專利名稱：激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)力測試系統(tǒng)，特別是一種應(yīng)用于金屬材料表面及亞表面應(yīng)力分 布測試的激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)。 二 背景技術(shù)；超聲波法測量材料應(yīng)力的方法是從20世紀(jì)40年代開始發(fā)展的。根據(jù)聲彈性原理， 即當(dāng)材料中有應(yīng)力分布時，超聲波的傳播速度與應(yīng)力的大小相關(guān)，通過測量超聲波的 傳播速度來間接測量應(yīng)力值。傳統(tǒng)的超聲波法采用聲換能器作為超聲的激發(fā)和接收裝 置，這種方法激發(fā)出的超聲波頻率較低，因此空間分辨率低，只能給出應(yīng)力在超聲波 傳播路徑上的積分效果，并且聲換能器必須通過耦合劑緊貼在的材料表面上，無法實(shí) 現(xiàn)非接觸測量及快速掃描。90年代以來，隨著激光超聲理論及技術(shù)的發(fā)展，采用短脈 沖激光作為超聲波的激發(fā)源，并采用光學(xué)干涉儀接收的應(yīng)力測量系統(tǒng)也隨之出現(xiàn)(文 獻(xiàn)1，聲學(xué)學(xué)報29， 3， 2004)。這種全光系統(tǒng)采用短脈沖激光激發(fā)超聲表面波，光學(xué) 干涉儀測量表面波的位移信號，從而得到表面波的傳播速度；利用超聲表面波在應(yīng)力 材料表面?zhèn)鞑r速度的改變量，根據(jù)聲彈性關(guān)系測出材料表面的應(yīng)力值。但該系統(tǒng)只 在樣品深度方向進(jìn)行一維掃描，只能得到應(yīng)力在深度方向的分布，而不能測出表面應(yīng) 力的二維分布，同時用于探測的光學(xué)干涉儀的靈敏度低，而成本很高，不利于測試系 統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度高、掃描速度快，可以對表面及亞表面應(yīng)力的 二維分布進(jìn)行測試，而且造價低的激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，它是 由脈沖激光器、分光鏡、三棱鏡、柱面凸透鏡、接收傳感器、高頻前置放大器、光電 二極管、數(shù)字示波器以及電子計算機(jī)組成。分光鏡、三棱鏡和柱面凸透鏡依次設(shè)置在 同一光路上，光電二極管位于分光鏡的反射光路上接收分光鏡的反射光，其輸出的電 信號與數(shù)字示波器的接收端相連，數(shù)字示波器的另一接收端與高頻前置放大器相連，數(shù)字示波器的輸出接電子計算機(jī)，本發(fā)明的特征在于接收傳感器采用固定設(shè)置的PVDF壓力薄膜，它的輸出接高頻前置放大器的輸入端；三棱鏡和柱面凸透鏡固定在電控平 移架上，并可隨電控平移架在電子計算機(jī)控制下沿發(fā)射光路整體移動，被測樣品水平放 置在電控平移臺上，并位于柱面凸透鏡的出射光路上，它隨電控平移臺可在電子計算 機(jī)控制下垂直于電控平移架移動方向進(jìn)行水平移動；PVDF壓力薄膜的探測點(diǎn)位于被測 樣品超聲表面波的傳播路徑上。本發(fā)明是利用短脈沖激光器在樣品表面激發(fā)高頻率超聲表面波，根據(jù)該波在應(yīng)力 材料表面?zhèn)鞑r速度的改變得到應(yīng)力值。用PVDF壓電薄膜作為超聲表面波的接收裝 置，采取固定PVDF壓電薄膜，激發(fā)源移動掃描的方式，實(shí)現(xiàn)在樣品表面的快速二維掃 描，測得的超聲表面波信號傳輸至電子計算機(jī)中，根據(jù)聲彈性原理通過程序進(jìn)行計算 處理，從而實(shí)現(xiàn)樣品表面及亞表面的應(yīng)力分布的測量。其工作過程由脈沖激光器發(fā) 出激光，經(jīng)過分光鏡時有一小部分光通過光電二極管作為數(shù)字示波器的觸發(fā)信號，其 余光能衰減后經(jīng)三棱鏡和柱面凸透鏡聚焦成線激發(fā)源，作用于水平放置的被測樣品上， 在樣品上激發(fā)超聲表面波，并沿樣品表面?zhèn)鞑ブ撂綔y點(diǎn)位置。