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专利名称：扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法
技术领域：
本发明涉及基于扫描超声波显微镜的薄层材料特性测量领域，特别涉及一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性參数的方法。
背景技术：
目前，薄层材料的超声波无损检测技术广泛应用于层间粘合质量的检测、汽车表面防护涂层的定征、金属薄层均匀性的检查等领域。通过超声波手段进行无损检测，要求根据通行的強制性标准来判别材料的声学及几何特性。因此，測量过程中，需要測定材料的声速、声衰减系数、密度及厚度等參数的具体值并得出各參数间的相互关系。在已有的研究中，Chang和Flynn通过超声波反射信号测出了材料的声速与声衰减系数；Yao等人建立了薄层材料的声阻抗、渡越时间、声衰减系数等參量与其反射系数谱的解析关系，因此，可以根据声阻抗、渡越时间、声衰减系数与反射系数四个參数其中ー个的测值得到其他三个參数的值。Gracuet和Hosten使用平探头测得材料的纵波速度、声衰减系数、密度及材料厚度；但由于薄层材料相邻界面的回波信号相互重合，这ー方法不适用于薄层材料特征參数的检测。Lavrentyev等人利用声波分别正入射和斜入射所得到的数据同时测得材料的横波声速、纵波声速、横波声衰减系数、纵波声衰减系数、密度及厚度。也有不少学者利用扫描超声波显微镜进行薄层材料特性參数定征。因为点聚焦探头的横向分辨率很高，可以达到几十到几微米，甚至到亚微米级别。因为扫描超声波显微镜也常用来做薄层材料局部特性參数的精确测量。根据声波小角度入射吋，反射系数与反射信号峰值呈线性关系的原理，Hisekorn通过向金属圆盘表面发射超声波信号测得其声阻杭；而表面波色散曲线可以反映材料的厚度、声速等信息。Xu利用材料表面泄露的兰姆波测得ー种接合处粘胶层的纵波声速、横波声速及其厚度。Titov通过测量并分析薄层的以0和CO为变量的反射系数得出材料表面泄露波的相关參数；再通过最小二乗法拟合可以由表面泄露波的声速逆向求得薄层的厚度与声速。此外，通过将点聚焦探头分别聚焦于薄层材料上下两界面处，和对回波信号的分析可以同时得到材料的厚度、横波声速、纵波声速；为了保证上下表面的回波可以很好的区分开来，要求这ー过程中使用的超声波频率足够闻。美国俄亥俄州立大学的Rokhlin教授利用三个超声波探头来实现斜入射和垂直入射，得到斜入射和垂直入射下的薄层材料反射系数谱，通过两个反射系数谱的拟合，求得薄层材料厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度六个參数值，但是这种方法所需硬件设备复杂，而且因为采用的是平探头，所以平面检测分辨率不高。综上所述，有必要提出一种可以同时测量薄层材料多參数的方法，而且测量设备又简单可靠，横向測量分辨率高。

发明内容
本发明的目的在于突破现有方法硬件结构复杂，横向測量精度有限，适用范围不广等不足，提供一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性參数的方法。扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性參数的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波聚焦探头(I)、三维直线电机Z轴运动平台(2)、三维直线电机Y轴运动平台(3)、三维直线电机X轴运动平台(4)、电机控制器(5)、超声波发射接收器出)、计算机(7)、薄层材料(8)、基体材料(9)、水槽(10)、三维直线电机Z轴运动导轨
(11)、三维直线电机Y轴运动导轨(12)、三维直线电机X轴运动导轨(13)，水槽(10)底部放有基体材料(9)，基体材料(9)上设有薄层材料(8)，基体材料(9)上方设有超声波聚焦探头(I)，超声波聚焦探头(I)上端固定于三维直线电机Z轴运动平台(2)之上，三维直线电机Z轴运动平台(2)运动在三维直线电机Z轴运动导轨(11)上，三维直线电机Y轴运动平台(3)运动在三维直线电机Y轴运动导轨(12)上，三维直线电机X轴运动平台(4)运动在三维直线电机X轴运动导轨(13)上，超声波聚焦探头(I)与超声波发射接收器(6)相连，三维直线电机Z轴运动平台(2)及三维直线电机Y轴运动平台(3)与电机控制器(5)相连，计算机(7)分别与电机控制器(5)、超声波发射接收器(6)相连；其特征在于方法的步骤如下
1)将薄层材料(8)放置于基体材料(9)表面，并置于盛有水的水槽(10)中，开启扫描超声波显微镜；
2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于基体材料(9)正上方；
3)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于基体材料(9)上表面；
4)測量基体材料(9)的超声波回波信号V々，t)；
5)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的正上方；
6)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面；
7)測量薄层材料(8)的超声波回波信号V2(z，t)；
8)分别对K2fe，t),Vx{z,O进行ニ维傅里叶变换后相除，再乘以基体材料的以ち和 为变量的反射系数め(ち，《)，得到薄层材料的以丛和《为变量的反射系数弋(ち，《)，再由公式4= *C0S(〃)/C(1得到薄层材料的以9和CO为变量的反射系数弋(〃，《)，其中〃为超声波入射角，《为超声波频率，Ctl为水中声速，丛为超声波在水中波数的竖直分量;
