代尚軍 吳思進(jìn) 王曉東3) 史祎詩3)

1)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,北京 100049)

2)(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

3)(中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京 100094)

融合散斑干涉技術(shù)的陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)方法?

代尚軍1)吳思進(jìn)2)王曉東1)3)?史祎詩1)3)?

1)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,北京 100049)

2)(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

3)(中國(guó)科學(xué)院光電研究院,北京 100094)

陣列式,洛倫茲力,散斑干涉,無損檢測(cè)

提出了一種陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法,該方法結(jié)合了散斑干涉技術(shù)的全場(chǎng)位移測(cè)量、分辨率高等特性與洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中探測(cè)量為矢量、可探測(cè)內(nèi)部缺陷等優(yōu)勢(shì),探索了一種實(shí)時(shí)、在線、原位的缺陷檢測(cè)方法.針對(duì)陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中陣列式排布的多個(gè)懸臂梁位移測(cè)量問題,設(shè)計(jì)了大剪切數(shù)字散斑干涉系統(tǒng),使來自于被測(cè)懸臂梁和安裝懸臂梁的橫梁的反射光發(fā)生干涉,形成剪切干涉,通過對(duì)相位差進(jìn)行分析獲得懸臂梁的絕對(duì)位移,并且以洛倫茲力及懸臂梁末端的位移量為中間量建立了散斑干涉相位差與缺陷體積之間的關(guān)系.本文通過實(shí)驗(yàn)成功獲得了懸臂梁全場(chǎng)位移量以及缺陷的體積,通過散斑干涉的方法測(cè)量懸臂梁位移量理論分辨率可達(dá)30 nm,這使洛倫茲力微顆粒探測(cè)法具備了微米級(jí)缺陷的探測(cè)能力.

1 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與工藝水平的提高,各種金屬材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍工、建筑、工業(yè)生產(chǎn)等各行各業(yè)中.在金屬材料的加工過程以及使用工程中,受多方面因素影響,諸如縮孔、夾渣、腐蝕、疲勞裂紋等缺陷都隨之產(chǎn)生.這些缺陷會(huì)對(duì)材料的使用壽命、力學(xué)性能等產(chǎn)生直接影響,并且會(huì)逐漸發(fā)展形成裂紋,最終導(dǎo)致斷裂,造成巨大損失[1].例如,高速列車在加速和制動(dòng)過程中以及通過鋼軌接縫、彎道和道岔時(shí),長(zhǎng)期對(duì)鋼軌產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦、擠壓、彎曲和沖擊,使鋼軌產(chǎn)生疲勞缺陷.缺陷一旦產(chǎn)生就易于快速擴(kuò)展,造成鋼軌折斷直接影響行車的安全.而在各類缺陷中,特別是隱藏在材料和構(gòu)件近表面的缺陷更具隱蔽性和危險(xiǎn)性.可見對(duì)微顆粒或缺陷進(jìn)行可靠、定期、有效的探測(cè)和監(jiān)測(cè)具有重要的生產(chǎn)意義,可減少事故的發(fā)生、減少經(jīng)濟(jì)損失,還可提高加工效率、減少加工成本.因此開發(fā)有效簡(jiǎn)便、非接觸、無損檢測(cè)方法十分必要,且具有重要的、現(xiàn)實(shí)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技意義[2?5].

2012年本課題組提出一種基于電磁感應(yīng)原理的新型缺陷檢測(cè)方法——洛倫茲力微顆粒探測(cè)法,基于該方法成功探測(cè)到了300μm的缺陷.從測(cè)量原理部分可知,洛倫茲力微顆粒探測(cè)法的探測(cè)量電磁力為矢量,這一特性決定了相對(duì)于渦電流檢測(cè)等傳統(tǒng)方法該方法可以獲知更豐富的缺陷信息,如缺陷的形狀、裂紋的空間分布等[6,7].但該方法采用單個(gè)永磁體作為測(cè)量探頭,單個(gè)永磁體的電磁敏感區(qū)域?yàn)? mm量級(jí),對(duì)于面積較大的待測(cè)試樣需多次掃描才能獲得試樣中缺陷的統(tǒng)計(jì)信息.本文將電子散斑干涉方法引入洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中,提出了一種陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法,有望實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地對(duì)導(dǎo)體中的缺陷進(jìn)行探測(cè)及定位.

陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中,需對(duì)陣列排布的多個(gè)懸臂梁在缺陷存在時(shí)產(chǎn)生的位移變化量同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè).這種測(cè)量存在以下難點(diǎn):首先陣列式排布的多個(gè)懸臂梁位移量需同時(shí)測(cè)量,目前尚無有效方法能對(duì)一排等距的多個(gè)永磁體位移量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量,而陣列式排布的永磁體-懸臂梁系統(tǒng)為多排多列,這又增加了測(cè)量難度;其次陣列排布的兩排永磁體之間從光學(xué)測(cè)量角度還存在景深問題,無商業(yè)位移傳感器能較好地解決該問題;更為重要的是,作用于懸臂梁上的反作用力分量及方向、扭矩等力學(xué)特征信息與缺陷的體積、裂紋的方向等相關(guān),而上述力學(xué)特征作用到懸臂梁上,體現(xiàn)在整個(gè)懸臂梁各部分的離面位移量分布不同.數(shù)字散斑干涉技術(shù)屬于全場(chǎng)測(cè)量,可獲得整個(gè)懸臂梁的離面位移分布,進(jìn)而通過分析可獲得缺陷的特征信息[8?13].本文提出的陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法結(jié)合了數(shù)字散斑干涉全場(chǎng)、分辨率高等特性,以及洛倫茲力微顆粒中探測(cè)量為矢量、可探測(cè)內(nèi)部缺陷等優(yōu)勢(shì),探索了一種快速、高分辨率、實(shí)時(shí)、在線、原位的缺陷檢測(cè)方法.

2 陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法

在洛倫茲力微顆粒探測(cè)法的基礎(chǔ)上提出了如圖1所示的陣列式探測(cè)法,整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包括:陣列式測(cè)量探頭、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、大剪切數(shù)字散斑干涉微變形測(cè)量系統(tǒng)、待測(cè)試樣以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等.其中陣列探頭排布方式如圖1所示,兩排永磁體相間排布,每排多個(gè)永磁體等距排布.

圖1 陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法Fig.1.Principle of the Lorentz force particle analyzer with an array probe based on speckle pattern interferometry.

將數(shù)字散斑干涉技術(shù)引入到陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中,用于測(cè)量由缺陷引起的懸臂梁位移量,整個(gè)測(cè)量過程如圖2所示.

如圖2所示,陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法測(cè)量過程可分為以下三個(gè)部分:缺陷的存在導(dǎo)致懸臂梁位移量發(fā)生變化;采用數(shù)字散斑干涉方法測(cè)量懸臂梁位移量;懸臂梁位移量轉(zhuǎn)化為缺陷體積.

圖2 基于數(shù)字散斑干涉技術(shù)的洛倫茲力微顆粒分析儀測(cè)量流程圖Fig.2.Flow chart for detecting fl aws by Lorentz force particle analyzer based on speckle pattern interferometry.

2.1 陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法原理

洛倫茲力微顆粒探測(cè)原理如圖3(a)所示.永磁體磁場(chǎng)滲透到待測(cè)試樣中,本文將待測(cè)試樣中的磁場(chǎng)作用區(qū)域稱之為電磁敏感區(qū),空間磁場(chǎng)可由(1)式近似獲得:

其中m是磁矩,R為指向場(chǎng)點(diǎn)的位置矢量.

根據(jù)歐姆定律,與導(dǎo)體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的永磁體在導(dǎo)體中感生出渦電流J,

式中?是電勢(shì),V是相對(duì)速度,σ是試樣電導(dǎo)率.

