阅读说明：本技术 激光薄膜内耗仪及材料内耗的检测方法 (Laser film internal consumption instrument and material internal consumption detection method ) 是由 刘向兵 李远飞 薛飞 王春辉 徐超亮 钱王洁 贾文清 李心刚 池志远 安英辉 段 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光薄膜内耗仪,包括激光位移传感器、底板、固定在所述底板上的下罩体以及与所述下罩体相配合的上罩体,所述底板、下罩体和上罩体之间形成腔体,所述腔体内设置有试样固定组件、激发电极、加热器以及屏蔽罩,所述下罩体上开设有与所述激光位移传感器对应的光学窗口,所述加热器位于所述屏蔽罩内,所述屏蔽罩用于罩住所述试样以及激发电极,所述屏蔽罩对应所述激光位移传感器开设有贯通孔,所述激发电极朝向所述贯通孔,所述试样位于所述贯通孔与激发电极之间。本发明的激光薄膜内耗仪,具有测量精度高、工作频率宽、非接触测量获得材料缺陷信息等优点,非常适合进行辐照缺陷的表征。(The invention discloses a laser film internal consumption instrument which comprises a laser displacement sensor, a bottom plate, a lower cover body fixed on the bottom plate and an upper cover body matched with the lower cover body, wherein a cavity is formed among the bottom plate, the lower cover body and the upper cover body, a sample fixing assembly, an excitation electrode, a heater and a shielding cover are arranged in the cavity, an optical window corresponding to the laser displacement sensor is arranged on the lower cover body, the heater is positioned in the shielding cover, the shielding cover is used for covering the sample and the excitation electrode, a through hole is formed in the shielding cover corresponding to the laser displacement sensor, the excitation electrode faces towards the through hole, and the sample is positioned between the through hole and the excitation electrode. The laser film internal friction instrument has the advantages of high measurement precision, wide working frequency, non-contact measurement for obtaining material defect information and the like, and is very suitable for representing irradiation defects.)

激光薄膜内耗仪及材料内耗的检测方法

技术领域

本发明具体涉及一种非接触式探测材料缺陷的激光薄膜内耗仪以及利用该激光薄膜内耗仪进行检测的方法。

背景技术

内耗测试技术作为一种先进的无损检测技术，对金属材料的微观结构较为敏感，在核用结构材料辐照缺陷的微观结构研究和材料老化的无损检测中有所应用。内耗谱的测量区别其他无损检测方法在于其频率范围完全覆盖了缺陷慢跃迁过程的本征频率范围，而且所加的刺激信号为交变应力(其振幅远小于材料的屈服应力)，反应信号为应变，适用于任何能够传播弹性应力波的物体，被证明是研究缺陷弛豫过程和微结构变化的最有效手段之一。

内耗是指在材料在与隔绝外界条件下动能消耗快慢的能力，其物理本质是由于材料内部缺陷和原子运动所引起的机械振动能量的耗散，因此通过测量在一定的外部条件下(如温度、频率、振幅等)材料的内耗和弹性模量变化可反映出材料的微观缺陷信息，获得缺陷浓度和分布、缺陷扩散激活能、相变动力学等微观缺陷参数，因此内耗技术也常常称之为内耗谱，或力学谱。内耗谱的测量频率范围是0.001Hz至kHz，完全覆盖了缺陷慢跃迁的过程(如点缺陷在相邻平衡位置间的跃迁过程)的本征频率范围，而且所加的刺激信号为交变应力(其振幅远小于材料的屈服应力)，反应信号为应变，所以适用于任何能够传播弹性应力波的物体，被证明是研究缺陷弛豫过程和微结构变化的最有效无损检测手段之一。

当前，内耗的测量方法主要采用强迫振动和自由衰减两种模式。强迫振动模式下进行内耗测量时，超低频信号发生器发生的一个正弦波信号σ＝σ₀sinωt，经过放大后送至驱动线圈，驱动附有永久磁铁的摆杆发生扭转，使其按正弦波规律进行扭转振动，此时应变信号可表示为ε＝ε₀sin(ωt-φ)，与激发正弦信号进行比较，可以得到这两个信号的相角差φ，对应的tanφ即为内耗值Q^-1。

