利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法
阅读说明：本技术 利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法 (Method for representing metal surface cleanliness by using metal surface reflection and scattering spectrum ) 是由 韩克利 羊送球 刘建勇 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光清洗金属表面检测技术领域,具体地说是一种利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法,所述方法过程如下：A1：调整入射光纤及相应的光学调整器件,使光源发出的光以一定的光斑大小照射到样品表面特定位置；A2：使用相应的光学调整器件收集样品表面反射光和散射光到反射光纤中；A3：反射光纤的出射光通过光学分光设备及光探测器检测强度并由计算机读取数据；A4：计算一定波长范围内光的积分平均强度I；A5：以标准清洁金属表面获得的积分平均强度标准值I-(b)为分母,以样品表面的积分平均强度I为分子,计算得到金属表面清洁度。本发明解决了在激光清洗过程中实时在线监测以及金属表面清洁度定量描述等技术问题。(The invention relates to the technical field of laser cleaning metal surface detection, in particular to a method for representing the cleanliness of a metal surface by using a metal surface reflection and scattering spectrum, which comprises the following steps: a1: adjusting the incident optical fiber and the corresponding optical adjusting device to enable the light emitted by the light source to irradiate a specific position on the surface of the sample in a certain spot size; a2: collecting the sample surface reflected light and the scattered light into a reflective optical fiber using a corresponding optical adjustment device; a3: the emergent light of the reflecting optical fiber passes through the optical splitting equipment and the optical detector to detect the intensity and the data is read by the computer; a4: calculating the integral average intensity I of light within a certain wavelength range; a5: integrated average intensity normalized value I obtained with standard clean metal surfaces b And taking the integral average intensity I of the surface of the sample as a numerator, and calculating to obtain the cleanliness of the metal surface. The invention solves the technical problems of real-time online monitoring, quantitative description of the cleanliness of the metal surface and the like in the laser cleaning process.)
技术领域
本发明涉及激光清洗金属表面检测技术领域，具体地说是一种利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法。
背景技术
目前对金属表面清洁程度以及腐蚀程度的判断是通过目视观察法，执行的是GB/T8923.1-2011标准，该方法为定性方法，具有很大的人为因素，且检测速度慢，不能适应当前工业化的快速发展的要求。另外，关于金属表面腐蚀程度的检测方法上还有很多，包括超声检测、打磨后千分尺测量、显微镜观察、扫描电镜分析、截面损失法、失重法、阳极电流密度法、图像像素采集分析法等等。由于激光清洗材料的复杂性，这些测量锈蚀层厚度的方法一般不适宜用于激光清洗现场使用。目前有RGB三色判断法用于激光清洗质量的评估，其是使用相机拍照后分析像素点的RGB值，以此判断金属表面的腐蚀状态和清洗效果，一般需要在清洗后进行分析，而且拍照的位置、环境光线等有比较多的限制，处理数据的时间长，不适用于在线分析。因此开发一种新型的用于检测和表征金属表面清洁程度的方法，并且能够实现在激光清洗现场快速在线检测是有重要意义的。
