專利名稱：一種鍍層結(jié)構(gòu)類表面波非接觸式波速提取的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種鍍層結(jié)構(gòu)類表面波非接觸式波速提取的方法。
背景技術(shù)：
鍍/涂層材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、石油、化工、核電及微器件與微制造等領(lǐng)域，其主要功能是防腐蝕(Corrosion)、耐摩擦(Friction)、抗氧化(Oxidation)等表面防護。除在常規(guī)機械裝備中普遍使用鍍/涂層使零件、構(gòu)件的表面延緩腐蝕、減少磨損、實現(xiàn)延壽以外，在特種行業(yè)中還有許多特殊的表面功能要求，如艦船甲板的防滑涂層、船舶海水管道的防腐涂層、軍用飛機的隱身涂層、太陽能設(shè)備中的高效吸熱涂層與光電轉(zhuǎn)換涂層等。在新材料研發(fā)方面，表面鍍/涂層技術(shù)主要用來制備各種新型材料，如采用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的非晶硅薄膜已得到了廣泛應(yīng)用。在鍍覆或噴涂的過程中，將不可避免的引入孔隙、細小裂紋等缺陷，尤其在噴涂的過程中，噴涂材料的顆粒大小、粘著度會極大的影響缺陷密度(即孔隙、裂紋等缺陷的體積分數(shù))，結(jié)合缺陷的形態(tài)、分布、方向，最終決定了鍍/涂層材料的彈性性質(zhì)。此外，氧化和腐蝕也會對鍍/涂層材料的彈性模量產(chǎn)生重要影響，鍍/涂層楊氏模量是進行應(yīng)力應(yīng)變分析必不可少的參數(shù)，涂層對熱沖擊的抗力也直接取決于彈性模量。由于鍍/涂層與其鍍/涂前材料性能通常是不同的，即使相同的涂層噴涂于不同的結(jié)構(gòu)上其特性也不相同，所以在應(yīng)用鍍/涂層的過程中，對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能分析是十分必要的。采用拉伸等破壞性傳統(tǒng)力學(xué)性能測試的方法將無法滿足鍍/涂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試的需求。在以測量聲波波速為主的非破壞性檢測中，由漏表面波和直接反射波的干涉所形成的V(Z)曲線包含材料微結(jié)構(gòu)方面的許多信息，以超聲顯微鏡作為波速測量工具，可以應(yīng)用于檢測晶體結(jié)構(gòu)、彈性模量、殘余應(yīng)力、內(nèi)部缺陷等材料機械性質(zhì)，使得超聲顯微鏡在材料力學(xué)特性測試和定量無損檢測等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。利用超聲波對材料彈性性質(zhì)進行測量是無損檢測領(lǐng)域很有前景的測量方法之一。 在各向同性均質(zhì)材料中，表面波(Surface acoustic wave, SAW)又稱為瑞利波(Rayleigh SAW)，在鍍/涂層彈性性質(zhì)的研究中，由于表面波或類表面波(Rayleigh-like SAW)被限制在結(jié)構(gòu)的表層傳播——通常為一個波長的厚度內(nèi)，當(dāng)類表面波的波長小于鍍/涂層厚度時， 其波動行為包含了大量鍍/涂層材料特性的信息；當(dāng)類表面波的波長大于鍍/涂層厚度時， 其波動行為也會受到基體材料特性的影響。因此，當(dāng)已知基體材料特性的情況下，通過波速與波長或頻率的關(guān)系——即頻散曲線，即可反演出鍍/涂層的彈性性質(zhì)。為了達到上述目的，波速的精確提取顯得尤為必要。目前對于類表面波波速提取大多采用單頻逐點提取的方式，通過測量V(Z)曲線中的振蕩周期Vz來確定類表面波的波速，但其缺點是單頻波速提取并不適用于寬頻脈沖信號的測量。因此，需要開發(fā)出一套基于寬頻脈沖信號的類表面波波速提取方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決鍍層結(jié)構(gòu)類表面波波速寬頻連續(xù)提取的問題，提出一種先進的材料波速提取方法。