一种金属材料线膨胀系数的激光超声测试装置及方法与流程

本发明属于线膨胀系数测量领域，特别涉及一种金属材料线膨胀系数的激光超声测试装置及方法。

背景技术

线膨胀系数表示材料膨胀或收缩的程度。通过对材料线膨胀系数随温度变化曲线的测定，可以进行材料矿物分析、相变、微裂纹的愈合和扩展等的研究。目前，常见的线膨胀系数测量方法包括应变片法、压力计法、光杠杆法、光纤位移传感器法、干涉法等。而采用超声法开展线膨胀系数测量的方法并不多见，cn103499642a公开了一种在线测试材料压缩系数和膨胀系数的方法和装置，通过建立比容、压缩系数或膨胀系数与声速的回归方程，求解压缩系数和膨胀系数，但这种方法需要结构复杂的标定装置，且装置中的柱塞杆在不同温度下热膨胀对超声传播时间的确定影响较大，从而引起较大误差；专利cn107884434a公开了一种基于超声波的智能金属线胀系数测量装置，利用超声纵波沿金属棒传播的特点，直接根据接收信号来计算金属棒在不同温度时的长度，但纵波信号较大的时间展宽，很难根据纵波信号精确计算不同温度时的膨胀量变化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金属材料线膨胀系数的激光超声测试装置及方法，通过通过探测扫描激光在不同位置激发的声表面波，采用波形相关算法精确计算波速；根据声表面波总是沿圆柱表面传播的特点，精确得到声表面波在直径两端激发和探测时的传播时间，从而获得不同温度下的金属样品半径变化，进而精确计算线膨胀系数。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种金属材料线膨胀系数的激光超声测试装置，包括nd：yag激光器、分光镜、光电管、聚焦镜、温控加热片、超声传感器、示波器及电脑，其中，nd：yag激光器作为超声波的激发源；分光镜反射部分脉冲激光；光电管接收脉冲激光，转换成电信号，作为示波器采集数据的触发型号；聚焦镜nd：yag激光器激发的脉冲激光，作为超声波的激发源；温控加热片加载在圆柱样品两侧，控制金属样品恒定温度；超声传感器加载在圆柱表面的固定位置d点，探测脉冲激光激发的沿圆柱样品表面传播的声表面波；示波器采集激光干涉仪探测到的声波信号数据，显示声波信号并转换为数字信号；电脑控制脉冲激光器、分光镜及聚焦镜在精密旋转平台上以固定角度转动，使脉冲激光在金属圆柱样品表面不同位置(p1、p2、p3……pn)聚焦，记录脉冲激光在不同位置激发的声表面波、体波信号的数据。

利用上述装置的金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法，包括以下步骤：(1)关闭温控加热片，在室温下，脉冲激光在样品表面p1位置激发声表面波，超声传感器在d点位置探测声表面波，探测首次到达的声表面波信号，传播路径为p1→d；

(2)保持金属样品温度不变，步进移动脉冲激光激发源的位置pn(n＝2，3，……，n)，在d点位置分别探测不同激发位置由近弧面路径到达的声表面波，并记录信号的传播时间t(n)；移动激光激发源至pm位置，使由近弧面路径和远弧面路径传播的声表面波信号完全重叠，记录信号的传播时间tm；

(3)启动温控加热片，将样品温度从20℃加热至恒定温度t1(t1小于金属样品熔点)，重复步骤1和步骤2，得到t1温度时不同位置pn(n＝1，2，3，……n，n≥3)位置的超声信号的近弧面路径传播时间t(n)1，以及pm位置的传播时间tm1；(4)分别对温度为20℃和t1时p1到pn位置的超声信号进行数据处理，采用波形相关算法处理系列信号数据，计算声表面波传播速度；

(5)根据pm位置激发声表面波的传播时间，结合声表面波传播速度，计算不同温度时的样品半径；

(6)计算金属圆柱样品的线膨胀系数。

进一步，所述的金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法中波形相关算法的计算过程如下：设相邻位置激发的声波信号r(t)和s(t)，将测量信号r(t)和s(t)进行归一化相关运算，其相关系数为：