在监测激光清洗质量的技术方面，目前已有部分技术方法申请了专利，其中采用光谱方法进行激光清洗质量监测的技术有：肖海兵发明的一种激光清洗检测设备及激光清洗检测方法(专利申请号：201910973735.5)，该检测方法利用了CCD检测器对试样表面进行跟踪拍摄，对多种图像进行分析，是一种比较复杂的技术；王春明等发明了一种基于激光清洗装置的清洗质量监测装置及方法(专利申请号：201710546718.4)，该监测方法本质是对试样表面图像的RGB灰度值分析；宋峰等发明的一种激光清洗的在线监测方法(专利申请号：201810727906.1)，该方法是利用光线传感器对温度应力的变化来实现在线监测的。总的来说，现在已经有不少监测激光清洗质量的技术方法，但是要实现简单、直观、准确、快速、实时跟踪激光清洗进行检测还是有一定难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法，解决了在激光清洗过程中实时在线监测以及金属表面清洁度定量描述等技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种利用金属表面反射和散射光谱表征金属表面清洁度的方法，该方法利用的装置包括光源、入射光纤、反射光纤、光学分光设备及光探测器、计算机和多个光学调整器件，所述方法过程如下：
A1：调整入射光纤及相应的光学调整器件，使光源发出的光以一定的光斑大小照射到样品表面特定位置；
A2：使用相应的光学调整器件收集样品表面反射光和散射光到反射光纤中；
A3：反射光纤的出射光通过光学分光设备及光探测器检测强度并由计算机读取数据；
A4：计算机计算一定波长范围内光的积分平均强度I；
A5：以标准清洁金属表面获得的积分平均强度标准值Ib为分母，以样品表面的积分平均强度I为分子，计算机计算得到金属表面清洁度。
所述步骤A1具体为：
A11：打开光源，可采用的光源类型包括连续光源、脉冲光源、多色光源；
A12：根据光源特性调节相应的光学调整器件，将光源发出的部分光束耦合到入射光纤的光源端上，并进入所述入射光纤中；
A13：调整相应的光学调整器件，使入射光纤的照射样品端出射光以特定的角度照射到样品的表面上；
A14：根据具体需要调节相应的光学调整器件，使照射到样品表面的光斑大小符合测量需要；
A15：调节入射光纤的照射样品端出射光照射样品表面的角度，所述照射样品端出射光与样品表面角度大于30度且小于等于90度。
所述入射光纤的照射样品端出射光与样品表面角度大于30度且小于90度，步骤A2中调整相应的光学调整器件，使样品表面的反射光和散射光耦合到反射光纤的反射光耦合端；
所述入射光纤的照射样品端出射光与样品表面垂直呈90度，所述入射光纤的照射样品端和反射光纤的反射光耦合端做成一个二合一的端口，形成Y型光纤。
所述步骤A3中，反射光纤的出射光经过光学分光设备分光后通过光探测器检测各波长处的强度，所述光探测器每次读数时间低于1毫秒。
所述步骤A4中，光探测器测量到的光的积分平均强度计算方法是，累加所有设定波长范围内所有感光点的强度，再除以感光点的个数n，具体计算公式为：
所述步骤A5中，样品表面任一个位置点(x,y)的清洁度计算公式为：
对样品表面以一定的间隔取点，获得样品表面不同位置点的清洁度数值，将所获得的样品表面清洁度在计算机上成像。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明使用方便快捷，解决了在激光清洗过程中实时在线监测以及金属表面清洁度定量描述等技术问题。
2、本发明可以与激光清洗设备同步运行，实现激光清洗表面质量在线监测同时，还可以在一定程度上指导激光清洗功率的调节。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为实施本发明方法的装置示意图一，其入射光角度在30度到90度之间；
图3为实施本发明方法的装置示意图二，其入射光角度为90度；
图4为本发明方法比对效果时使用的钢铁试样示意图；
图5本发明方法对图4中的钢铁试样检测后得到的清洁度成像图。
其中：
S1为光源，S2为样品；
F1为入射光纤，F1a为光源端，F1b为照射样品端；
F2为反射光纤，F2a为反射光耦合端，F2b为反射光出射端；
L1a为第一光学调整器件，L1b为第二光学调整器件，L2a为第三光学调整器件，L2为第四光学调整器件；
D1为光学分光设备及光探测器；
C1为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～3所示，本发明方法利用的装置包括光源S1、入射光纤F1、反射光纤F2、光学分光设备及光探测器D1、计算机C1及多个光学调整器件，其中光源S1发射的光经第一光学调整器件L1a调整后耦合进入所述入射光纤F1的光源端F1a，并由所述入射光纤F1的照射样品端F1b出射，经相应的光学调整器件调整后照射到样品S2表面，而从样品S2表面反射的光经过相关的光学调整器件耦合后进入所述反射光纤F2的反射光耦合端F2a，所述反射光纤F2的反射光出射端F2b射出的光经过光学分光设备及光探测器D1检测到各波长的光强度，最后由计算机C1计算积分平均强度与清洁度。