自由衰减模式下，内耗测量原理如下：由计算机发出命令，使样品扭转至设定的最大振幅处，然后由样品作自由衰减运动，并测量其振动衰减曲线。在内耗与振幅无关的条件下，可以使用多个振动的振幅计算δ的值，即利用关系式(1)计算δ值。A_n和A_n+m是分别是第n和第n+m次振动的振幅。

这样，由试样的自由衰减曲线，根据内耗的计算公式(2)，便可以得到试样的内耗值。

内耗测量技术离不开强迫振动和自由衰减两种测量模式，目前内耗测试设备的开发主要围绕满足适合不同性质、形状尺寸的样品进行。国内外有关研究人员经过长期实践不断探索，目前发展出一系列兼具科学性和实用性的内耗测量技术。主要包括静电激发振动方法、光学显微放大探测应变振幅、原子力显微镜悬臂梁探测应变振幅等，上述技术在检测核电材料辐照损伤表面缺陷时还存在以下一些问题：(1)电容式传感器测量精度不够。市场上销售的激光位移传感器或是无法在高低温下使用，或是要求试样的振幅尽量大，无法满足微小振幅检测的要求。(2)改变测量频率繁琐。为了提高测量精度薄膜内耗仪采用悬臂梁试样夹持方式，迫使试样在共振频率下振动来实现最大振幅，但是这种进行变频测量需要更变夹持长度，这在单次变温测量时无法实现。(3)电路设计复杂。测量试样在共振频率下的微弱振动，电路设计采用了高频载波获取试样振动电容变化信号，要求电路设计中考虑各类分布电容对高频信号的干扰，这也降低了电路稳定性和可操作性。(4)变温试样变形导致无法稳定工作。试验过程中升温会导致试样变形，由于激发电极或者采集电极距离试样远端很近，因此有可能触碰到激发电极或者采集电极导致无法测量。上述问题的存在，潜影响着内耗物理参数定量数据的精确性。

现有技术中并没有一种能够用于燃料包壳表面氧化膜或离子辐照材料的弹性模量、弹性模量温度系数、阻尼等测量，以及材料缺陷探伤，包括缺陷种类、浓度以及演化机制等研究的激光薄膜内耗仪。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种激光薄膜内耗仪。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光薄膜内耗仪，包括激光位移传感器、底板、固定在所述底板上的下罩体以及与所述下罩体相配合的上罩体，所述底板、下罩体和上罩体之间形成腔体，所述腔体内设置有试样固定组件、激发电极、加热器以及屏蔽罩，所述下罩体上开设有与所述激光位移传感器对应的光学窗口，所述加热器位于所述屏蔽罩内，所述屏蔽罩用于罩住所述试样以及激发电极，所述屏蔽罩对应所述激光位移传感器开设有贯通孔，所述激发电极朝向所述贯通孔，所述试样位于所述贯通孔与激发电极之间。激发电极的作用在于驱动试样振动，通过在待测试样与激发电极之间加载直流偏压和变频的交变电压，迫使试样在特定频率下进行振动，采用激光位移传感器采集试样振动信号，并获得试样振动的波形，从而获得材料的阻尼、模量等参数，进而得到材料的微观缺陷等信息。

优选地，所述腔体内还设置有激发电极移动组件，包括滑块、带动所述滑块移动的丝杆以及带动所述丝杆转动的电机，所述激发电极通过固定板固定在所述滑块上，所述电机固定在所述底板上。通过移动组件带动激发电极移动，从而调整激发电极与待测试样之间的距离。

更加优选地，所述腔体内设置有隔板，所述隔板通过固定柱固定在所述底板上，所述屏蔽罩固定在所述隔板上，所述隔板上开设有供所述固定板移动的滑槽。激发电极移动组件位于隔板的下方，屏蔽罩、加热器以及试样固定组件位于隔板的上方。

