学 校 代 码 10459 学号或申请号
密 级
硕士学位论文
论文题目
作 者 姓 名：张三 导 师 姓 名：李四 教授 学 科 门 类：工科 专 业 名 称：
培 养 院 系：大电气、大物工 完 成 时 间：20xx年4月
A thesiubmitted to ZhengzhouUniversity for the degree ofMaster
Thesis Title
BySan Zhang Supervisor: Prof.Si Li
Major Name Institute Name April20xx
学位论文原创性声明
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学位论文作者：
日期：年月日
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日期：年月日
摘要
摘要
随着我国工业技术水平的快速发展与进步，对材料的质量的要求也越来越高。在各个行业领域中，材料和器件中表面和亚表面的完整性会影响和决定系统和仪器设备的工作效率以及运行寿命。此外，随着中国工业的高速发展，空气及水源污染问题也变得日益严峻。环境污染导致了某些疾病的高发，皮肤病即是受环境因素诱导的典型疾病之一。近年来，中国居民的皮肤病发病率逐年上升，且新增病例呈年轻化趋势。因此实现对材料表面裂纹和皮肤表面病变的无损检测尤为重要。激光声表面波技术作为一种无损检测技术，其特别适合应用于对材料表面特征进行检测，因此本文的主要工作有：
1. 对激光声表面波检测技术在国内外的发展现状进行了探究，在此基础上总结了已有技术的不足，从而确立了课题的研究内容与研究目标。
2. 基于ANSYS软件，利用有限元热应力仿真技术探究了声表面波的激发源——脉冲激光的参数，包括脉冲能量、上升时间、光束半径、吸收系数和散射系数对在皮肤表面激发的声表面波振幅与带宽的影响，并给出了激发大振幅高频声表面波的最优参数范围，并使用最优参数下的脉冲激光在具有表面黑色素瘤皮肤模型表面进行声表面波的激发，通过信号的色散曲线获得了最小黑色素瘤尺寸与网格尺寸的关系，验证了激光声表面波用于皮肤表面病变检测的可行性； 3. 基于ANSYS软件，利用有限元结构仿真技术探究了铝材料表面不同深度的表面单裂纹对声表面波传播的影响，同尺寸不同数目的表面多裂纹对声表面波传播的影响，并绘制了传播经过不同数目的裂纹后的声表面波色散曲线，由色散曲线的倾斜程度可大致判断裂纹的数目。
4. 设计并搭建了经典迈克逊干涉仪差分检测系统和偏振迈克逊干涉仪差分检测系统，并对两套系统的工作原理进行了介绍。两套检测系统均包括声表面激发单元、声表面波检测单元和信号采集与处理单元，其中偏振系统在传统系统的基础上增加了起偏器、λ/4波片和λ/2波片，并将分光镜替换为偏振分光镜，故偏振系统中的光束为偏振光，使得偏振系统在消除共模噪声和增强信号方面具有显著效果。同时设计了FIR数字低通滤波器，较好地滤除了系统检测到的声表面波信号中的高频噪声。
关键词：激光声表面波表面裂纹有限元仿真经典/偏振式迈克尔逊干涉仪；
I
Abstract
Abstract As the industrial technology is developing very fast and gets advanced very much in recent years, the required quality of media and materials gets higher.And the surface/subsurface integrity and completene of the materials decide the performance and working life of the equipment and devices.Besides, accompanying the fast developed industrial technology, the air condition gets worse and water resources get polluted.As a result, some disease cases increase especially skin disease.Recently, the morbidity of skin disease in China is increasing year by year, and it becomes a trend that more young people get affected.Therefore the nondestructive detection for surface cracks and pathological changes on skin is very important and in great need.Laser-induced Surface Acoustic Waves technology as a nondestructive detection approach has shown promising results in the characterization of surface feature.The work done in this diertation is following: 1, the state-of-art of the Laser-induced Surface Acoustic Waves technology is explored.The shortne of the current researches and technologies are concluded, based on which, the research content and goal is finally determined.2, FEM simulations under thermal-stre analysis mode are conducted by the software of ANSYS to explorer the effects that pulse laser parameters, including pulse energy, rise time, beam radius, absorption and scattering coefficients, have on the generated Surface Acoustic Waves.And the range of parameters to generate Surface Acoustic Waves with big amplitude and high frequency components are given.Pulse laser with these parameters is applied on skin with melanoma.Through the dispersion curves of the detected signals, the relation between the mesh size of the skin model and the minimum detectable melanoma is found.