由于表面波會導(dǎo)致材料 表面發(fā)生微小形變，此時，放置于超聲表面波傳播路徑上的PVDF壓電薄膜，就能通過 壓電效應(yīng)接收表面波的位移信號，并轉(zhuǎn)換為電信號；該信號通過高頻前置放大器放大， 由數(shù)字示波器傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C(jī)上。用于固定三棱鏡和柱面凸透鏡的電控平移架和放 置被測樣品的電控平移臺由計算機(jī)控制，分別實(shí)現(xiàn)激發(fā)線源和被測樣品的二維平移。 傳輸至電子計算機(jī)中的超聲表面波信號，根據(jù)聲彈性原理通過程序計算得到樣品中的 二維應(yīng)力分布。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點(diǎn)是1、利用PVDF壓電薄膜探測超聲表面波， 相比光學(xué)干涉儀可以將探測靈敏度提高一個量級，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本降低70%以上； 2、采用固定三棱鏡和柱面凸透鏡的電控平移架和放置被測樣品的電控平移臺進(jìn)行激發(fā) 線源和被測樣品的二維平移,實(shí)現(xiàn)了在樣品表面的快速二維掃描，得到樣品表面的二維 應(yīng)力分布。可廣泛適用于金屬材料表面及亞表面應(yīng)力分布測試。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的附圖和實(shí)施例給出。 四


附圖是根據(jù)本發(fā)明所述激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。五具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。參見附圖，根據(jù)本發(fā)明制作的激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，主要由脈沖激光器l、 分光鏡2、三棱鏡4與柱面凸透鏡5組成超聲表面波激發(fā)部分，由PVDF壓電薄膜9 和高頻前置放大器10組成超聲表面波探測部分。脈沖激光器1采用短脈沖激光器，其 輸出波長為1064nm，脈寬10ns，其單脈沖輸出能量為70mJ。分光鏡2、三棱鏡4與柱 面凸透鏡5依次設(shè)置在同一光路上；在分光鏡2的反射光路上設(shè)置有光電二極管11， 它接收經(jīng)分光鏡2后的一小部分反射光信號傳輸給數(shù)字示波器12，作為數(shù)字示波器12 的啟動記錄的觸發(fā)信號；柱面凸透鏡5的焦距為100mm，經(jīng)柱面凸透鏡5后的激光會聚 成長10mm、寬300um的線光源作用于水平放置的被測樣品6上。三棱鏡4與柱面凸透 鏡5是固定在一個精密電控平移架3上，被測樣品6水平放置在精密電控平移臺7上， 精密電控平移架3和精密電控平移臺7均為制式成品，是采用超精密滾珠螺桿傳動及線 性滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，可以在一維方向高精度移動；精密電控平移架3通過帶動三棱鏡4 與柱面凸透鏡5的整體平移，可以實(shí)現(xiàn)線光源的掃描；精密電控平移臺7通過移動被 測樣品6實(shí)現(xiàn)另一個方向的掃描；PVDF壓電薄膜9通過一個固定架8放置在被測樣品 6的聲表面波傳播路徑上，PVDF壓電薄膜9的探測點(diǎn)采用劈尖狀。當(dāng)脈沖激光在被測 樣品6表面激發(fā)聲表面波時，聲表面波沿表面?zhèn)髦罰VDF壓電薄膜9的探測點(diǎn)即劈尖位 置，由于聲擾動會導(dǎo)致被測樣品6表面發(fā)生微小形變，通過PVDF壓電薄膜9把表面波 產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換，輸出的電信號再經(jīng)高頻前置放大器 10放大接入到數(shù)字示波器12，再傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C(jī)13，經(jīng)程序計算得到被測樣品6 表面的應(yīng)力分布。