本發(fā)明涉及一種外差激光探測干涉儀，特別涉及一種板波(Lamb波)光干涉掃描探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在板波(Lamb波)研究領(lǐng)域，探測和確定小振幅表面振動的特點是非常重要的。對于KHz以上頻率的應(yīng)用，典型的最大的振幅大概在幾納米數(shù)量級。這種情況下環(huán)境的擾動對設(shè)備測量精度的影響非常顯著，非接觸的測量方法顯得尤為重要。激光干涉儀提供了非接觸的光學(xué)測量方法，可用來探測這種表面振動，一種簡便的方法就是采用零差邁克爾遜干涉儀，它包括測量臂和參考臂。將表面振動的樣品放置在測量臂上，表面振動引起測量臂上的光程差發(fā)生改變，相應(yīng)的與參考臂的相位差產(chǎn)生變化，這樣激光干涉儀將相位差轉(zhuǎn)變?yōu)閮杀凵瞎馐B加后的強(qiáng)度變化，最終的光強(qiáng)信號由光探測器接收。這樣在接收到的光強(qiáng)與表面振幅之間建立了聯(lián)系。光強(qiáng)的干涉項由式子(1)表示，I₁和I₂分別為參考臂和測量臂的光強(qiáng)，A為表面振動的振幅，f_SAW為表面振動的頻率，λ為激光的波長，為環(huán)境因素在兩束光之前引起的緩慢相位變化。

另外一種方法就是采用外差探測激光干涉儀，激光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分成兩束，之后使參考臂和測量臂中的某一束光的頻率對于原始頻率f發(fā)生微小的頻移f_m(f_m＜＜f)變?yōu)閒+f_m。測量臂經(jīng)過樣品表面反射最終與參考臂的光發(fā)生干涉作用，得到光強(qiáng)的干涉項為：

在外差探測中環(huán)境因素導(dǎo)致的緩慢相位變化僅僅作為總相位變化中的一部分，因此這種測量方法在普通的工作平面上即可探測(無需高精度的光學(xué)平臺)，并且?guī)缀醪皇軜悠繁砻娴拇植?、臺階起伏、反射率起伏的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，考慮到實驗室環(huán)境中不可避免存在著噪聲干擾，本發(fā)明提出一種外差激光探測和掃面平臺相結(jié)合的板波(Lamb波)光干涉掃描探測系統(tǒng)，以獲得樣品自聚焦二維表面的場分布信息。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種聲板波自聚焦光干涉掃描探測系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、功率放大器、位移平臺、探頭、壓電換能器、外差探測激光干涉儀、示波器和計算機(jī)，信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，通過壓電換能器作用在樣品上產(chǎn)生聲板波；外差探測激光干涉儀發(fā)出測量臂的激光照射在樣品表面經(jīng)反射返回，與參考臂的激光相干疊加產(chǎn)生干涉信號，位于位移平臺上的探頭探測到的干涉信號在示波器上顯示出相應(yīng)的波形；示波器和位移平臺分別與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，計算機(jī)用來控制位移平臺的掃描路徑和提取干涉信號波形的振幅與相位信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理獲得樣品聲板波的場分布信息。

所述信號發(fā)生器用于激發(fā)100KHz頻率的信號。

所述功率放大器與壓電換能器連接，壓電換能器位于樣品的表面。

進(jìn)一步地，所述位移平臺由X、Y、Z三軸掃描平臺構(gòu)成，其中X軸、Y軸的掃描平臺上下交疊放置，Z軸的掃描平臺垂直于XY平面；所述位移平臺由三軸控制器驅(qū)動。