9)选取薄层材料厚度初值ん、纵波声速初值C7tl、横波声速初值Crtl、纵波衰减系数初值 横波衰减系数初值ひ和密度初值P。，计算出薄层材料以〃和《为变量的反射系数
的理论值，通过对薄层材料(8)的以e和OJ为变量的反射系数ち(〃，CO)进行最小ニ乘法拟合，得出薄层材料(8)的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的最优值，即为最终测量結果。所述的步骤4)为设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至基体材料(9)上表面时初始位置为A，且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离Z后停止；令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离2Z，且在此运动过程中每隔一定间隔Az采集ー次超声波回波信号K1U),运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置z所变化的超声波回波信号K1 t)。所述的步骤7)为设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面时初始位置为A，且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离L后停止；令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离2Z，且在此运动过程中每隔一定间隔Az采集一次超声波回波信号K2 a)，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置z所变化的超声波回波信号K2 fej)。本发明与现有技术相比具有的有益效果
1)因为采用了聚焦探头使得硬件测量设备简单，而且横向測量分辨率提高；
2)可以实现薄层材料厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度六个变量的同时测量。·


图1 (a)是用扫描超声波显微镜測量基体回波信号示意 图1(b)是用扫描超声波显微镜測量浸没在水中的样品回波信号示意 图中，超声波聚焦探头1、三维直线电机Z轴运动平台2、三维直线电机Y轴运动平台3、三维直线电机X轴运动平台4、电机控制器5、超声波发射接收器6、计算机7、薄层材料8、基体材料9、水槽10、三维直线电机Z轴运动导轨11、三维直线电机Y轴运动导轨12、三维直线电机X轴运动导轨13。图2(a)是测得的不锈钢基体材料的VAz，t)图像，图中以图像灰度值代表每个坐标点对应的幅值，灰度值越高，对应的幅值越大；
图2(b)是测得的不锈钢薄片的K2 fe，O图像，图中以图像灰度值代表每个坐标点对应的幅值，灰度值越高，对应的幅值越大；
图3是基于K(z，t)、V2(z’ O得到的不锈钢薄片的以〃和《为变量的反射系数R{0 , )对应具体实施例方式本发明同时测量薄层材料厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度等六个參数，材料弹性模量可以根据材料声速与密度的测值计算得到。通过測量薄层材料的V(z，t)可以得到薄层材料的以9和Co为变量的反射系数的实验值兄{0,oj);而以0和Co为变量的反射系数的理论值<(〃，《)与前面提到的六个值參数相关，通过对め(〃，《)与Re {0,oj)两者进行拟合便可以得到六个參数的具体数值。本方法中，利用聚焦探头实现声波的多角度入射，这使得系统结构大大简化；同吋，由于聚焦探头的聚焦特性，还可以实现对薄层材料局部特性的精确定征。扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性參数的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波聚焦探头(I)、三维直线电机Z轴运动平台(2)、三维直线电机Y轴运动平台(3)、三维直线电机X轴运动平台(4)、电机控制器(5)、超声波发射接收器出)、计算机(7)、薄层材料(8)、基体材料(9)、水槽(10)、三维直线电机Z轴运动导轨
(11)、三维直线电机Y轴运动导轨(12)、三维直线电机X轴运动导轨(13)，水槽(10)底部放有基体材料(9)，基体材料(9)上设有薄层材料(8)，基体材料(9)上方设有超声波聚焦探头(I)，超声波聚焦探头(I)上端固定于三维直线电机Z轴运动平台(2)之上，三维直线电机Z轴运动平台(2)运动在三维直线电机Z轴运动导轨(11)上，三维直线电机Y轴运动平台(3)运动在三维直线电机Y轴运动导轨(12)上，三维直线电机X轴运动平台(4)运动在三维直线电机X轴运动导轨(13)上，超声波聚焦探头(I)与超声波发射接收器(6)相连，三维直线电机Z轴运动平台⑵及三维直线电机Y轴运动平台(3)与电机控制器(5)相连，计算机(7)分别与电机控制器(5)、超声波发射接收器(6)相连；其特征在于方法的步骤如下
1)将薄层材料(8)放置于基体材料(9)表面，并置于盛有水的水槽(10)中，开启扫描超声波显微镜；
2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于基体材料(9)正上方；
3)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于基体材料(9)上表面；
