專利名稱：功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對材料的性能進(jìn)行分析的方法，具體的說是一種對功能梯度材料的表面和近表面進(jìn)行分層層析方法。
背景技術(shù)：
表面硬化等功能梯度材料已被廣泛地應(yīng)用到航空、船舶、汽車等現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，如何快速獲取材料的性能參數(shù)是檢測領(lǐng)域的研究熱點之一。聲對介質(zhì)材料的可穿透性為材料的微區(qū)物理性能和不均勻性檢測，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的非破壞性觀察提供了可能。目前傳統(tǒng)的成熟檢測手段如掃描電子聲顯微鏡(SEAM)、聲學(xué)顯微鏡，超聲檢測系統(tǒng)等都無法為功能梯度材料提供可靠的表面和近表面性能參數(shù)。因此開發(fā)新型的功能梯度材料彈性性質(zhì)深度剖面表征技術(shù)是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是利用計算全息和掃描技術(shù)，提出一種功能梯度材料彈性參量的深度剖面表征和缺陷分析的新方法。
2、技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于它包括以下步驟(1)利用計算全息技術(shù)調(diào)制脈沖激光，在材料表面激發(fā)柵距可變的柵源，利用相應(yīng)柵源在材料表面激發(fā)不同頻率聲表面波；(2)利用常用的激光檢測方法，檢測柵源區(qū)被激發(fā)的聲表面波信號，通過傅氏變化，獲得被激發(fā)的聲表面波頻率，根據(jù)柵距和頻率的關(guān)系，獲得微區(qū)的聲表面波色散曲線。
(3)利用訓(xùn)練后的神經(jīng)元，反演各微區(qū)深度剖面的彈性參數(shù)，再通過掃描獲得整個材料表面和近表面的彈性參數(shù)分層層析。
在上述步驟(1)中，是利用空間相位調(diào)制器調(diào)制脈沖激光從而獲得材料表面所需熱柵源。
在步驟(2)中，通過改變空間相位調(diào)制器上相位分布使激發(fā)區(qū)的被激發(fā)柵源間距變化，檢測相應(yīng)聲波，獲得激發(fā)區(qū)的聲色散曲線。
在步驟(3)中，通過掃描法獲得材料各微區(qū)深度方向的彈性參量變化，并根據(jù)各微區(qū)深度方向的彈性參數(shù)變化關(guān)系，通過圖象處理技術(shù)，獲得材料表面和近表面的分層層析。
3、有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)點(1)使用計算全息技術(shù)，并利用透射式空間相位調(diào)制器獲得所需要的各類激發(fā)面源，使光路調(diào)節(jié)簡單快速；(2)使用多層神經(jīng)元分析技術(shù)，使數(shù)據(jù)反演快速準(zhǔn)確；(3)使用微區(qū)掃描技術(shù)獲得材料表面在深度方向的分層分析，解決了表面硬化材料等表面和近表面的分層層析和表征問題，具有極高的應(yīng)用前景。
四

圖1是功能梯度材料的表面和近表面分層層析工作原理圖。
圖2是程序框圖，(a)調(diào)用各全息相位圖子程序，(b)系統(tǒng)主程序框圖。
圖3是空間相位調(diào)制器工作原理圖。
圖4是功能梯度材料表面柵間距為λ的熱柵分布圖。
圖5是(a)功能梯度材料表面被激發(fā)的聲表面波，(b)被激發(fā)聲表面波的頻譜。
圖6是通過改變柵間距方法，在被測材料同一微區(qū)所測聲色散曲線。
圖7是利用數(shù)據(jù)反演所獲得的被檢測功能梯度材料微區(qū)深度方向彈性參數(shù)變化曲線，(a)為功能梯度材料密度隨深度變化曲線，(b)功能梯度材料楊氏模量隨深度變化曲線，(c)功能梯度材料泊松比隨深度變化曲線。
圖8是功能梯度材料在距表面0.2毫米處的密度分布圖，其亮度部分為不均勻缺陷位置。
五具體實施例方式
圖1是本發(fā)明功能梯度材料的表面和近表面分層層析的工作原理圖，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作過程進(jìn)行詳細(xì)闡述1)、首先利用計算全息技術(shù)，根據(jù)激光的波長、目標(biāo)空間位置等計算在功能梯度材料表面產(chǎn)生各種柵間距所需的相位分布圖，利用LabView、C、Visual C++等編寫各相位圖的調(diào)用控制軟件(該子程序框圖如圖2(a)所示)，并顯示在透射式空間相位調(diào)制器(如透射式LCD)上；當(dāng)激光通過該相位調(diào)制器時(如圖3所示)，在功能梯度材料表面產(chǎn)生柵間距為λ(如圖4所示)的熱柵分布；當(dāng)激發(fā)源達(dá)到一定的強(qiáng)度時，被測材料上將產(chǎn)生波長為λ，λ/2和λ/2n