适用于不同类型样品检测的激光声表面波技术及系统研究

摘要

随着我国工业技术水平的快速发展与进步，对材料的质量的要求也越来越高。在各个行业领域中，材料和器件中表面和亚表面的完整性会影响和决定系统和仪器设备的工作效率以及运行寿命。此外，随着中国工业的高速发展，空气及水源污染问题也变得日益严峻。环境污染导致了某些疾病的高发，皮肤病即是受环境因素诱导的典型疾病之一。近年来，中国居民的皮肤病发病率逐年上升，且新增病例呈年轻化趋势。因此实现对材料表面裂纹和皮肤表面病变的无损检测尤为重要。激光声表面波技术作为一种无损检测技术，其特别适合应用于对材料表面特征进行检测，因此本文的主要工作有:
　　1、对激光声表面波检测技术在国内外的发展现状进行了探究，在此基础上总结了已有技术的不足，从而确立了课题的研究内容与研究目标。
　　2、基于ANSYS软件，利用有限元热应力仿真技术探究了声表面波的激发源——脉冲激光的参数，包括脉冲能量、上升时间、光束半径、吸收系数和散射系数对在皮肤表面激发的声表面波振幅与带宽的影响，并给出了激发大振幅高频声表面波的最优参数范围，并使用最优参数下的脉冲激光在具有表面黑色素瘤皮肤模型表面进行声表面波的激发，通过信号的色散曲线获得了最小黑色素瘤尺寸与网格尺寸的关系，验证了激光声表面波用于皮肤表面病变检测的可行性;
　　3、基于ANSYS软件，利用有限元结构仿真技术探究了铝材料表面不同深度的表面单裂纹对声表面波传播的影响，同尺寸不同数目的表面多裂纹对声表面波传播的影响，并绘制了传播经过不同数目的裂纹后的声表面波色散曲线，由色散曲线的倾斜程度可大致判断裂纹的数目。
　　4、设计并搭建了经典迈克逊干涉仪差分检测系统和偏振迈克逊干涉仪差分检测系统，并对两套系统的工作原理进行了介绍。两套检测系统均包括声表面激发单元、声表面波检测单元和信号采集与处理单元，其中偏振系统在传统系统的基础上增加了起偏器、λ/4波片和λ/2波片，并将分光镜替换为偏振分光镜，故偏振系统中的光束为偏振光，使得偏振系统在消除共模噪声和增强信号方面具有显著效果。同时设计了FIR数字低通滤波器，较好地滤除了系统检测到的声表面波信号中的高频噪声。
　　5、通过处理实验测试得到的数据，计算得到了声表面波在铝、铜、钢三种金属样品中的传播速度，并与理论计算得到的数据进行对比，验证了系统在激发和检测声表面波方面的准确性;同时使激发光与检测光以固定间距扫过裂纹，通过绘制扫描过程中检测到的声表面波的峰-峰值变化曲线得到了裂纹的位置与宽度，并与光学轮廓仪中得到的裂纹宽度值进行对比，验证了系统在裂纹检测方面的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光声表面波技术

1．1．1 声表面波技术简介

1．1．2 激光声表面波检测技术

1．2 激光声表面波检测技术的国内外发展现状

1．3 课题研究的意义及研究内容

第二章 激光声表面波激发与传播的有限元仿真研究

2．1 有限元热应力仿真分析简介

2．1．1 皮肤模型简介

2．1．2 载荷函数的模拟

2．1．3 有限元仿真过程

2．2 脉冲激光参数对激发声表面波的影响

2．2．1 脉冲能量的影响

2．2．2 脉冲上升时间的影响

2．2．3 激光光束半径的影响

2．2．4 吸收系数和散射系数的影响

2．3 皮肤表面黑色素瘤的检测

2．4 有限元结构仿真分析简介

2．3．1 有限元模型

2．3．2 加载与求解

2．4 表面裂纹对声表面波传播的影响

2．4．1 声表面波在无裂纹模型中的传播

2．4．2 声表面波在具有表面单裂纹模型中的传播

2．4．3 声表面波在具有表面多裂纹模型中的传播

2．5 本章小结

第三章 声表面波激发与传播的光学实验系统研究

3．1 传统迈克逊干涉仪及其原理

3．1．1 等倾干涉与等厚干涉原理

3．1．2 干涉仪法检测声表面波原理

3．2 光学实验系统原理

3．2．1 经典迈克逊干涉仪与差分检测系统

3．2．2 偏振迈克尔逊干涉仪与差分检测系统

3．3 光学实验系统的搭建与测试

3．3．1 激发光与检测光相对距离判断方法

3．3．2 FIR低通滤波器设计

3．3．3 经典迈克尔逊干涉仪与差分检测系统实验测试

3．3．4 偏振迈克尔逊干涉仪与差分检测系统实验测试

3．5 本章小结

第四章 实验结果分析

4．1 无裂纹模型中声表面波的测试

4．1．1 脉冲重复频率对激发声表面波的影响

4．1．2 声表面波在介质中的传播速度

4．2 表面微裂纹的检测

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