4)測量基体材料(9)的超声波回波信号V々，t)；
5)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的正上方； 6)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面；
7)測量薄层材料(8)的超声波回波信号V2(z，t)；
8)分别对K2fe，t),Vx{z,O进行ニ维傅里叶变换后相除，再乘以基体材料的以ち和 为变量的反射系数め(ち，《)，得到薄层材料的以丛和《为变量的反射系数弋(ち，《)，再由公式4= *C0S(〃)/C(1得到薄层材料的以9和CO为变量的反射系数弋(〃，《)，其中〃为超声波入射角，《为超声波频率，Ctl为水中声速，丛为超声波在水中波数的竖直分量;
9)选取薄层材料厚度初值ん、纵波声速初值C7tl、横波声速初值Crtl、纵波衰减系数初值 横波衰减系数初值ひ和密度初值P。，计算出薄层材料以〃和《为变量的反射系数
的理论值，通过对薄层材料(8)的以e和OJ为变量的反射系数ち(〃，CO)进行最小ニ乘法拟合，得出薄层材料(8)的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的最优值，即为最终测量結果。所述的步骤4)为设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至基体材料(9)上表面时初始位置为A，且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离Z后停止；令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离2Z，且在此运动过程中每隔一定间隔Az采集ー次超声波回波信号K1 (O，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置z所变化的超声波回波信号K1 t)。所述的步骤7)为设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面时初始位置为A，且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离L后停止；令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离2Z，且在此运动过程中每隔一定间隔Az采集一次超声波回波信号K2 a)，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置Z所变化的超声波回波信号K2 (Zj)。下面结合实施例对本发明进行进ー步说明。I)选取ー不锈钢薄片作为被测薄层材料(8)，将其放置于不锈钢基体表面，并浸没于盛有水的水槽(10)中，开启扫描超声波显微镜；
2)如图1(a)所示，调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于基体材料(9)正上方；
3)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于基体材料(9)上表面；
4)令三维直线电机Z轴运动平台(2)先向上运动8mm距离之后停止运动，再向下运动16 mm，并在向下运动过程中每隔一定间隔A z采集一次超声波回波信号K1 (t)，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置^所变化的超声波回波信号K1 (ろ()，如图2(a)所示。5)如图1 (b)所示，调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于不锈钢薄片伸出基体材料表面部分的正上方；
6)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于不锈钢薄片伸出基体材料表面部分的上表面；
7)令三维直线电机Z轴运动平台(2)先向上运动8mm距离之后停止运动，再向下运动16 mm，并在向下运动过程中每隔一定间隔Az采集一次超声波回波信号K2 U)，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置z所变化的超声波回波信号K2 (ろ()，如图2 (b)所示；
8)分别对K2fe，()进行ニ维傅里叶变换后相除，再乘以基体材料的以ん和 为变量的反射系数め(ち，《)，得到薄层材料的以丛和《为变量的反射系数弋(ち，《)，再由公式4= *C0S(〃)/C(1得到薄层材料的以9和CO为变量的反射系数弋(〃，《)，其中〃为超声波入射角，《为超声波频率，Ctl为水中声速，丛为超声波在水中波数的竖直分量;
9)选取不锈钢薄片厚度初值ん、纵波声速初值C7tl、横波声速初值Crtl、纵波衰减系数初值ひ^)、横波衰减系数初值ひ和密度初值P。，计算出不锈钢薄片以〃和《为变量的反射系数的理论值，通过将不锈钢薄片的以9和OJ为变量的反射系数的理论值<(〃，CO)与实验值弋(〃， )根据最小二乗法进行ニ维拟合，得出不锈钢薄片的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的最优值，即为最终测量結果。 最终拟合结果及其相对误差如下表所示
权利要求
