激光声表面波技术测量表面微裂纹的理论与系统研究

发布时间：2017-04-15 14:00

  本文关键词：激光声表面波技术测量表面微裂纹的理论与系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在精密机械加工、薄膜材料生产、微系统和微电子制造等产业中,材料表面微裂纹的产生和生长很大程度上直接影响材料的特性和产品的最终性能。因此,实现材料表面微裂纹的无损检测具有重要意义。作为一种新兴的超声检测技术,激光声表面波技术在检测和分析样品的表层特性方面具有独特优势。本文从研究声表面波的传播理论出发,通过有限元仿真模拟波在具有微裂纹样品表面的传播情况,设计并搭建了具有差分配置的干涉仪法检测声表面波系统,实现了单一介质和分层介质中微裂纹信息的测量。本文完成的主要工作如下:一、结合弹性理论、波传播理论、时频域信号分析等,推导了在不同边界条件下,声表面波在各向同性和各向异性的单一介质中的传播方程,建立了对应的计算模型;推导了声表面波在薄膜材料和分层介质材料中的计算模型,研究了表层材料密度和杨氏模量对波传播色散特性的影响。二、建立脉冲激光激发声表面波的仿真模型,研究了不同脉冲宽度、透射系数和散射系数等激光参数对激发波的影响;建立了基于位移函数的声表面波包络和带宽的数学模型,更为真实地反映波在具有单一裂纹和复数裂纹的金属样品表面的传播情况;对仿真结果进行编程计算,绘制时频域曲线,为实验提供理论指导,同时与实验结果相互验证。三、设计并搭建了具有差分配置的干涉仪法检测声表面波系统。对经典迈克尔逊干涉仪系统进行了改进,使其能够精确地检测微弱的声表面波信号;分析了系统的检测原理,研究了系统光学结构搭建和光路校准的技术要点。搭建的新型检测系统提高了整个测量系统的信噪比和稳定性,进而提高了对表面微裂纹的测量分辨率。四、应用搭建的激光声表面波检测系统,测量了金属材料和非金属样品表面的单一裂纹,根据声表面波峰峰值的变化,获取裂纹的位置、宽度等信息,提出应用于微裂纹形貌检测的双光束扫描法;测量了薄膜样品的表面裂纹并进行了分析;测量了分层材料上的微裂纹,同时对其杨氏模量进行了计算。将测量结果与商用仪器的测量结果进行对比,验证了测量的可靠性。
【关键词】：激光激发 声表面波 微裂纹 有限元 干涉仪 双光束扫描 形貌
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN249;O346.1
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 选题背景10-13
• 1.2 表面微裂纹检测的意义13-14
• 1.3 激光声表面波技术及其国内外研究现状14-22
• 1.3.1 激光声表面波的激发机制与检测技术14-18
• 1.3.2 激光声表面波技术检测裂纹的研究现状18-22
• 1.4 课题选题意义及研究内容22-24
• 第二章 声表面波的传播理论与算法研究24-44
• 2.1 波动方程及弹性刚度常数24-28
• 2.1.1 弹性介质中的波动方程24-26
• 2.1.2 弹性常数的简化26-27
• 2.1.3 立方晶系结构介质中的克里斯托弗尔方程27-28
• 2.2 单一介质中声表面波传播情况28-36
• 2.2.1 各向同性介质中的表面波28-32
• 2.2.2 在各向异性介质中的波传播情况分析32-33
• 2.2.3 在不同边界条件下的波传播情况分析33-36
• 2.3 在分层介质中传播的声表面波36-41
• 2.3.1 分层介质中的波方程37-39
• 2.3.2 分层条件下的声表面波传播情况分析39-41
• 2.4 仿真和实验中的声表面波信号处理算法41-42
• 2.5 本章小结42-44
• 第三章 声表面波的激发与传播的有限元仿真44-62
• 3.1 激光与介质的相互作用44-49
• 3.1.1 脉冲激光的模拟理论44-47
• 3.1.2 激光参数对激发位移场的影响47-49
• 3.2 激光激发声表面波的有限元模型49-53
• 3.2.1 仿真模型建立49-51
• 3.2.2 加载与求解51-53
• 3.3 仿真结果的分析与讨论53-61
• 3.3.1 无裂纹介质模型上波的传播分析53-54
• 3.3.2 具有单一裂纹的模型表面上波的传播分析54-56
• 3.3.3 具有分布式多裂纹的模型表面上波的传播分析56-59
• 3.3.4 亚表面具有单一裂纹模型表面上波的传播分析59-60
• 3.3.5 铜薄膜模型上波的传播分析60-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 基于干涉仪法的激光声表面波检测系统62-90
• 4.1 经典迈克尔逊干涉仪及其原理62-66
• 4.1.1 经典迈克尔逊干涉仪62-63
• 4.1.2 等倾干涉与等厚干涉63-65
• 4.1.3 干涉仪法检测声表面波原理65-66
• 4.2 具有差分配置的干涉仪法检测声表面波系统设计与搭建66-77
• 4.2.1 系统总体设计66-67
• 4.2.2 实验仪器性能测试与选择67-71
• 4.2.3 系统的光学结构71-77
• 4.3 差分配置性能测试与噪声分析77-80
• 4.3.1 差分配置性能测试77-79
• 4.3.2 系统噪声分析79-80
• 4.4 信号滤波80-83
• 4.4.1 无失真传输与理想滤波器80-81
• 4.4.2 数字低通滤波器81-83
• 4.5 系统性能测试83-87
• 4.5.1 激发光与检测光的定位83-84
• 4.5.2 声表面波激发性能测试84-86
• 4.5.3 系统可重复性测试86-87
• 4.6 本章小结87-90
• 第五章 微裂纹测试实验与结果分析90-114
• 5.1 无裂纹介质中的声表面波检测90-93
• 5.1.1 金属样品中的声表面波90-93
• 5.1.2 非金属样品中的声表面波93
• 5.2 单一介质中的微裂纹检测93-102
• 5.2.1 人工微裂纹的制备93-95
• 5.2.2 金属样品微裂纹检测95-99
• 5.2.3 非金属样品微裂纹检测99-100
• 5.2.4 与光学轮廓仪的对比测试100-102
• 5.3 双光束扫描法检测微裂纹表面形貌102-104
• 5.4 薄膜与分层介质中的微裂纹检测104-113
• 5.4.1 薄膜材料中的微裂纹检测104-108
• 5.4.2 分层介质中的微裂纹检测108-113
• 5.5 本章小结113-114
• 第六章 总结与展望114-118
• 6.1 论文完成的主要工作114-115
• 6.2 论文的创新点115-116
• 6.3 工作展望116-118
• 参考文献118-128
• 发表论文和参加科研情况说明128-130
• 致谢130-131

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  本文关键词：激光声表面波技术测量表面微裂纹的理论与系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

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