式中，τ表示信号s(t)相对于参考信号r(t)的时间延迟，b(τ)＝1时，则s(t)与r(t)完全相同，b(τ)为最大值时的取值τ即为两个波形的时间延迟。

更进一步，所述的金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法中提高声表面波的定位精度的计算过程如下：

对不同的测量点进行二次多项式拟合，得到下式：

f(x)＝ax²+bx+c

τ＝b-/2a就对应f(x)的最大值，即相关函数b(τ)取最大值时的位置，信号s(t)相对于r(t)的时间延迟δt＝-b/2a，根据相邻信号的时间延迟确定声表面波传播时间。

更进一步，所述的金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法中利用波形相关算法对n步的探测结果计算各步的时间相对延迟δt，步进电机移动探测光源在弧面上的步长为δx，得到波形的位置变化δx与δt的线性拟合关系，拟合直线的斜率为1/vr，vr即为声表面波波速。

更进一步，所述的金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法中增加激光探测的步数n，提高声表面波波速的计算精度。

与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

(1)测试装置简单，易于搭建；

(2)通过脉冲激光激发超声，实现无损检测，适合无损需求及在线应用；

(2)无测试材料以外的支架、顶杆等材料，不会因其他材料的膨胀而引入误差；

(3)通过扫描激光源方法及多信号处理方法，大幅提高测试精度。

附图说明

图1为本发明测试方法中所采用的测试装置示意图；

图2为典型激光超声信号，其中r表示由近弧面路径到达的声表面波；rr表示沿远弧面路径到达的声表面波；

图3为波形相关算法提取扫描激光源在相邻位置激发的声波信号；

图4为相关算法取值与多项式拟合；

图5为δx与δt的线性拟合图(斜率的倒数即为波速)；

图6为温升-应变测试及线膨胀系数。

具体实施方式

下面结合实施例与对比例对本发明作进一步的具体说明。

本发明中金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法所采用的测试装置示意图如图1所示，具体如下：

1.nd：yag激光器：发射脉冲激光(波长1064nm，脉宽5ns)，经过分光镜和聚焦镜后，在样品表面聚焦成点状光源(直径为100-300微米)，作为超声波的激发源。

2.分光镜：反射部分脉冲激光，使光电管接收到脉冲激光能量。

3.光电管：光电管接收脉冲激光(响应时间≤5ns)，转换成电信号，作为示波器采集数据的触发型号。

4.聚焦镜：聚焦nd：yag激光器激发的脉冲激光，使其在金属样品表面聚焦成点状光源(直径为100-300微米)，作为超声波的激发源。

5.温控加热片：加载在圆柱样品两侧，控制金属样品恒定温度，满足不同温度下的测试。

6.超声传感器：加载在圆柱表面的固定位置d点，探测脉冲激光激发的沿圆柱样品表面传播的声表面波。

7.示波器：采集激光干涉仪探测到的声波信号数据，显示声波信号并转换为数字信号。

8.电脑：控制脉冲激光器、分光镜及聚焦镜在精密旋转平台上以固定角度转动，使脉冲激光在金属圆柱样品表面不同位置(p1、p2、p3……pn)聚焦。记录脉冲激光在不同位置激发的声表面波、体波信号的数据，根据波形相关算法精确计算声表面波传播速度及传播时间，并计算传播路径变化。

采用上述装置，本发明中金属材料线膨胀系数的激光超声测试方法的具体步骤如下：

(1)关闭温控加热片，在室温(20℃)下，脉冲激光在样品表面p1位置激发声表面波，超声传感器在d点位置探测声表面波，探测首次到达的声表面波信号，传播路径为p1→d；

(2)保持金属样品温度不变，步进移动脉冲激光激发源的位置pn(n＝2，3，……，n)，在d点位置分别探测不同激发位置由近弧面路径到达的声表面波，并记录信号的传播时间t(n)；移动激光激发源至pm位置，使由近弧面路径和远弧面路径传播的声表面波信号完全重叠，记录信号的传播时间tm；

(3)启动温控加热片，将样品温度从20℃加热至恒定温度t1(t1小于金属样品熔点)，重复步骤1和步骤2，得到t1温度时不同位置pn(n＝1，2，3，……n，n≥3)位置的超声信号的近弧面路径传播时间t(n)1，以及pm位置的传播时间tm1；(4)分别对温度为20℃和t1时p1到pn位置的超声信号进行数据处理，采用波形相关算法处理系列信号数据，计算声表面波传播速度；