1.一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波聚焦探头(I)、三维直线电机Z轴运动平台(2)、三维直线电机Y轴运动平台(3)、三维直线电机X轴运动平台(4)、电机控制器(5)、超声波发射接收器￠)、计算机(7)、薄层材料(8)、基体材料(9)、水槽(10)、三维直线电机Z轴运动导轨(11)、三维直线电机Y轴运动导轨(12)、三维直线电机X轴运动导轨(13)，水槽(10)底部放有基体材料(9)，基体材料(9)上设有薄层材料(8)，基体材料(9)上方设有超声波聚焦探头(I)，超声波聚焦探头(I)上端固定于三维直线电机Z轴运动平台(2)之上，三维直线电机Z轴运动平台(2)运动在三维直线电机Z轴运动导轨(11)上，三维直线电机Y轴运动平台(3)运动在三维直线电机Y轴运动导轨(12)上，三维直线电机X轴运动平台(4)运动在三维直线电机X轴运动导轨(13)上，超声波聚焦探头(I)与超声波发射接收器(6)相连，三维直线电机Z轴运动平台(2)及三维直线电机Y轴运动平台(3)与电机控制器(5)相连，计算机(7)分别与电机控制器(5)、超声波发射接收器(6)相连；其特征在于方法的步骤如下 1)将薄层材料(8)放置于基体材料(9)表面，并置于盛有水的水槽(10)中，开启扫描超声波显微镜； 2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于基体材料(9)正上方； 3)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于基体材料(9)上表面； 4)测量基体材料(9)的超声波回波信号ν々，t)； 5)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(I)位于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的正上方； 6)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(I)聚焦于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面； 7)测量薄层材料(8)的超声波回波信号V2(z，t)； 8)分别对K2fe，t),Vx{z, )进行二维傅里叶变换后相除，再乘以基体材料的以之和ω为变量的反射系数/P1 (七，ω)，得到薄层材料的以丛和ω为变量的反射系数弋(七，ω)，再由公式4= *C0S(〃)/C(I得到薄层材料的以β和ω为变量的反射系数弋(〃，ω)，其中β为超声波入射角，ω为超声波频率，Ctl为水中声速，丛为超声波在水中波数的竖直分量; 9)选取薄层材料厚度初值么、纵波声速初值C7tl、横波声速初值Crtl、纵波衰减系数初值 、横波衰减系数初值O· ()和密度初值P O，计算出薄层材料以〃和ω为变量的反射系数的理论值，通过对薄层材料(8)的以e和ω为变量的反射系数弋(〃，ω)进行最小二乘法拟合，得出薄层材料(8)的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的最优值，即为最终测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法，其特征在于所述的步骤4)为 设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至基体材料(9)上表面时初始位置为且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离Z后停止；令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离况，且在此运动过程中每隔一定间隔Λζ采集一次超声波回波信号 K1U),运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置ζ所变化的超声波回波信号K1 iz, t)。
3.根据权利要求1所述的一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法，其特征在于所述的步骤7)为设定三维直线电机Z轴平台(2)聚焦至薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面时初始位置为4，且位移向上为正；令三维直线电机Z轴平台(2)向上运动距离L后停止； 令三维直线电机Z轴平台(2)向下运动距离2Z，且在此运动过程中每隔一定间隔Λζ采集一次超声波回波信号K2 ( )，运动完成后即得到一系列随三维直线电机Z轴平台(2)的位置 ζ所变化的超声波回波信号V2(z, t)。
全文摘要
本发明公开了一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法。其步骤包括1)将薄层材料放置于基体材料表面，使超声波探头分别位于基体材料和薄层材料正上方，令超声波探头作上下运动并测得基体材料和薄层材料的超声波回波信号V1(z,t)、V2(z,t)；2)分别对V2(z,t)、V1(z,t)进行二维傅里叶变换，并且经过相应公式转换后得到薄层材料的以θ和ω为变量的反射系数R2(θ,ω)；3)选取薄层材料的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的初始值，通过薄层材料的二维反射系数频谱拟合，同时得出薄层材料的多项机械特性参数。本发明实现了对薄层材料局部机械特性六变量的高精度同时测量，且结构简单，横向分辨率高。
文档编号G01B17/02GK103033153SQ20121053093
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者居冰峰, 白小龙, 孙泽青, 陈剑 申请人:浙江大学