[发明专利]一种表征玻璃表面残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明属于超声表面波技术无损检测领域。

背景技术

残余应力问题一直受到人们的关注，特别是近些年随着对产品性能要求的提高以及开发新功能需求的增大，残余应力的研究和检测在微电子和材料领域得到越来越多的重视。超声表面波方法测量玻璃表面残余应力的原理是：超声表面波在玻璃表面传播的波速与玻璃的密度、泊松比、弹性常数、残余应力等有关。将分别由理论模型和实验信号处理获得的速度频率曲线(选取不发生频散稳定的部分)进行匹配就可以测出薄膜样片的参数。本发明基于此提供一种无损表征玻璃表表面残余应力的方法，即：基于声弹性理论，建立一种理论计算模型，研究不同残余应力作用下所对应的声表面波的传播速度，通过与激光激发声表面波检测玻璃表面残余应力的实验得出曲线进行拟合，从而定性表征玻璃表面残余应力的大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、无损检测玻璃样片表面残余应力的方法，有效的对玻璃样片表面残余应力进行表征。技术方案如下：

一种表征玻璃样片表面残余应力的方法，包括下列步骤：

1)控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，经过光学调整系统最终在玻璃样片表面汇聚成线性激光束，在玻璃样片表面产生超声表面波；

2)超声表面波在玻璃样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，再经过信号调理和数据采集后获得离散时域电压信号；

3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的数学处理，得到实验曲线；

4)将玻璃样片的密度、泊松比、厚度、弹性常数在内的参数代入MATLAB理论计算模型中；

5)在理论模型中用应力t11来表征残余应力的大小，通过改变应力t11的值来找出与实验曲线最相近的理论曲线，其对应的应力t11的值，就是所测玻璃样片表面残余应力的大小。

附图说明

图1为本发明采用的激光激发声表面波检测玻璃样片表面残余应力系统示意图。

图2不同残余应力t11对玻璃样片表面波速度大小的影响。

具体实施方式

利用激光激发声表面波实验系统测得声表面波在样片表面传播的试验曲线，激光激发声表面波检测玻璃样片残余应力系统示意图如图1所示，其中采用MNL 801 S型氮分子激光器，波长为337.1nm，平均脉冲能量为400uJ。压电传感器由聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)和自制楔形探头组成。放大器为高倍宽频电压放大器MITEQ AU-1338型，数字示波器采用Tektronics TDS3000B型，带宽为300MHz，最高采样次速率为2.5GS/s。实验所用玻璃样片大小规格为3cm*6cm*1mm，为使得结果更加准确，需保证所测量的样片具有高度相似的杨氏模量、密度和泊松比，在测量过程应保证同一组数据相同的方向进行测量。具体测量过程如下：

(1)通过计算机控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束。经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，由于热弹效应，玻璃样片表面将会产生超声表面波；

(2)表面波在玻璃样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，经过放大器放大后采样存储在数字示波器中。

(3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的一系列数学处理，从而得到实验曲线。将玻璃样片相关参数代入MATLAB理论模型中，参数设定见表1及表2。在理论模型中用应力t11来表征残余应力的大小。由于玻璃样片是非晶体材料，可视为各向同性，假设玻璃样片在厚度方向上均受力，这时表面波在其表面传播时不发生频散。则当t11分别为-100MPa，-200MPa，-300MPa，-400MPa时，所对应的频率与表面波速度的关系如图2所示，

表1玻璃的参数设定

其中，λ、μ为拉梅常数，对应二阶弹性常数；v1,v2,v3对应三阶弹性常数；

表2各向同性固体中不同标准下的三阶弹性常数之间的关系