[发明专利]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

说明书

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参数的方法。

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，要求根据通行的强制性标准来判别材料的声学及几何特性。因此，测量过程中，需要测定材料的声速、声衰减系数、密度及厚度等参数的具体值并得出各参数间的相互关系。

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、声衰减系数等参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参数其中一个的测值得到其他三个参数的值。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，这一方法不适用于薄层材料特征参数的检测。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参数定征。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参数的精确测量。根据声波小角度入射时，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抗；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一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θ和ω为变量的反射系数得出材料表面泄露波的相关参数；再通过最小二乘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，要求这一过程中使用的超声波频率足够高。

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参数值，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参数的方法，而且测量设备又简单可靠，横向测量分辨率高。

发明内容

本发明的目的在于突破现有方法硬件结构复杂，横向测量精度有限，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参数的方法。

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(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)，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(1)，超声波聚焦探头(1)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(1)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(1)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(1)聚焦于基体材料(9)上表面；