優(yōu)選地，所述位移平臺的最小步長為1.25μm，最大移動速度為20mm/s，最大載重為10KG。

所述外差激光干涉儀包括1550nm光纖激光器、三個半波片、三個偏振分光鏡、兩個反射鏡、兩個1/4波片、聚焦透鏡、光折變晶體和光電探測器；1550nm光纖激光器發(fā)出的光經(jīng)過第一半波片和第一偏振分光鏡后分為透射光和反射光，其中透射光依次經(jīng)過第一反射鏡、第二偏振分光鏡、第一1/4波片和聚焦透鏡入射到樣品表面經(jīng)反射后返回，返回的光束通過第二半波片后與反射光通過第三半波片和第二反射鏡后的光束一起入射到光折變晶體上，發(fā)生相干疊加產(chǎn)生干涉信號，干涉信號經(jīng)過第二1/4波片和第三偏振分光鏡由光電探測器探測干涉后的光強(qiáng)。

優(yōu)選地，所述外差探測激光干涉儀的最大功率為2.5W，焦斑直徑為125μm。

所述計算機(jī)利用Labview程序?qū)悠飞厦總€點的振動信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，提取的數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)、相位和幅值，最終使用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲得掃描區(qū)域的場分布信息。

所述樣品的四周設(shè)有吸聲膠。吸聲膠由質(zhì)量百分比為55％-75％的環(huán)氧樹脂和質(zhì)量百分比為25％-45％的鎢粉組成。

優(yōu)選地，所述吸聲膠由質(zhì)量百分比為65％的環(huán)氧樹脂和質(zhì)量百分比為35％的鎢粉組成。

本發(fā)明的板波(Lamb波)波光干涉掃描探測系統(tǒng)結(jié)合了外差激光探測和自聚焦二維平面掃描，外差激光探測可以獲取樣品表面單個點的完全的板波(Lamb波)振動信息，同時不需要高精度的光學(xué)平臺且對環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的免疫能力，可以滿足大多情況下實驗室的使用。結(jié)合精密位移平臺(最小步長1.25μm)的自聚焦二維平面掃描，可以實現(xiàn)對宏觀大尺寸(厘米尺度)樣品板波(Lamb波)器件表面的宏觀尺度區(qū)域進(jìn)行快速(單點掃描時間間隔＜2秒)精確掃描，其中按照特定比例混合的吸聲膠在100KHz下可以達(dá)到4dBcm^-1的場吸聲效果，基本可以實現(xiàn)平面波無反射。通過示波器實時顯示每個點的干涉信號，并利用Labview程序?qū)γ總€點的振動信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取包括坐標(biāo)、相位和幅值，最終使用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲得掃描區(qū)域的場分布信息。本發(fā)明利用外差激光干涉儀探測樣品表面單點振動的功能與位移平臺相結(jié)合，可以按照需要實現(xiàn)對樣品表面某一區(qū)域以某一精度進(jìn)行掃描獲得該區(qū)域的場分布信息。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的聲板波(Lamb波)光干涉掃描探測系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明的聲板波(Lamb波)光干涉掃描探測系統(tǒng)中外差激光干涉儀的內(nèi)部光路示意圖；

圖3為本發(fā)明的自聚焦二維平面掃描樣品示意圖，(a)線聲源掃描樣品，(b)點聲源掃描樣品；圖中1-線聲源，2-吸聲膠，3-點聲源，4-掃描區(qū)域。

圖4為本發(fā)明的自聚焦線聲源掃描結(jié)果分布圖，其中(a)能量分布圖，(b)相位分布圖。

圖5為本發(fā)明的自聚焦點聲源掃描結(jié)果分布圖，其中(a)能量分布圖，(b)相位分布圖。

具體實施方式

掃描平臺和示波器與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，并利用Labview程序來設(shè)置掃描區(qū)域和掃描精度(步長)。示波器實時顯示掃描區(qū)域中每個點的干涉信號波形，Labview程序提取每個點的坐標(biāo)、相位和幅值信息。獲取的信息存入文件中，最后利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理獲取場分布圖。

如圖1所示，本發(fā)明的板波(Lamb波)光干涉掃描探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、位移平臺、光纖探頭、壓電換能器、外差探測激光干涉儀、示波器和計算機(jī)組成。其中信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)功率放大器放大后，通過設(shè)置在樣品表面的壓電換能器作用在樣品上，產(chǎn)生板波(Lamb波)。外差探測激光干涉儀發(fā)出測量臂的激光照射在樣品表面返回與參考臂激光相干疊加產(chǎn)生干涉信號，位于位移平臺上的光纖探頭探測到的干涉信號在示波器上顯示出相應(yīng)的波形。示波器和位移平臺與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，并利用Labview程序來控制掃描路徑和提取干涉信號波形的振幅和相位信息。

