征和材料弹性参数的 均匀性在线检测；所述的非接触检测系统采用空间调制器调节脉冲激光，并在材料表面产 生瞬态的明暗相间的干涉场，从而激发相应波长的声波。
使用非接触式的声波检测系统，实时探测所激发的声波特性。
本发明的有益效果是本发明与现有技术相比，具有以下突出优点(1)使用非接 触式的激光检测方法大大提高了系统检测的实时性；(2)采用光学干涉和光学检测声场的 特性，提高了系统的分辨率和灵敏度；(3)采用时频分析的方法，提高了系统的精确度和抗 干扰性，因而可适用于多种工况条件，具有很强的适应性。四

图1实时表征材料弹性参数的系统结构图。
图2PET样品上被检测信号及其相应的时频特性。
图3系统控制软件原理框图。
图4镍铬样品上被检测信号(a)及其相应的时频特性(b)镍铬样品上被检测信号 及其相应的时频特性。五具体实施方式
针对固体材料弹性参数的实时检测方法的实施方案由于被测试材料为实际工况 中的在生产固体材料，本方法的实施可采用如图1所示的非接触式检测系统。图1中实时 表征材料弹性参数的系统结构图，脉冲激光1、光阑2、透镜3、反射镜4、在线被测产品5、光 栅6、脉冲激光7、激光测振仪8。
I)检测系统的声激发源是被空间调制的脉冲激光源，该激光源采用纳秒或皮秒脉 冲光源，并通过光栅将脉冲光进行分光，并取其中的±1级作为相干光源；
2)利用透镜组将相干光如图1所示聚到被测材料表面(PET薄膜，厚度为130微 米)，形成明暗相间的干涉条纹，其间距可通过调节透镜组或者光栅来获取，本实例中选取 栅间距为115微米的光栅对脉冲激光进行分光，并通过放大倍率为3的透镜组在样品表面 形成间距为345微米的干涉条纹；
3)使用激光探针探测，本实例中使用Polytec的0FV503激光测振仪检测被激发的 声信号，并实时分析该信号在时频域中的变化特性；
4)利用控制软件分析被激发声信号的频率特性，根据频率变化将实时分析材料参 数的变化特性，并反馈给控制软件从而对产品生产进行实时控制；其控制原理框图如图3 所示。
实施例2
I)与实例I相同，本实验中采用波长为532纳米的纳秒激光作为激发源，通过二元 光栅将该脉冲光进行分光，取其中的±1级作为相干光源，其示意图如图1所示；
2)利用透镜组将相干光聚到被测材料(镍铬样品Cr20Ni80，厚度为O.1毫米)表 面，如图1所示；形成明暗相间的干涉条纹，其间距可通过调节透镜组或者光栅来获取，本 实例中选取栅间距为115微米的光栅对脉冲激光进行分光，并通过放大倍率为3的透镜组 在样品表面形成间距为345微米的干涉条纹；
3)使用激光探针探测，本实例中使用Polytec的0FV503激光测振仪检测被激发的 声信号，并实时分析该信号在时频域中的变化特性，相应的被检测信号及其时频特性如图4 所示；
4)利用控制软件分析被激发声信号的频率特性，根据频率变化将实时分析材料参 数的变化特性，并反馈给控制软件从而对产品生产进行实时控制；其控制原理框图如图3 所示。
在线检测材料均匀性的非接触式检测系统；包括脉冲激光器；光栅构成的空间调 制器；光偏转探测器(带宽IGHz)或基于干涉或多普勒效应的激光测振器构成的超声探测 器；系统控制与分析软件模块实现材料弹性参数的实时表征和材料弹性参数的均匀性在线 检测；所述的非接触检测系统采用空间调制器调节脉冲激光，激发相应波长的声波。
系统控制流程框图中，系统初始化后开始，弟I步激光触发；弟2步光探针冋 步；第3步信号采集；第3步FFT ;第4步判断频率是否改变，是则转第5步，否则转第I 步；第5步判断是否超阈值、是则转第6步，否则转第I步；:第6步报警；第7步结束。
权利要求
1.在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，其特征是对固体材料的弹性常数采用非接触式实时表征方法，按声波的产生、检测以及系统控制应包括以下步骤(1)利用脉冲激光辐射到空间调制器，当脉冲激光经过空间调制器后产生两束相干光； 激光源采用纳秒或皮秒脉冲光源，并通过光栅构成的空间调制器将脉冲光进行分光，并取其中的±I级作为相干光源；(2)利用光学元器件透镜组将两束相干光辐射到被测材料表面产生空间相干的干涉场，并在被测材料表面形成明暗相间的干涉条纹；明暗相间的干涉条纹间距通过调节透镜组或者光栅来获取，被测材料为薄膜材料；厚度为30-200微米；(3)当由脉冲光源形成的干涉条纹被检测薄膜材料吸收后，将在薄膜材料中产生与干涉条纹间距相应波长的声波；(4)利用非接触式声探测器、光探针实时探测声场的变化；(5)利用时频分析技术实时分析被检测声场的变化，实现固体材料弹性参数的在线表征；当栅间距一定的干涉场在被测产品上激发声波时，被激发的声波取决于材料内部的弹性参数，当被测材料均匀时，在不同部位被激发的声波特征也保持基本一致，这样如实时分析中被检测到声波发生变化时，则反应了材料参数的变化特性，即材料性质的变化特性；(6)当被测声场的频率特性发生改变且超出阈值时，实时反馈给控制系统，从而为控制系统实时报警。
2.根据权利要求1所述的在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，其特征是采用单一栅间距的干涉场在材料中激发相应波长的声波并检测被激发声波的频率变化特性。
3.根据权利要求1所述的在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，其特征是光探针实时探测声场变化的步骤如下，系统初始化后，第I步激光触发；第2步光探针同步；第3步信号采集；第4步FFT ;第5步判断频率是否改变，是则转第6步，否则转第 I步；第6步判断是否超阈值、是则转第7步，否则转第I步；第7步报警；第8步结束。
4.一种在线检测材料均匀性的非接触式检测系统；包括以下部分脉冲激光器；光栅构成的空间调制器；光偏转探测器或基于干涉或多普勒效应的激光测振器构成的超声探测器；系统控制与分析软件模块实现材料弹性参数的实时表征和材料弹性参数的均匀性在线检测；所述的非接触检测系统采用空间调制器调节脉冲激光。
全文摘要
在线检测材料弹性参数均匀性的非接触式检测方法，对固体材料的弹性常数采用非接触式实时表征方法(1)利用脉冲激光辐射到空间调制器，当脉冲激光经过空间调制器后产生两束相干光；激光源采用纳秒或皮秒脉冲光源，并通过光栅构成的空间调制器将脉冲光进行分光，并取其中的±1级作为相干光源；(2)利用光学元器件透镜组将两束相干光辐射到被测材料表面产生空间相干的干涉场，并在被测材料表面形成明暗相间的干涉条纹；明暗相间的干涉条纹间距通过调节透镜组或者光栅来获取；(3)当由脉冲光源形成的干涉条纹被检测薄膜材料吸收后，在薄膜材料中产生与干涉条纹间距相应波长的声波；表征和分析固体样品弹性常数特性的非接触式检测。
文档编号G01N21/17GK103018170SQ20121049527
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者徐晓东, 胡柏星 申请人:南京百丝胜新材料科技有限公司