[發明專利]高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法

有效

• 申請號: 201910982656.0
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110672047B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 鄭凱;李俊燕;周沁喬;倪辰蔭;武興;沈中華;馬向東
• 申請（專利權）人: 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院;南京理工大學
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 南京千語知識產權代理事務所(普通合伙) 32394
• 代理人: 尚于杰

1.高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法，其特征在于，包括如下步驟:

步驟一、搭建高溫激光超聲測厚實驗裝置：包括激光器、電控平移臺、安裝在電控平移臺上的反射鏡和柱面透鏡、激光測振儀、示波器和計算機；

激光器發出激發光，經反射鏡反射后被柱面鏡聚焦形成線形光斑，然后入射在位于加熱爐中的樣品表面，激發樣品表面產生超聲縱波，超聲縱波在樣品內傳播，并經樣品內部底面反射后傳播至樣品上表面，激光測振儀探測到超聲縱波信號后，傳送給示波器和計算機；激發光入射樣品表面的點記為激發點，超聲縱波射出樣品表面的點記為探測點，激發點和探測點位于樣品同一側；

步驟二、在計算機控制下，電控平移臺搭載反射鏡和柱面透鏡以固定步長l進行脈沖式直線運動，逐漸向探測點靠近，即移動激發點，以掃查的方式測量樣品厚度；

每移動一個固定步長l，激光測振儀能夠測得相應激發點和探測點之間的距離x_i，以及超聲縱波在樣品中傳播的時間t_i；則電控平移臺搭載反射鏡和柱面透鏡移動n個固定步長后，計算機記錄了兩組數據，分別為(x₀,x₁,x₂,.......,x_i,.......x_n)，(t₀,t₁,t₂,.......,t_i,.......t_n)，其中n為自然數；

設定超聲縱波在樣品中傳播的路程為2s_i，樣品的厚度為d，超聲縱波在樣品中傳播速度為v_l，樣品厚度均勻，且上、下表面均較平滑；則各物理量之間存在以下關系：

2s_i＝v_l·t_i (1)

根據公式(1)(2)于是有:

x_i²＝v_l²·t_i²-4d² (3)

其中，i為自然數，i∈[0,n]；

步驟三、計算得出高溫樣品的厚度：

對步驟二中測得的兩組數據，以x作為縱坐標，以t為橫坐標，建立直角坐標系，對n個坐標值(t_i,x_i)做線性擬合；

由式(3)可得，所得直線的斜率即為體縱波波速的平方v_l²，-4d²為截距，即可計算出超聲縱波在樣品中傳播速度v_l和樣品的實際厚度d；

若不考慮由于人為操作不當引起的粗大誤差，則樣品的測厚誤差主要由系統誤差δd和隨機誤差兩部分構成；

由于樣品厚度則系統誤差δd可由式(5)表示，主要來源于超聲縱波到達探測點的時間測量誤差δ(Δt)和光源移動距離誤差δ(x)，可得：

其中，δ(x)為電控平移臺指標參數，δ(Δt)為示波器采樣間隔，均為已知參數，結合激發點的掃查路徑和超聲縱波信號到達探測點的時間，計算得到系統誤差δd，同時通過對比可以得出測厚誤差的主要來源為系統誤差，隨機誤差可以忽略；

所述激發光入射在樣品表面激發出的超聲波包括：超聲縱波、表面波和掠面縱波；

激光測振儀每次探測超聲波信號后，首先提取經樣品底面反射的超聲縱波信號，通過互相關算法可獲得超聲縱波到達探測點的時間t_i；

所述互相關算法如下：取激發點與探測點間距離xi＝0.5mm時，獲取的超聲縱波信號作為參考信號r(t)；x_i為其他值時，獲取的超聲縱波信號記為s(t)；對參考信號r(t)和s(t)進行歸一化相關運算，其相關系數為：

式中，τ表示s(t)相對于參考信號r(t)的時間延遲；

根據上式(4)，對于任意連續的兩個超聲波信號，相關系數B(τ)在0到1之間發生相應的變化，由此計算出時間t_i。

2.根據權利要求1所述的高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法，其特征在于，所述激光測振儀的激光傳感探頭前設置有便于收集探測光束的凸透鏡。

3.根據權利要求1或2所述的高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法，其特征在于，所述激發光入射在樣品表面，形成的線形光斑長度為8mm，寬度為0.1mm。