本實施例中，樣品采用304不銹鋼板，尺寸分別為100mm*300和300mm*300mm。信號發(fā)生器和示波器為Agilent公司生產(chǎn)的DSOX2024A集成信號發(fā)生器功能的新型示波器，帶寬200MHz。功率放大器采用隆儀電子科技的DGR-150W，最大輸入電壓信號10Vp-p，最大輸出功率150W，置于信號發(fā)生器后端，用于驅(qū)動壓電換能器。位移平臺由Zolix生產(chǎn)的型號分別為TSA-50，TSA-300，TSA-500，電動位移臺三軸互相垂直。通過Zolix公司TSA系列位移臺控制器可以實現(xiàn)對三軸掃描平臺的驅(qū)動，即實現(xiàn)自聚焦二維掃描，同時進(jìn)行焦距的判斷，實驗自聚焦自聚焦二位掃描。其中電動位移臺最小步長1.25μm，最大移動速度20mm/s，最大載重10KG。

所述外差探測激光干涉儀用來實現(xiàn)在掃描過程中對每一個點進(jìn)行測量，獲取每個點的位移和相位信息。本實施例中，外差探測激光干涉儀最大激光功率為2.5W，探測激光焦斑直徑125μm。圖2所示為外差激光干涉儀的內(nèi)部光路，1550nm光纖激光器發(fā)出的光經(jīng)過1/4波片和分光鏡后分為透射光和反射光，其中透射光(測量臂)依次經(jīng)過反射鏡、偏振分光鏡和透鏡入射到樣品表面經(jīng)反射后返回。反射光(參考臂)通過反射鏡后與經(jīng)樣品表面反射回來的透射光經(jīng)減法器由光電探測器探測干涉后的光強(qiáng)。

圖3為本發(fā)明的自聚焦二維平面掃描樣品示意圖，圖中黑色部分為吸聲膠用于防止Lamb波邊界反射。其中吸聲膠由環(huán)氧樹脂(55％-75％)，鎢粉(25％-45％)組成，本實驗中吸聲膠的組分配比為環(huán)氧樹脂(65％)，鎢粉(35％)，總的功率吸聲效果可以達(dá)到35dB，吸聲系數(shù)可以達(dá)到95％以上。圖3虛線部分為掃描區(qū)域，(a)圖中的掃描區(qū)域為40*80mm，(b)圖中的掃描區(qū)域為50*50mm。(b)圖中聲源位于左邊界外，掃描探頭在初始設(shè)定的路徑下對樣品表面逐點進(jìn)行掃描，然后利用Labview提取到的測量區(qū)域的振動情況數(shù)據(jù)，經(jīng)Matlab處理后得到的108.4KHz激勵信號下板波(Lamb波)能量分布圖。

圖4為本發(fā)明的自聚焦線聲源掃描結(jié)果分布圖，其中能量分布圖(a)對應(yīng)于圖3(a)，相位分布圖(b)對應(yīng)于圖3(b)。(a)圖中聲源位于掃描區(qū)域左邊界外，(b)圖中聲源位移掃描區(qū)域左上角，掃描探頭在初始設(shè)定的路徑下對樣品表面逐點進(jìn)行掃描，然后利用Labview提取測量區(qū)域的振動數(shù)據(jù)，經(jīng)Matlab處理后得到的108.4KHz激勵信號下板波(Lamb波)場強(qiáng)分布圖。

圖5為本發(fā)明的自聚焦點聲源掃描結(jié)果分布圖，其中振幅分布圖(a)對應(yīng)于圖3(a)，相位分布圖(b)對應(yīng)于圖3(b)。

上述實施例僅示例性說明本發(fā)明的原理及功效，而非限制本發(fā)明，任何不超出本發(fā)明實質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實質(zhì)性替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。