n＝2，3Λ的聲波；2)、使用光學(xué)檢測儀器如光偏轉(zhuǎn)、光干涉儀以及激光Doppler干涉儀檢測被測材料表面被激發(fā)區(qū)的聲表面波信號(如圖5(a)所示)，通過頻譜分析獲得該聲表面波的頻率f；由圖5(b)頻率譜可知該被激發(fā)的聲波頻率為19MHz和37.9MHz，該聲表面波分別由一級衍射和二極衍射光產(chǎn)生，其聲波波長分別為λ和λ/2；根據(jù)頻率與波長的關(guān)系獲得該表面波的聲波速度V＝λf；3)、通過控制軟件調(diào)用不同的全息相位分布圖，并顯示在透射式空間相位調(diào)制器上，這樣在被測材料同一微區(qū)產(chǎn)生不同頻率的聲表面波，如被測材料為深度方向功能梯度材料，則不同頻率的聲表面波聲速將發(fā)生變化，可獲得被測材料同一微區(qū)的聲色散曲線(如圖6所示)；4)、根據(jù)微區(qū)聲色散曲線，使用已訓(xùn)練的神經(jīng)元數(shù)據(jù)反演聲色散曲線，獲得被測材料微區(qū)深度方向的彈性參數(shù)變化(如圖7所示)；5)、使用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)或轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)掃描整個被測材料表面，在各微區(qū)重復(fù)2、3、4過程，獲得各微區(qū)深度方向的彈性參數(shù)變化曲線，將各微區(qū)深度方向彈性參數(shù)聯(lián)立，使用分析軟件顯示被測材料不同深度位置的彈性參數(shù)，實現(xiàn)材料深度方向的分層層析(該主程序框圖如圖2(b)所示)。圖8為功能梯度材料在距表面0.2毫米處的材料密度分布圖。其亮度部分為材料中缺陷位置。
權(quán)利要求
1.一種功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于它包括以下步驟(1)利用計算全息技術(shù)調(diào)制脈沖激光，在材料表面激發(fā)柵距可變的柵源，利用相應(yīng)柵源在材料表面激發(fā)不同頻率聲表面波；(2)利用常用的激光檢測方法，檢測柵源區(qū)被激發(fā)的聲表面波信號，通過傅氏變化，獲得被激發(fā)的聲表面波頻率，根據(jù)柵距和頻率的關(guān)系，獲得微區(qū)的聲表面波色散曲線。(3)利用訓(xùn)練后的神經(jīng)元，反演各微區(qū)深度剖面的彈性參數(shù)，再通過掃描獲得整個材料表面和近表面的彈性參數(shù)分層層析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于步驟(1)是利用空間相位調(diào)制器調(diào)制脈沖激光從而獲得材料表面所需熱柵源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于在步驟(2)中，通過改變空間相位調(diào)制器上相位分布使激發(fā)區(qū)的被激發(fā)柵源間距變化，檢測相應(yīng)聲波，獲得激發(fā)區(qū)的聲色散曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于在步驟(3)中，通過掃描法，獲得材料各微區(qū)深度方向的彈性參量變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法，其特征在于在步驟(3)中，根據(jù)各微區(qū)深度方向的彈性參數(shù)變化關(guān)系，通過圖象處理技術(shù)，獲得材料表面和近表面的分層層析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表征和分析功能梯度材料表面和近表面性質(zhì)的分層層析方法，該方法是利用聲表面波的穿透性，根據(jù)不同頻率聲表面波在功能梯度材料表面?zhèn)鞑バ再|(zhì)，建立功能梯度材料的表面和近表面分層層析，其主要有以下幾部分組成1.利用計算全息技術(shù)，通過調(diào)制空間相位技術(shù)調(diào)制脈沖激光，在被測材料上產(chǎn)生不同波長的聲表面波；2.利用常用的光學(xué)檢測儀器，測量被激發(fā)微區(qū)所產(chǎn)生的聲表面波信號，獲得相應(yīng)的聲色散特性；3.根據(jù)聲表面波在多層材料中傳播模型，訓(xùn)練神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，并通過已訓(xùn)練的神經(jīng)元，實現(xiàn)微區(qū)深度方向的材料性質(zhì)表征；4.利用激發(fā)源和檢測光的逐點掃描，實現(xiàn)功能材料表面和亞表面彈性性質(zhì)的分層層析。
文檔編號G01N21/63GK101055265SQ20071002239
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者徐曉東, 劉曉峻, 吳大建, 吳雪煒, 程營, 王敬時 申請人:南京大學(xué)