一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置和方法与流程

本发明涉及超声声场的定量测量，特别涉及一种高稳定性的动态光弹超声定量测量方法和系统。

背景技术：

固体中超声声场的定量测量对于研究超声在固体中的传播和散射规律，开发超声无损检测新技术具有重要意义。在文献《超声在固体中的散射》中，介绍了一种动态激光光弹超声成像设备，并论述了定量测量透明固体中超声声场的方法。

大部分超声应力定量测量方法都具有一定局限性，仅能测量表面的声应力，对于固体内部声场定量测量方法目前仅有光弹实验方法。然而，现存的光弹定量测量方法在文献《光弹性原理及测试技术》和《透明固体中声应力的光弹法定量测量》中有描述，以补偿法为主，即人为的制造一个已知相位差，与被测点的未知相位差相抵消，从而获得测点的相位差值，不过该方法存在调节、判读过程不准确，难以精确并稳定地定量测量的问题。

在定量测量实验中需要精确测量出应力引起的相位差，故对检偏器旋转角度的准确定位对于测量结果的准确性具有重要意义。若直接手动旋转镜架，目视读取，将带来非常大的误差。本发明设计了电动旋转镜架，其采用步进电机控制，分辨率为0.01°，绝对定位精度可达0.02°。通过软件控制镜架的旋转和相机的采集，每旋转检偏器一个角度，同时测量该点的光强，旋转180°后，可绘制一个周期的变化曲线。然后根据式出射光强与检偏器旋转角度的表达式，对实验测量值进行拟合，通过拟合后的曲线来判读相位差值，可以获得较高的定量测量精度，并且具有较高的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是给出一种高稳定性的动态光弹超声定量测量方法和系统，以对固体内部的超声声场进行精准地定量测量。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置，包括：同步延时系统、激光器、毛玻璃、超声发射系统、超声换能器、和相机，还包括线偏振系统；同步延时系统连接激光器和超声发射系统，激光器将光射入毛玻璃，毛玻璃将入射光线折射后，通过线偏振系统，最后光线进入相机。

优选地，线偏振系统，具体包括：准直透镜、起偏器、检偏器和成像透镜。

优选地，通过线偏振系统，具体为：依次通过准直透镜、起偏器、样品、检偏器和成像透镜。

优选地，起偏器和检偏器与电控旋转镜架相连。

优选地，线偏振系统与测量点主应力方向为45°。

另一方面，本发明还提供了一种高稳定性的动态光弹超声定量测量方法，包括以下步骤：步骤一：当偏振轴与测量点主应力方向重合时，该点消光，故可以得到主应力方向；步骤二：放置四分之一波片，调整其光轴与线偏振系统光轴一致，通过旋转四分之一波片，确定光强最大点，即为四分之一波片光轴与线偏振系统光轴一致的点；步骤三：旋转检偏器角度β，得到测点光强为零点处，从而确定待测样品声应力引起的双折射相位差Δ。

优选地，线偏振系统与测量点主应力方向为45°。

本发明有益效果是，在实际应用中，可显著提高系统超声定量测量的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置示意图；

图2为超声换能器的辐射声场示意图；

图3为旋转线偏振轴与光强值坐标示意图；

图4为检偏器旋转角度与光强坐标示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本实施例验证本发明定量测量的高稳定性。为一个测量纵波换能器辐射声场中某点主应力大小的例子。

图1为本发明实施例提供的一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置示意图。

如图1所示，一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置，包括：同步延时系统、激光器、毛玻璃、超声发射系统、超声换能器、准直透镜、起偏器、检偏器、成像透镜和相机。

同步延时系统连接激光器和超声发射系统，激光器将光射入毛玻璃，毛玻璃将入射光线折射后，依次通过准直透镜、起偏器、样品、检偏器和成像透镜，最后光线进入相机。

起偏器和检偏器与电控旋转镜架相连，并且共同构成线偏振系统。线偏振系统与测量点主应力方向为45°。

另一方面，本发明还提供一种高稳定性的动态光弹超声定量测量方法，包括以下步骤：步骤一：当偏振轴与测量点主应力方向重合时，该点消光，故可以得到主应力方向；步骤二：放置四分之一波片，调整其光轴与线偏振系统光轴一致，通过旋转四分之一波片，确定光强最大点，即为四分之一波片光轴与线偏振系统光轴一致的点；步骤三：旋转检偏器角度β，得到测点光强为零点处，从而确定待测样品声应力引起的双折射相位差Δ。

图2为超声换能器的辐射声场示意图。

光弹图像如图2所示，超声换能器置于样品上方，向下辐射声波。下方最亮的条纹为纵波，后面的条纹为边缘横波。实验中所测点以“+”标记，该点的声波可认为是平面纵波，容易通过主应力差求得超声传播方向的主应力大小，相关方法可参考现有技术，此处不再赘述。首先同时旋转起偏器和检偏器的情况，并自动记录测点的光强值随旋转角度的变化曲线。

图3为旋转线偏振轴与光强值坐标示意图。

图4为检偏器旋转角度与光强坐标示意图。

如图3所示，该曲线表明消光点在62°处，我们再同时旋转起偏器和检偏器-45°，从而使得线偏振系统与测点主应力方向成45°。放置四分之一波片，按照步骤二操作，调整四分之一波片的光轴与线偏振系统光轴一致。接着，单单旋转检偏器，可得到一条确定主应力方向的曲线，并对选定测点的相位差进行10次独立重复测量，每次测量结果均通过前述的自动判别方法得到，实验数据和拟合曲线如图4所示。由于光源发射的是单色光，可用相机采集的图像灰度值来代表相对光强值。由于相机采集的是8位图像，其最大灰度值为255，因此实验数据出现平顶现象。考虑到我们判读的是灰度最小值，平顶不会对测量结果产生影响。10次测量得到β的平均值为25.78°(应力引起的相位差为β的2倍，即55.16°)，相对标准偏差为0.91％，证明实验系统和测量方法具有较高的稳定性。

实验样品(K9玻璃)的应力光学系数为2.7×10^-12/Pa，厚度为3cm,k9玻璃光波长为532nm，K9玻璃的折射率主应力差为：

Δσ＝λα/(360Bd·n_e)＝0.663MPa

纵波传播方向上的主应力大小为0.91MPa。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。