渦電流與永磁體相互作用產(chǎn)生洛倫茲力F作用于導(dǎo)體上,

根據(jù)牛頓第三定律,有一大小相等、方向相反的反作用力F0作用在永磁體上.如圖3(b)所示:當(dāng)導(dǎo)體中存在缺陷且經(jīng)過電磁敏感區(qū)時(shí),渦電流受到擾動(dòng)或渦電流重新分布(變?yōu)镴′)進(jìn)而導(dǎo)致洛倫茲力隨之發(fā)生變化().可見通過檢測(cè)洛倫茲力的變化量分析可獲得缺陷的存在與否及其特征信息.基于該原理,實(shí)驗(yàn)中成功探測(cè)到了300μm的缺陷[14?17].

圖3 (網(wǎng)刊彩色)洛倫茲力微顆粒探測(cè)原理[] (a)無缺陷;(b)有缺陷Fig.3.(color online)Principle of the Lorentz force particle analyzer[]:(a)Without fl aw;(b)with fl aw.

洛倫茲力的變化量由黏接在永磁體上的懸臂梁探測(cè)獲得,即永磁體受力后作用于懸臂梁使其發(fā)生形變.如圖1中的陣列式洛倫茲力探測(cè)法中,缺陷經(jīng)過某一永磁體電磁敏感區(qū)時(shí),懸臂梁的位移量隨之變化,而無缺陷經(jīng)過的其他懸臂梁則無位移變化量.其中圖1所示陣列式探頭中,各永磁體磁敏感區(qū)域互不干擾,但從測(cè)量角度,磁敏感區(qū)域相互補(bǔ)充,無測(cè)量盲區(qū).其中由洛倫茲力微顆粒探測(cè)法原理所述:體積不同的缺陷導(dǎo)致永磁體受到的作用力變化量不同,進(jìn)而體現(xiàn)在懸臂梁的位移量有所區(qū)別.因此通過對(duì)懸臂梁位移量的精確測(cè)量分析可獲得缺陷的體積,可見要探測(cè)缺陷的特征信息,關(guān)鍵在于對(duì)懸臂梁位移量的測(cè)量及分析.

2.2 數(shù)字散斑干涉方法測(cè)量懸臂梁位移量

針對(duì)上述陣列式排布懸臂梁測(cè)量問題,提出并開發(fā)了一種基于數(shù)字散斑干涉的動(dòng)態(tài)微變形測(cè)量方法.測(cè)量過程如圖2所示,在懸臂梁變形前后分別采集4幅散斑干涉圖進(jìn)行相移計(jì)算獲得相位差,再經(jīng)過濾波和解包裹等處理求得懸臂梁位移量[18].

數(shù)字散斑干涉動(dòng)態(tài)微變形測(cè)量方法采用數(shù)字散斑干涉測(cè)量原理進(jìn)行懸臂梁位移測(cè)量.數(shù)字散斑干涉技術(shù)是一種針對(duì)非光學(xué)表面物體(以漫反射現(xiàn)象為主)進(jìn)行測(cè)量的光學(xué)干涉技術(shù),能夠測(cè)量物體的三維變形、應(yīng)變、振動(dòng)分布以及無損檢測(cè)等,其離面位移的測(cè)量靈敏度理論上可達(dá)到30 nm.數(shù)字散斑干涉屬于全場(chǎng)測(cè)量,即能夠獲得被測(cè)物上任一點(diǎn)的變形/相對(duì)位移[5,9].

數(shù)字散斑干涉技術(shù)的光路有不同的類型,針對(duì)陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法的特殊應(yīng)用,儀器采用了大剪切數(shù)字散斑干涉光路,使來自于被測(cè)懸臂梁和周邊物體(即安裝懸臂梁的橫梁)的反射光發(fā)生干涉,形成剪切干涉.傳統(tǒng)剪切電子散斑干涉技術(shù)的剪切量要遠(yuǎn)小于被測(cè)物體的尺寸,其測(cè)量的結(jié)果為物體位移的空間梯度;而本問題中剪切量大于被測(cè)物體尺寸,其測(cè)量結(jié)果直接為物體的位移,這種測(cè)量方法也叫大剪切電子散斑干涉技術(shù).需要說明的是,相對(duì)于普通的數(shù)字散斑干涉光路,(大)剪切電子散斑干涉光路屬于光學(xué)共路干涉,其抗干擾能力更強(qiáng),光路可靠性更高,且對(duì)被測(cè)物體(包括橫梁在內(nèi))的整體位移(即剛體位移)敏感度更低[18,19].