更加优选地，所述激发电极与所述固定板之间设置有绝缘环。

优选地，所述试样固定组件包括试样夹头、与试样夹头连接的支撑板以及带动所述支撑板上下移动的升降机构，试样通过夹头螺丝固定在所述试样夹头的下端。通过升降机构带动支撑板移动从而带动待测试样的上下运动，调整待测试样的位置。在一些实施例中，试样夹头上还开设有沿试样夹头上下方向延伸的腰圆孔，以调整试样夹头固定在支撑板上的位置。

优选地，所述加热器均匀分布在所述屏蔽罩的内侧，所述加热器沿所述屏蔽罩的轴向延伸。加热器为棒状，其在屏蔽罩内壁上均匀分布，使得升温更加均匀，且为辐照加热，加热速度快。屏蔽罩用于防止热量辐射到设备外。在一些实施例中，激光薄膜内耗仪还可以增加水冷系统以更加精确的控制温度。

优选地，所述激光薄膜内耗仪还包括用于带动所述上罩体与所述下罩体分离或贴合的升降组件以及用于对所述腔体进行抽真空的真空泵组。

更加优选地，所述底板上还开设有用于与所述真空泵组连接的真空阀门；所述底板上还设置有减震组件。减震组件可以设置在底板下可以设置在罩体与底板之间。

优选地，所述激光位移传感器固定在所述底板上，所述激光位移传感器、光学窗口、贯通孔以及激发电极位于同一轴线上，以使得激光位移传感器的激光束能够打到待测试样上。

将待测试样通过试样夹头夹紧固定在真空腔体中，试样对面安装激发电极用于驱动试样振动，加热系统和水冷系统围绕着试样周围提供高低温环境，为了防止空气阻尼对试样高频振动幅度、频率的影响，测试时使用真空机组对真空腔体抽取高真空，整个真空腔体与地面隔震，排除机械振动的干扰。

本发明还提供了一种利用如上所述的激光薄膜内耗仪的检测方法，具体包括如下步骤：

S1.打开真空腔体：释放真空，当腔体内由真空状态变成大气常压状态时，启动升降组件，推动上罩体上移，打开腔体；

S2.安装试样：旋松夹头螺丝，将待测试样一端塞入夹头缝隙中，然后拧紧螺丝夹紧试样，调整激发电极的位置；

S3.试振：对所述激发电极施加偏置电压，并控制激光位移传感器的激光束照射到试样表面，观察是否有试样的振动信号返回，如果有振动信号则结束试振；如果没有振动信号则试样与激发电极的位置，直至出现振动信号；

S4.关闭真空腔体：升降组件，下移上罩体直至其与下罩体贴合，腔体密闭，打开真空阀门，启动真空泵组，进行抽真空，抽取10^-2Pa及以上高真空；

S5.设置参数：设置测试温度、测试时间、激振振幅、激振频率等参数，启动测量程序；

S6：测试：采集振动激发信号和振动信号，显示振动波形，并计算出内耗与弹性模量值，得到结果并进行分析；

S7：关闭系统：测试结束，停止测试程序，将偏压电源调整至零，关闭控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的激光薄膜内耗仪，具有测量精度高、工作频率宽、非接触测量获得材料缺陷信息等优点，非常适合进行辐照缺陷的表征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例中激光薄膜内耗仪的立体图；

图2是本发明优选实施例中激光薄膜内耗仪的局部立体图；

图3是图2中的俯视图；

图4是图3中的A-A的剖视图；

图5是图2中的激光薄膜内耗仪隐藏下罩体后的立体图；

图6是图5中的激光薄膜内耗仪隐藏隔板后的立体图；

图7是激光薄膜内耗仪中屏蔽罩和加热器的立体图；

图8是试样受到一个垂直于试样轴的力的作用下发生弯曲情况的示意图；

图9是实施例3中杨氏模量计算及分析中采用的待测试样的示意图；

图10是实施例3中变截面的不锈钢薄片的杨氏模量和内耗测量的结果图；

附图中：激光位移传感器-1，底板-2，下罩体-3，上罩体-4，激发电极-5，加热器-6，屏蔽罩-7，光学窗口-8，贯通孔-9，顶孔-10，试样-11，滑块-12，丝杆-13，电机-14，隔板-15，固定柱-16，滑槽-17，固定板-18，试样夹头-19，支撑板-20，升降机构-21，夹头螺丝-22，升降组件-23，真空阀门-24，腰圆孔-25，框架-26。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1激光薄膜内耗仪