(5)根据pm位置激发声表面波的传播时间，结合声表面波传播速度，计算不同温度时的样品半径；

(6)计算金属圆柱样品的线膨胀系数。

本发明测试线膨胀系数的原理为：通过探测扫描激光在不同位置激发的声表面波，采用波形相关算法精确计算波速；根据声表面波总是沿圆柱表面传播的特点，精确得到声表面波在直径两端激发和探测时的传播时间，从而获得不同温度下的金属样品半径变化，进而精确计算线膨胀系数。

金属圆柱样品的线膨胀系数α为：

其中r0为室温时的圆柱半径，r1为t1温度时的圆柱半径。

在t1温度下，扫描激光源在p1到pn位置时，声表面波波速(vr)与传播距离的关系为：

其中，ln为声表面波沿圆柱表面从pn点到d点的传播距离，θn为pn点到d点传播路径对应的角度，tr为声表面波的传播时间。

则当在pm位置时，可根据声表面波的传播时间tm计算不同温度时的金属圆柱半径：

r1＝(vr1tm1)/π(3)

步骤(1)到步骤(5)的测试过程中，扫描激光源激发不同位置的声表面波信号，精确测得不同温度下声表面波的波速及传播时间，可计算得不同温度时的金属圆柱样品半径，代入公式(1)中便可得金属材料的线膨胀系数。

需要进一步说明的是，声表面波波速和传播时间的测试精度决定了线膨胀系数的计算精度。

声表面波的传播时间由波形信号直接读取，由于采用响应时间小于5ns的光电管触发示波器接收信号，能够保证足够高精度的传播起点时间，因此传播时间的误差主要存在于波形在时间轴上取值误差。如图2所示的超声信号，声表面波(图中标注为r)在时间上展宽小于0.05μs(包含20个数据点以上)，且由于声表面波的传播特性，其信号具有显著的尖锐峰，因此以该峰值位置的时间为参考，在信号取值时能保证声表面波的传播时间误差小于2.5ns。

对激光源在p1到pn位置激发的系列超声信号，采用波形相关算法精确计算表面波的速度和速度变化。计算过程如下：设相邻位置激发的声波信号r(t)和s(t)，如图3所示。

将测量信号r(t)和s(t)进行归一化相关运算，其相关系数为：

式中τ表示这信号s(t)相对于参考信号r(t)的时间延迟。对于任意连续的两个声表面波波形，根据公式(4)，相关系数在0到1之间发生相应的变化，当相关系数到达最大值时，即信号s(t)与参考信号r(t)最相似，比如b(τ)＝1，则s(t)与r(t)完全相同。此时，b(τ)为最大值时的取值τ即为两个波形的时间延迟。由于声表面波的定位精度最大为示波器的采样周期t，为了进一步提高这一精度，对不同的测量点进行二次多项式拟合，如图4所示，得到下式：

f(x)＝ax²+bx+c(5)

这样τ＝-b/2a就对应f(x)的最大值，这个值也是相关函数b(τ)取最大值时的位置，也即信号s(t)相对于r(t)的时间延迟δt＝-b/2a，根据相邻信号的时间延迟确定声表面波传播时间。

利用上述波形相关算法对n步的探测结果计算各步的时间相对延迟δt，步进电机移动探测光源在弧面上的步长为δx，便可得到波形的位置变化δx与δt的线性拟合关系，如图5所示，拟合直线的斜率为1/vr，vr即为声表面波波速。增加激光探测的步数n，可以提高声表面波波速的计算精度。

将精确测算的声表面波速度vr和tm，便可由公式(1)和(3)计算得金属样品材料的线膨胀系数。

现测量铝合金圆柱样品(加工半径10mm)的线膨胀系数，采用步骤(1)-(5)测试激光激发的声表面波信号，并精确计算声表面波在不同温度下的传播速度vr，结合到达时间tm，可得样品在不同温度时的半径变化如表1所示，拟合半径变化和温度的关系曲线可得材料的线膨胀系数为20.7×10^-6/℃。

表1铝合金圆柱样品(r＝10mm)的测试数据

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。