針對(duì)陣列式懸臂梁的大剪切數(shù)字散斑干涉技術(shù)測(cè)量離面位移的基本光路如圖1所示.從激光器輸出的光經(jīng)擴(kuò)束后照射到陣列式懸臂梁表面,漫反射光經(jīng)過分光棱鏡后分成兩束光,分別經(jīng)平面鏡1和2反射后會(huì)聚到相機(jī)的圖像傳感器表面(圖中的CCD陣列),形成干涉.其中平面鏡2稍微傾斜,使得相機(jī)所得到的兩幅圖稍有錯(cuò)位,即實(shí)現(xiàn)剪切成像.當(dāng)物體發(fā)生變形時(shí),物體表面相鄰兩點(diǎn)的位移并不相同,由此產(chǎn)生的光程改變也不相同,即干涉信號(hào)的光程差發(fā)生變化,因此干涉信號(hào)的相位發(fā)生了變化.當(dāng)測(cè)得干涉相位的變化量,即可得到相鄰兩點(diǎn)的位移差(近似于物體表面變形的梯度).而在本研究的大剪切數(shù)字散斑干涉系統(tǒng)中,由于參與干涉的參考光來自于固定的橫梁,因此所測(cè)得的位移差即是懸臂梁的絕對(duì)位移[19?23].

數(shù)字散斑干涉法對(duì)懸臂梁位移測(cè)量過程如圖2所示.

1)采集懸臂梁變形前后4幅散斑圖,通過相移技術(shù)獲得相應(yīng)的相位圖,再進(jìn)行相位相減得到相位差,相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)如下.

在懸臂梁變形前采集四幅剪切散斑干涉圖,每一幅圖的相位都比上一幅圖的相位增加π/2,相移量的產(chǎn)生是由壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件,推動(dòng)平面反射鏡移動(dòng)來改變參考光的光程,四次的相移量分別是0,π/2,π,3π/2,則四幅干涉圖的強(qiáng)度分布可以表示為:

聯(lián)立以上式子可得相位:

通過(5)式獲得懸臂梁變形前的相位圖.同理,采集懸臂梁變形后的4幅剪切散斑干涉圖并計(jì)算出變形后的相位圖,兩相位圖相減便可得到記錄懸臂梁變形信息的相位差圖.

2)懸臂梁位移量的獲得

調(diào)節(jié)剪切量,使被測(cè)懸臂梁上一點(diǎn)和作為參考面的固定懸臂梁的橫梁上一點(diǎn)發(fā)生干涉,則相位的變化可以表示為

式中λ為光源;u,v,w分別為位移在x,y,z方向上的分量;A,B,C是對(duì)應(yīng)于由幾何關(guān)系決定的位移因子.實(shí)際光路中當(dāng)激光器和相機(jī)位于xoz平面,相機(jī)位于被測(cè)物正前方,(6)式可以表示為

式中,α為照明方向與觀察方向之間的夾角,實(shí)際光路中,當(dāng)照明方向和觀察方向基本一致時(shí),α接近于0,則可通過(7)式求得離面位移量w.

即對(duì)得到的相位差圖進(jìn)行濾波,可以得到濾波后的相位差圖,之后再對(duì)圖像解包裹后便可進(jìn)行三維顯示,得到如(8)式所示的懸臂梁離面位移[11?15].

2.3 缺陷體積的獲得

洛倫茲力微顆粒探測(cè)法前期研究工作中通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法獲得了洛倫茲力變化量ΔF與懸臂梁位移量x之間的關(guān)系式

以及洛倫茲力變化量ΔF與缺陷體積V之間的關(guān)系式

將通過電子散斑實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的懸臂梁位移量w代入(9),(10)式可獲得缺陷體積V.