如图1-7所示，本实施的激光薄膜内耗仪，包括框架26、控制系统、激光位移传感器1、底板2、固定在底板2上的下罩体3、与下罩体3相配合的上罩体4、用于带动上罩体4与下罩体3分离或贴合的升降组件23以及用于对腔体进行抽真空的真空泵组，底板2、下罩体3和上罩体4之间形成腔体，腔体内设置有试样11固定组件、激发电极5、加热器6、屏蔽罩7以及用于带动激发电极5移动的移动组件，下罩体3上开设有与激光位移传感器1对应的光学窗口8，加热器6位于屏蔽罩7内，屏蔽罩7用于罩住试样11以及激发电极5，屏蔽罩7对应激光位移传感器1开设有贯通孔9，激发电极5朝向贯通孔9，试样11位于贯通孔9与激发电极5之间。底板2上开设有用于与真空泵组连接的真空阀门24；底板2上还设置有减震组件，减震组件可以设置在底板2下可以设置在下罩体3与底板2之间。

采用激光多普勒效应的激光位移传感器，不仅测量精度更高(可达到0.1nm位移分辨率)，而且传感器可以远离样品布置(非接触式，常规可以安装在距离试样1m左右的位置)，方便核电材料因辐照产生缺陷的检测。

激发电极5的作用在于驱动试样11振动，通过在待测试样11与激发电极之间加载直流偏压和变频的交变电压，迫使试样11在特定频率下进行振动，采用激光位移传感器1采集试样11振动信号，并获得试样11振动的波形，从而获得材料的阻尼、模量等参数，进而得到材料的微观缺陷信息。

其中，如图4和6所示，激发电极移动组件包括滑块12、带动滑块12移动的丝杆13以及带动丝杆13转动的电机14，激发电极5通过固定板18固定在滑块12上，激发电极5与固定板18之间设置有绝缘环，电机14固定在底板2上。通过移动组件带动激发电极5移动，从而调整激发电极5与待测试样11之间的距离。

如图4-5所示，腔体内设置有隔板15，隔板15通过固定柱16固定在底板2上，屏蔽罩7固定在隔板15上，隔板15上开设有供固定板18移动的滑槽17。激发电极移动组件位于隔板15的下方，屏蔽罩7、加热器6以及试样11固定组件位于隔板15的上方。

如图4-6所示，试样11固定组件包括试样夹头19、与试样夹头19连接的支撑板20以及带动支撑板20上下移动的升降机构21，试样11通过夹头螺丝22固定在试样夹头19的下端。通过升降机构21带动支撑板20移动从而带动待测试样11的上下运动，调整待测试样11的位置。本实施例中，试样夹头19上还开设有沿试样夹头19上下方向延伸的腰圆孔25，以调整试样夹头19固定在支撑板20上的位置。屏蔽罩7的顶部还开设有供试样夹头贯穿的顶孔10。

如图7所示，加热器6均匀分布在屏蔽罩7的内侧，加热器6沿屏蔽罩7的轴向延伸。加热器6为棒状，其在屏蔽罩7内壁上均匀分布，使得升温更加均匀，且为辐照加热，加热速度快。屏蔽罩7用于防止热量辐射到设备外。本实施例中，激光薄膜内耗仪还包括水冷系统以更加精确的控制温度。

激光位移传感器1固定在底板2上，激光位移传感器1、光学窗口8、贯通孔9以及激发电极5位于同一轴线上，以使得激光位移传感器1的激光束能够打到待测试样11上对试样11的振动进行测量。

本实施例中将待测试样11通过试样夹头19夹紧固定在真空腔体中，试样11对面安装激发电极5用于驱动试样11振动，加热系统和水冷系统围绕着试样11周围提供高低温环境，为了防止空气阻尼对试样11高频振动幅度、频率的影响，测试时使用真空机组对真空腔体抽取高真空，整个真空腔体与地面隔震，排除机械振动的干扰。