本發(fā)明適用的被測樣品6可以是焊接件，也可以是機(jī)械加工件，當(dāng)測量焊接件殘 余應(yīng)力時，應(yīng)注意使被測焊接件的焊縫方向與線光源的掃描方向平行，即激發(fā)激光是 沿平行與焊縫的方向掃描，而樣品則應(yīng)沿垂直于焊縫的方向掃描，得到樣品表面焊縫周圍殘余應(yīng)力的二維分布。當(dāng)測量機(jī)械加工件時，應(yīng)使激發(fā)激光與機(jī)械加工件在正交 方向進(jìn)行移動，從而實(shí)現(xiàn)平面殘余應(yīng)力的二維分布。
權(quán)利要求
1. 一種激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，它是由脈沖激光器[1]、分光鏡[2]、三棱鏡[4]、柱面凸透鏡[5]、接收傳感器、高頻前置放大器[10]、光電二極管[11]、數(shù)字示波器[12]以及電子計算機(jī)[13]組成；分光鏡[2]、三棱鏡[4]和柱面凸透鏡[5]依次設(shè)置在同一光路上，光電二極管[11]位于分光鏡[2]的反射光路上，其輸出與數(shù)字示波器[12]的接收端相連，數(shù)字示波器[12]的另一接收端與高頻前置放大器[10]相連，數(shù)字示波器[12]的輸出接電子計算機(jī)[13]，本發(fā)明的特征在于接收傳感器采用固定設(shè)置的PVDF壓力薄膜[9]，它的輸出接高頻前置放大器[10]的輸入端；三棱鏡[4]和柱面凸透鏡[5]固定在電控平移架[3]上，并可隨電控平移架[3]在電子計算機(jī)[13]控制下沿發(fā)射光路整體移動，被測樣品[6]水平放置在電控平移臺[7]上，并位于柱面凸透鏡[5]的出射光路上，它隨電控平移臺[7]可在電子計算機(jī)[13]控制下沿著與電控平移架[3]移動方向成90度的方向水平移動；PVDF壓力薄膜[9]的探測點(diǎn)位于被測樣品[6]超聲表面波的傳播路徑上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，其特征在于PVDF壓力薄膜 [9]通過一個固定架[8]放置在被測樣品[6]的聲表面波傳播路徑上，PVDF壓電薄膜[9]的探測點(diǎn)采用劈尖狀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，其特征在于電控平移架 3和電控平移臺7是采用超精密滾珠螺桿傳動及線性滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的精密電控平移裝 置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光聲表面波應(yīng)力測試系統(tǒng)，它主要由短脈沖激光器、分光鏡、三棱鏡與柱面凸透鏡組成超聲表面波激發(fā)部分，由PVDF壓電薄膜和高頻前置放大器組成超聲表面波探測部分。本發(fā)明是利用短脈沖激光器在被測樣品表面產(chǎn)生高頻率超聲表面波，根據(jù)聲彈性原理得到應(yīng)力值，用PVDF壓電薄膜作為超聲表面波的接收裝置，采取固定PVDF壓電薄膜，并采用激發(fā)源和被測樣品二維平移方式，實(shí)現(xiàn)了在樣品表面的快速二維掃描，測得的超聲表面波信號傳輸至電子計算機(jī)中，根據(jù)聲彈性原理通過程序快速計算處理，實(shí)現(xiàn)樣品表面及亞表面的應(yīng)力分布的測量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可廣泛適用于金屬材料表面及亞表面應(yīng)力分布測試。
文檔編號G01N29/07GK101281172SQ200710020948
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者剛 嚴(yán), 倪曉武, 倪辰蔭, 沈中華, 石一飛 申請人:南京理工大學(xué)