3 陣列式懸臂梁微變形實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

如圖1所示,激光器射出去的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡照射到陣列式排布懸臂梁表面,所產(chǎn)生的散射光被剪切散斑干涉儀記錄;旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)直徑為50 mm的試樣旋轉(zhuǎn),試樣中存在一個(gè)深度0.5 mm、直徑1 mm的圓柱狀缺陷;缺陷經(jīng)過陣列式探頭某一永磁體電磁敏感區(qū)時(shí)使其對(duì)應(yīng)的懸臂梁發(fā)生變形,通過搭建的電子散斑干涉平臺(tái)對(duì)陣列式探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并輸出結(jié)果,并將散斑干涉相位差轉(zhuǎn)化為缺陷的體積信息.整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示.

圖4 陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)缺陷實(shí)驗(yàn)Fig.4.The Lorentz force particle analyzer setup with an array probe based on the shearography.

陣列式洛倫茲力探測(cè)法中含缺陷的待測(cè)試樣與測(cè)量探頭之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)中該相對(duì)運(yùn)動(dòng)是通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn),即將待測(cè)試樣固定在電機(jī)上旋轉(zhuǎn)多個(gè)周期,使含缺陷的試樣周期性地通過測(cè)量探頭,因此測(cè)量信號(hào)也是周期性重復(fù)出現(xiàn),可利用信號(hào)的周期性對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)進(jìn)而提高測(cè)量精度;進(jìn)一步利用該特征,采用角度編碼器檢測(cè)旋轉(zhuǎn)試樣的角位移,每旋轉(zhuǎn)一周輸出特定個(gè)脈沖,經(jīng)高速相機(jī)觸發(fā)電路處理后形成特定時(shí)序的觸發(fā)信號(hào),使剪切電子散斑干涉測(cè)頭里面的高速相機(jī)按特定邏輯時(shí)序進(jìn)行散斑干涉圖的采集,采用該方法使融合散斑干涉技術(shù)的陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法對(duì)高速相機(jī)的性能要求降低,但獲得的懸臂梁位移量信息豐富.

如圖5所示,陣列式探頭由6個(gè)懸臂梁陣列排布構(gòu)成,其測(cè)量敏感區(qū)寬度為10 mm,實(shí)驗(yàn)中直徑為50 mm的試樣以角速度ω旋轉(zhuǎn)一周,可對(duì)直徑差為10 mm范圍內(nèi)的試樣部分進(jìn)行掃描,陣列式探頭單次掃描區(qū)域面積為圖5中試樣黑色區(qū)域所示,其值為2826 mm2;而一個(gè)永磁體懸臂梁結(jié)構(gòu)中電磁敏感區(qū)寬度為1.5 mm,試樣旋轉(zhuǎn)一周,因此單探頭單次掃描面積為463.9 mm2.可見本文提出的陣列式探頭測(cè)量效率明顯提高.

在懸臂梁變形前/后分別采集四幅剪切散斑干涉圖,如圖6所示.相對(duì)于圖6(a),圖6(b)中的剪切散斑干涉圖包含了懸臂梁變形信息,但本文中變形量為微米級(jí),從圖6(a)及圖6(b)剪切散斑干涉原始圖中難以直接看出這個(gè)變化信息,因此需對(duì)剪切散斑干涉圖處理進(jìn)而獲得懸臂梁變形前/后的相位圖,如圖7所示.

圖5 陣列式探頭掃描區(qū)域Fig.5.The electromagnetic sensing zone(EMSZ)of the array probe.

圖6 懸臂梁變形前/后的4幅剪切散斑干涉圖 (a)變形前;(b)變形后Fig.6.Four frames shearography images before(a)and after(b)the deformation of the cantilever.

對(duì)圖7中變形前后的兩相位圖相減便可得到記錄懸臂梁變形信息的相位差圖,如圖8所示.

圖7 懸臂梁變形前/后的相位圖 (a)變形前;(b)變形后Fig.7.Images of phase before(a)and after(b)the deformation of the cantilever.

圖8 懸臂梁變形前后相位差圖Fig.8.Image of phase di ff erence before and after the deformation of the cantilever.

之后對(duì)濾波后的相位差圖解包裹后便可進(jìn)行三維顯示,得到發(fā)生變形的懸臂梁離面位移.圖9所示為陣列式排布懸臂梁中受洛倫茲力作用的某一懸臂梁變形位移量.