本实施例的激光薄膜内耗仪能够用于燃料包壳表面氧化膜或离子辐照材料的弹性模量、弹性模量温度系数、阻尼等测量；材料缺陷探伤，包括缺陷种类、浓度以及演化机制等研究。

实施例2激光薄膜内耗仪的检测方法

本实施例提供了利用实施例1所述的激光薄膜内耗仪的进行材料内耗的检测方法，具体包括如下步骤：

S1.打开真空腔体：释放真空，当腔体内由真空状态变成大气常压状态时，启动升降组件，推动上罩体上移，打开腔体。

S2.安装试样：旋松夹头螺丝，将待测试样一端塞入夹头缝隙中，然后拧紧螺丝夹紧试样，调整激发电极的位置。

S3.试振：对所述激发电极施加偏置电压，并控制激光位移传感器的激光束照射到试样表面，观察是否有试样的振动信号返回，如果有振动信号则结束试振；如果没有振动信号则试样与激发电极的位置，直至出现振动信号。

S4.关闭真空腔体：升降组件，下移上罩体直至其与下罩体贴合，腔体密闭，打开真空阀门，启动真空泵组，进行抽真空，抽取10^-2Pa及以上高真空。

S5.设置参数：设置测试温度、测试时间、激振振幅、激振频率等参数，启动测量程序。

S6：测试：采集振动激发信号和振动信号，显示振动波形，并计算出内耗与弹性模量值，得到结果并进行分析。

S7：关闭系统：测试结束，停止测试程序，将偏压电源调整至零，关闭控制系统。控制系统具体可以包括位移处理器、温度控制器、数据采集模块、计算模块等。

测试原理基本如下：在待测试样与激发电极之间加载直流偏压和变频的交变电压，迫使试样在特定频率下进行振动，采用激光位移传感器采集试样振动信号，获得试样振动的全部波形，从而获得材料的阻尼、模量等参数，同时根据采集的温度数据控制加热电流大小等参数，进而得到材料的微观缺陷等信息。

实施例3激光薄膜内耗仪测试样品的杨氏模量计算及分析

薄膜内耗仪采用片状试样，试样的厚度在50-300μm之间，宽度在4-6mm之间，长度在15-50mm之间。假设试样受到一个与试样轴垂直方向的作用，试样发生弹性弯曲，如附图8所示。由于试样的劲度，恢复弯曲形变到平衡状态，引起试样在垂直于轴方向的振动。

材料遵从Hooke定律，试样的横振动方程可以表示如下：

上式中，A-试样的横截面积；ρ-试样的密度；E-试样的杨氏量；I-试样的横截面相对于中性面的转动惯量；g-重力加速度。

求解上式，可得片状试样的杨氏模量计算公式：

其中，l-试样振动的长度；d-试样的厚度；f-试样振动的基频(一阶共振频率)。

对于上述单端夹持的试样，夹头效应会对测量产生一定的影响。夹头的效应除了引进内应力外，主要是影响试样有效长度试样的振动部分的测量精度。对杨氏模量计算公式求微分，可以得到杨氏模量的误差分析公式：

对于某一试样而言，在温度一定时，密度是一个常量。密度的测量误差可以忽略不计；厚度经过多次测量后取平均值，误差很小；共振频率的测量是由电信号转化而来，误差非常小。因此长度的测量误差，对测量结果的影响是最显著的。

减小或消除试样有效长度的误差对最后测量结果的影响有如下两种方法：

(1)采用变截面的试样，如图9所示。

a)试样的厚度保持不变改变宽度的比值W2/W1

b)试样的宽度保持不变改变厚度的比值H2/H1.

如图10所示，采用变截面的方法测量了不锈钢薄片(80μm厚，在空气中测量)的杨氏模量。随着变截面的比值的增大，表现内耗越来越小，杨氏模量(振频率)逐渐升高，最后均趋于一个稳定值。

(2)采用不同的长度测量

随着长度的增长，测量的杨氏模量逐渐增大并最后趋向于一个饱和值(真实值)。因为越来越小，依据误差分析公式，所带来的杨氏模量的误差也就越来越小。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。