Key words:Laser-induced Surface Acoustic Wave, Surface crack, skin, FEM simulation, Claical/polarized Michelson interferometer.II
目录
目录
摘要 ............................................................................................................I Abstract ......................................................................................................II 目录 ..........................................................................................................III 1 绪论 ........................................................................................................4
1.1 激光声表面波技术 .........................................................................................4
1.1.1 声表面波技术简介 ................................................................................................5
2 工作总结与展望 ....................................................................................7
2.1 工作总结 .........................................................................................................7 2.2 工作展望 .........................................................................................................7
参考文献 ....................................................................................................8 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 ................................9 致谢 ..........................................................................................................10
III
1绪论
1 绪论
激光声表面波技术是对材料表面特征进行无损检测，属于无损检测的范畴，因此具有重要的研究意义。本章对激光声表面波技术进行介绍，并对激光声表面波检测技术的发展过程和国内外的研究现状进行了总结，从中发现现有技术的不足，从而确定了本文的研究内容。
1.1 激光声表面波技术
无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）是指在不损坏或者不影响被检测对象的性能与质量的前提下，利用材料本身存在的缺陷、结构的异常或病变等引起的热学、声学、光学、电磁等方面的变化，通过物理或化学方法，运用现代化的技术和设备器材，对被检测对象内部及表面的结构、性质、性能、状态，以及缺陷或异常结构的类型、位置、尺寸、形状、数量、分布等特性进行检测和表征的方法[1]。随着工业和科研技术领域内的快速发展，对产品的质量和性能的要求越来越高，从而对材料或产品实现精密测量和检测的便显得日益重要，在此需求的基础上，无损检测技术得到了广泛的应用和快速的发展。
现如今，实现无损检测方法众多，常见的检测方法包括超声检测方法、射线检测方法、渗透检测方法、磁粉检测方法、涡流检测方法等[2-8]。在这几种检测方法中超声检测、射线检测适用于块状样品，对样品的内部信息的获取较为准确，但难以检测到样品的表面的信息；渗透检测易造成对样品表面的污染，且只适合开放式的表面裂纹，也无法对判断裂纹的深度进行判断；磁粉检测较为简单且检测速度快，但只适用于铁磁材料，且易产生磁力残留；而涡流检测只能测试导电材料，且当测试对象几何形状复杂和不规则时检测的准确度大大降低。