如圖9所示,在陣列式探頭對(duì)試樣進(jìn)行掃描時(shí),缺陷經(jīng)過某一永磁體電磁敏感區(qū)域時(shí)其對(duì)應(yīng)的懸臂梁發(fā)生了位移量,相比傳統(tǒng)的三角法測(cè)量位移只能獲得一個(gè)點(diǎn)的位移量,采用電子散斑方法獲得了懸臂梁離面位移分布.前期實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的(9)和(10)式中位移值是懸臂梁末端的最大位移量,而圖9中懸臂梁末端位移量為29.11μm,將該位移量代入(9)和(10)式可求得缺陷的尺寸為1.202 mm,而實(shí)際缺陷尺寸為1 mm.測(cè)量獲得的缺陷尺寸與實(shí)際尺寸相差20%,造成這個(gè)測(cè)量誤差的原因是表征洛倫茲力變化量與懸臂梁位移量(9)式和洛倫茲力變化量與缺陷尺寸(10)式是基于實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真結(jié)果擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式,存在一定的誤差,但這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可通過后續(xù)的研究工作進(jìn)行校準(zhǔn),進(jìn)而逐漸提高缺陷尺寸的監(jiān)測(cè)精度.因此本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電子散斑方法應(yīng)用于洛倫茲力微顆粒探測(cè)法中的可行性.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)懸臂梁受力變形位移圖Fig.9.(color online)Full- fi eld displacement of cantilever caused by the fl aw.

陣列式探頭由6個(gè)懸臂梁陣列排布構(gòu)成,其測(cè)量敏感區(qū)寬度為10 mm,如圖5所示,陣列式探頭單次掃描區(qū)域面積為2826 mm2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在圖5所示試樣中,2826 mm2的掃描區(qū)域內(nèi)存在尺寸為1.202 mm的缺陷1個(gè).后續(xù)研究中可增加懸臂梁數(shù)量,設(shè)計(jì)電磁敏感區(qū)域更大的陣列式探頭用于大面積試樣的快速測(cè)量.

通過設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),獨(dú)立開發(fā)了融合散斑干涉技術(shù)的陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法數(shù)據(jù)分析軟件,并通過上述實(shí)驗(yàn)研究,以洛倫茲力及懸臂梁末端的位移量為中間量,建立了散斑相位差與缺陷體積之間的關(guān)系.但電子散斑的特征是全場(chǎng)特性,實(shí)驗(yàn)中也獲得了懸臂梁各部位的離面位移分布,并且由洛倫茲力微顆粒原理部分可知缺陷的形狀、裂紋方向可通過對(duì)其引起的洛倫茲力的力學(xué)特征信息分析獲得,而要實(shí)現(xiàn)上述有挑戰(zhàn)并且對(duì)工業(yè)應(yīng)用有意義的研究工作,懸臂梁離面位移分布的獲得是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),因?yàn)閼冶哿旱碾x面位移分布與其受到的洛倫茲力方向及扭矩等力學(xué)參數(shù)相關(guān).目前研究中尚未獲得洛倫茲力與缺陷形狀、裂紋方向等特征信息之間的關(guān)系,因此本文也僅通過懸臂梁末端位移量計(jì)算獲得了缺陷的體積,后續(xù)的研究工作可在此基礎(chǔ)上對(duì)懸臂梁離面位移分布進(jìn)行分析,進(jìn)而獲得如缺陷形狀、裂紋方向等特征參數(shù).

此外課題組前期通過數(shù)值模擬研究獲得20μm缺陷引起的洛倫茲力變化量為10?7N,在此量級(jí)力作用下即使對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后,懸臂梁末端的最大位移量也僅為0.1μm,如果要獲得懸臂梁位移曲線則需要測(cè)量分辨率至少在0.01μm量級(jí),本文中采用的散斑干涉方法分辨率理論上可達(dá)30 nm,后續(xù)研究在此基礎(chǔ)上有望探測(cè)到20μm級(jí)的缺陷.