步驟I):確立波速提取的公式。這里需要說明的是，由于水的負載效應(yīng)，漏類表面波與類表面波的波速并不完全一致，但由于被測材料的密度遠大于水的密度，兩者之間的差異是可以忽略的。之后的闡述中將不再區(qū)分類表面波和漏類表面波。在波速提取的過程中，依據(jù)V(Z)曲線理論，可根據(jù)如下公式進行波速的計算其中Vz為V(Z)曲線振蕩周期，VwS水中的超聲波波速，f為換能器的激勵頻率， Vsaw為材料的類表面波波速。測量被測材料的V(Z)曲線振蕩周期是波速提取的關(guān)鍵。步驟2):搭建測試系統(tǒng)。為了方便散焦步進測量，搭建了一套進行散焦步進測量的測試系統(tǒng)，如圖I所示。 該測試系統(tǒng)主要包括試樣I、水槽與水2、換能器3、移動平臺4、脈沖激勵/接收儀5、示波器6、GPIB總線7、PXI總控制系統(tǒng)8、移動伺服馬達9、旋轉(zhuǎn)軸10。其中，在移動平臺4下面安裝換能器3，換能器3與脈沖激勵/接收儀5相連，脈沖激勵/接收儀5與示波器6相連， 示波器6通過GPIB總線7與PXI總控制系統(tǒng)8相連，PXI總控制系統(tǒng)8與移動伺服馬達9 相連，同時PXI總控制系統(tǒng)8與旋轉(zhuǎn)軸10相連。步驟3):聚焦面數(shù)據(jù)采集。將被測試樣置于換能器的聚焦面，脈沖激勵/接收儀5在發(fā)出一個帶寬為 10-200MHZ的脈沖后轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，當(dāng)接收到反射信號后，將信號傳輸進示波器6，示波器的采樣頻率為fs，fs為O. 5-5GHz，采樣點數(shù)為Ns, Ns的取值范圍為10000-100000點。經(jīng)過示波器的低通濾波后，通過GPIB總線7存儲進PXI總控制系統(tǒng)8。步驟4):散焦測量。將換能器垂直向下移動一個距離Vztl, Vztl的取值范圍為1-50 μ m，待移動完成后進行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為fs，采樣點數(shù)為Ns。采集結(jié)束后再將換能器垂直向下移動Vztl進行數(shù)據(jù)采集，如此循環(huán)往復(fù)，共移動距離z，z的取值范圍為2-20mm，因此將得到M組電壓數(shù)據(jù)， M由z與Vztl共同決定，為40-20000組。步驟5):時域傅里葉變換。將所有數(shù)據(jù)沿散焦距離排列好，對測得的數(shù)據(jù)進行時域傅里葉變換
權(quán)利要求
1.一種鍍層結(jié)構(gòu)類表面波非接觸式波速提取的方法，其特征在于該方法按照如下步驟進行步驟I):確立波速提取的公式；在波速提取的過程中，依據(jù)V(Z)曲線理論，根據(jù)如下公式進行波速的計算
全文摘要
一種鍍層結(jié)構(gòu)類表面波非接觸式波速提取的方法，屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。在鍍/涂層彈性性質(zhì)的研究中，當(dāng)已知基體材料特性的情況，通過波速與波長或頻率的關(guān)系——即頻散曲線，即可反演出鍍/涂層的彈性性質(zhì)。由漏類表面波和直接反射波即縱波的干涉所形成的V(z)曲線包含材料微結(jié)構(gòu)方面的許多信息，本發(fā)明基于散焦測量系統(tǒng)，利用寬頻脈沖作為激勵源，并接收包含多種頻率成分的超聲波，通過改進的二維傅里葉變換技術(shù)獲得材料的V(z)曲線及其振蕩周期，從而實現(xiàn)對鍍層結(jié)構(gòu)類表面波波速的提取。本發(fā)明可對不同材料的類表面波波速進行提取；可在寬頻范圍內(nèi)對類表面波波速進行提取，取代單頻逐點的方式；可對不同頻率段內(nèi)的類表面波波速進行提取。
文檔編號G01N29/46GK102608222SQ20111042806
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者何存富, 呂炎, 吳斌, 宋國榮, 柳艷麗, 高忠陽 申請人:北京工業(yè)大學(xué)