如图2所示，所述入射光纤F1的照射样品端F1b和所述反射光纤F2的反射光耦合端F2a可呈一定夹角，其中入射光纤F1的照射样品端F1b射出的光经第二光学调整器件L1b调整后照射到样品S2表面，且照射样品端F1b出射光角度控制在30度到90度之间，而从样品S2表面反射的光经过第三光学调整器件L2a耦合后进入所述反射光纤F2的反射光耦合端F2a。
如图3所示，本发明的一个特例是：所述入射光纤F1的照射样品端F1b和所述反射光纤F2的反射光耦合端F2a垂直于样品S2表面，此时入射光纤F1和反射光纤F2呈Y型，此时所述照射样品端F1b出射光角度为90度，由所述入射光纤F1的照射样品端F1b出射的光经过第四光学调整器件L2后垂直照射到样品S2表面，从样品S2表面垂直反射回来的光经过第四光学调整器件L2耦合进入所述反射光纤F2的反射光耦合端F2a。
所述各个光学调整器件均为本领域公知技术，比如可采用凸透镜或者透镜组合。
所述光纤、光学分光设备及光探测器D1均为本领域公知技术且为市购产品。
本发明的具体步骤如下：
步骤A1：调整入射光纤F1及相应的光学调整器件，使光源S1发出的光以一定的光斑大小照射到金属样品S2表面特定位置。
本步骤具体包括：
A11：打开光源S1，所述光源S1可以是连续或者脉冲光源，也可以是但不限于多色光源；
A12：根据光源S1特性，调节相应的光学调整器件(第一光学调整器件L1a)，将光源S1发出的部分光束耦合到入射光纤F1的光源端F1a上，并进入所述入射光纤F1中；
A13：调节相应的光学调整器件，使入射光纤F1的照射样品端F1b出射光以特定的角度照射到金属样品S2的表面上，所述特定角度需保证后续光斑大小、照射角度等调整需要；
A14：根据具体需要调节相应的光学调整器件，使得照射到金属样品S2表面的光斑大小符合测量需要，一般地，所述光斑大小可设定但不限于与激光清洗用的光斑一样大小；
A15：调节所述照射样品端F1b出射光照射金属样品S2表面的角度，该夹角大于30度，最大可为90度，即垂直照射。
步骤A2：使用相应的光学调整器件收集金属样品S2表面光斑处部分角度的反射光以及部分角度的散射光到反射光纤F2中。
其中：
A21：若步骤A1中，所述照射样品端F1b出射光以一定的角度(大于30度且小于90度)照射到金属样品S2表面，如图2所示，此时需调整第三光学调整器件L2a，使样品S2表面光斑处的部分反射光和部分散射光耦合到反射光纤F2的反射光耦合端F2a，并进入反射光纤F2中；
A22：若步骤A1中，所述照射样品端F1b出射光角度垂直于样品S2表面，如图3所示，所述入射光纤F1的照射样品端F1b和反射光纤F2的反射光耦合端F2a可利用光纤技术做成一个二合一的端口，形成Y型光纤，此时光从样品S2表面垂直反射。
步骤A3：反射光纤F2中收集到的光通过光学分光设备及光探测器D1检测其强度并由计算机C1读取数据。
其中：
A31：从反射光纤F2的反射光出射端F2b出射的样品S2表面反射和散射光经过光学分光设备分光后被光探测器检测各波长处的强度；
A32：根据实际需要调节光探测器类型和采样频率，为实现快速测量，光探测器每次读数时间应低于1毫秒。
步骤A4：通过计算机C1计算样品S2一定波长范围内光的积分平均强度I。
其中：
A41：光探测器测量到的光的积分平均强度计算方法是，累加所有设定波长范围内所有感光点的强度，再除以感光点的个数n，具体计算公式为：
A42：所述光探测器为光二极管或者光电倍增管等设备，若无法同时测量多波长光强度，可使用门积分强度或总强度表示积分平均强度。
步骤A5：以标准金属的清洁表面获得的积分平均强度Ib为分母，以金属样品S2表面的积分平均强度I为分子，通过计算机C1计算得到金属表面清洁度，具体为：
A51：可通过上述方法检测一个标准的清洁的金属表面获得一个积分平均强度，该积分平均强度值作为标准值Ib
A52：金属样品S2表面某一个位置点(x,y)的清洁度计算公式为，
A53：对金属样品S2的表面以一定的间隔取点，获得样品S2表面不同位置点的清洁度数值，将所获得的样品S2表面清洁度在计算机C1上成像，得到直观的金属表面清洁情况。
下面以一个具体的应用例说明本发明方法的技术效果。
本应用例选取船用钢板作为试样，使用激光清洗方法在板材表面不同区域进行不同程度的清洗，如图4所示是清洗后的船用钢板试样图片，样品被分为1,2,3,4四个区域，对应了Sa1到Sa3不同的锈蚀程度。从钢铁样品上选取了5个位置的中心点，各区域对应的锈蚀程度不同。按照目视法的评级，有：区域1是没有清洗的区域，锈蚀最严重；区域2是部分清洗，但为清洗不彻底、不达标的区域，为Sa1级；区域3是部分清洗干净区域，为Sa2级，值得注意的是3区的上半部分过清洗，导致基底损伤才使得整个区域是Sa2级，如果只考虑3区中下半部分则应当是清洗质量非常好的Sa3级；区域4是大部分区域清洗达标，可到Sa3级。
使用本发明的方法对图4所示试样进行清洁度检测，得到图5所示的清洁度成像图。由图5可以看到，清洁度成像图可以很真实清晰地反映出各个测量点的清洁程度，远比目视法结果要精确。特别是对于3区，其上半部分和下半部分结果有显著不同。在实际的激光清洗工作中，如果设定某一个清洁度值为阈值(也即Ib)，那么就可以准确的判断金属表面的哪个位置清洗不达标，并且根据清洁度情况可以定性的知道锈层厚度，这些参数还可以提供给激光清洗装置，方便后期对试样的二次处理。
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