而近年来新兴发展起来激光声表面波技术(Laser-Generated Surface Acoustic Wave technology, LSAW)，运用超短脉冲激光照射在样品表面激发声表面波，并用声表面波的色散或传播经过裂纹时振幅的变化来表征样品的表面特征。声表面波集中在材料的表面传播，对材料的表面特性十分敏感，近年来其在材料的表面和亚表面特性的检测方面发展迅速，受到了国内外研究学者的广泛关注[9-12]，
1绪论
下面本文对此技术进行介绍。
1.1.1 声表面波技术简介
声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是沿物体表面传播的一种弹性波，是在19世纪80 年代英国物理学家瑞利（Rayleigh）在研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地球表面传播的声波，因此也叫瑞利波。声表面波是横波与纵波的组合，其在传播过程中，会穿透到介质表面下1-2个波长的深度。如图1-1所示为声表面波在介质表面下的渗透深度与声表面波波长关系的示意图，波长越大，渗透深度越大。而且在各向同性的均匀介质中，声表面波的相速度随频率保持不变[13]，在分层介质或具有表面缺陷的介质中，声表面波的相速度随频率变化。基于此特性便可将声表面波用于材料表面特性的表征与检测，如分层介质的表面或亚表面裂纹，皮肤癌，薄膜的杨氏模量、泊松比等[14-16]的检测。
图1.1声表面波在纯净介质和分层集中的渗透深度与传播速度示意图
表1.1皮肤表层的物理参数
1绪论
参数 m 数值 0.25 单位 Kg l 0.25 m
Kt 3.1×10-7 N/s2
Kd
4.48×10-7 N/s2
Jx 0.033 Kg/m2
Jy 0.033 Kg/m2
Jz 0.061 Kg/m2
g 9.8 m/s2 20世纪现代传统导航技术开始迅速发展，并取得了巨大的成就。1908年HermannAnschütz-Kaempfe研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，开辟了第一代惯性技术，奠定了整个惯性导航的基础错误！未找到引用源。。60年代，美国国防部研制了世界上第一个卫星定位系统-全球定位系统（GPS）错误！未找到引用源。，耗时20年，在1994年正式建成。GPS系统向全球开放，但为军用和民用安排了不同的频段，分别广播P码和C/A两种不同精度的位置信息。目前，GPS已经称为世界上应用最广泛、最实用的全球海陆空全方位实时三维导航与定位系统。70年代，随着电子信息技术和传感器技术的不断进步，以MEMS传感器作为测量元件的捷联惯导技术越来越成熟错误！未找到引用源。。与传统的惯导采用稳定平台技术并与运载体的转动进行隔离不同，捷联惯导将敏感元件固定在运载体上。由于其结构简单、尺寸小，成本低等诸多优点，捷联惯导取代了大部分常规武器上的导航系统，而且在民用领域发挥着越来越重要的作用。然而由于惯导的测量由陀螺仪和加速度计的时间积分的结果，因而精度的高低很大程度上取决于陀螺仪和加速度计的精度，这就无法克服惯导长时间出现的积分漂移的问题，而且系统的可靠性仍需要加强，以适应更加恶劣的工作环境。70年代末80年代初，麻省理工大学的马尔教授创立了视觉计算理论，奠定了计算机图形的理论基础；70年代中期，CCD图像传感器的发明，揭开了机器视觉发展的序幕。80年代CPU、GPU、DSP等电子技术的进步，使得视觉导航的腾飞成为了可能错误！未找到引用源。。特别在机器人控制领域，视觉导航让机器人有了一双明眸的双眼。通过视觉导航，机器人可以完成更加复杂的三维空间的动作，它能实时感知出复杂的环境信息，对非结构化的环境适应能力强。特别是近两年，深度学习等智能算法的崛起，必将极大的促进视觉导航系统的全面进步。
可以看出，经过近60多年的发展，导航的方式逐渐增多，从传统惯导、捷联惯导到视觉导航，单一传感器的导航系统已经日趋成熟，它们各自的优缺点也非常明显。因此，通过何种融合算法将多传感器的测量数据进行融合，扬长避短，发挥各自的优点，从而最终提供一个满足测量目标的位置、姿态、航向等参数信息自然而然引起了人们的兴趣。组合导航技术本质上就是多传感器融
6 [2]
2工作总结与展望
合技术：利用计算机等设备强大的运算能力，应用数据融合等数据处理技术，获得更加智能化、多功能、高精度、可靠性强的导航效果。
2 工作总结与展望
2.1 工作总结 2.2 工作展望
参考文献
参考文献
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8 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
姓名：张三性别：不详出生年月：1949年10月籍贯：地球村 教育背景：
1949.09-2013.06 2013.09-2016.06 发表文献： [1] 郑州大学大电气电气自动化本科 郑州大学大电气电气自动化硕士 9
致谢
致谢
本论文是在导师李四教授的亲切关怀与悉心指导下完成的。感谢党中央、感谢国务院，最后还要感谢CCAV。