4 結(jié) 論

提出了一種快速測(cè)量面積較大試樣的陣列式探頭,通過實(shí)驗(yàn)研究成功探測(cè)到了試樣中的缺陷信息,驗(yàn)證了電子散斑應(yīng)用到洛倫茲力探測(cè)法中的可行性.其中洛倫茲力微顆粒探測(cè)法相比于傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法,探測(cè)量電磁力為矢量,這一特性決定了可以通過對(duì)電磁力各分量進(jìn)行分析而獲得缺陷的體積、形狀、裂紋的方向等特征信息,而電子散斑的全場(chǎng)測(cè)量特性決定了可以獲得懸臂梁離面位移分布,因此本文工作也為獲得缺陷形狀、裂紋方向等特征信息奠定了基礎(chǔ).本文電子散斑法分辨率理論上可高達(dá)30 nm,進(jìn)一步工作中對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,有望探測(cè)到20μm級(jí)的缺陷.散斑干涉技術(shù)測(cè)量陣列式懸臂梁位移分布中的散斑干涉圖分析軟件為自主開發(fā),目前還處于開發(fā)初期,一次完整實(shí)驗(yàn)并通過該軟件系統(tǒng)獲得懸臂梁位移分布圖所需時(shí)間為30 min,需對(duì)該軟件系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā),理想的測(cè)量時(shí)間應(yīng)為5 min左右,在此基礎(chǔ)上后續(xù)可對(duì)存在多個(gè)缺陷的試樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究,在上述幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究,有望開發(fā)出一種實(shí)時(shí)、在線、原位的陣列式洛倫茲力微顆粒探測(cè)法.

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Lorentz force particle analyzer with an array probe based on speckle pattern interferometry?

Dai Shang-Jun1)Wu Si-Jin2)Wang Xiao-Dong1)3)?Shi Yi-Shi1)3)?
1)(School of Material Science and Opto-electronics Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
2)(School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)
3)(Academy of Opto-electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)

5 May 2017;revised manuscript

17 July 2017)

A new contactless technique called Lorentz force particle analyzer(LFPA)with an array probe for detecting the flaws in metallic material is presented in this paper.Based on the principle of LFPA,the shape and size of the fl aw or the direction of the crack can be obtained by analyzing the pulses of the force acting on the permanent magnet.In the LFPA system,the small Lorentz force on the magnet is measured by a laser-cantilever system with high sensitivity,which operates in a similar principle to that of an atomic force microscope.The traditional displacement detecting method in the LFPA is not suitable for the array probe presented in this paper due to its complex structure.Therefore,speckle pattern interferometry is introduced into the LPFA.The speckle pattern interferometry can measure not only the out-of-plane displacement of the multiple cantilever in the array probe,or of slopes of deformation,but also the in-plane displacement.Those advantages make the speckle pattern interferometry a useful tool in the LFPA for analysing the shapes of the fl aws and the directions of the cracks.In this paper,a Michelson-type shear of graphic setup with enlarged angle of view is built to measure the displacement of the cantilever which is deformed by the fl aws in the sample.Four frames of shear under several grams before and after the deformation are captured and recorded by a digital camera.The phase di ff erence is processed for calculating the displacement with the software which is designed for the LFPA.A full- fi eld measurement of the cantilever displacement is achieved and the relationship between the phase di ff erence and the volume of the fl aws is also obtained successfully.The utilization of the speckle pattern interferometry technique in the LFPA leads to the invention of a new real-time,online,in-situcontactless technique of detecting the shapes of the internal fl aws and the directions of the cracks.

array,Lorentz force,speckle pattern interferometry,nondestructive detection

(2017年5月5日收到;2017年7月17日收到修改稿)

10.7498/aps.66.208102

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51374190)和中國(guó)科學(xué)院重大裝備項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):YZ201567)資助的課題.

?通信作者.E-mail:xiaodong.wang@ucas.ac.cn

?通信作者.E-mail:sysopt@126.com

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:81.70.Ex,81.70.Fy,07.60.LyDOI:10.7498/aps.66.208102

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.51374190)and the Major Equipment Fund of Chinese Academy of Sciences(Grant No.YZ201567).

?Corresponding author.E-mail:xiaodong.wang@ucas.ac.cn

?Corresponding author.E-mail:sysopt@126.com