用于确定试样表面附近区域中试样的材料特性的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于确定试样表面附近区域(6；6a；6b；6c)中试样(5；5a；5b；5c)的材料特性的装置(1；1a；1b；1c)和方法，所述装置具有用于照射试样的至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)的至少一个电磁辐射源(2；2a；2b；2c)以及用于检测由表面区域发射的热辐射(9；9a；9b)和/或用于检测由试样的表面区域(4；4a；4b；4c)反射的辐射(31)的检测装置(8；8a；8b；8c)。设有评估装置(13；13a；13b；13c)，方便地根据所发射的热辐射(9；9a；9b)和/或所反射的辐射(31)测定待确定的材料特性。由此有利地实现了以特别可靠且无损的方式来确定材料特性。且无损的方式来确定材料特性。且无损的方式来确定材料特性。

Apparatus and method for determining the material properties of the specimen in the area near the surface of the specimen

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定试样表面附近区域中试样的材料特性的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种用于确定试样表面附近区域中试样的材料特性的装置和方法，所述装置具有用于照射试样的至少一个表面区域的至少一个电磁辐射源以及用于检测由表面区域发射的热辐射和/或用于检测由试样的表面区域反射的辐射的检测装置。

技术介绍

[0002]由现有技术已知一种被称为“光热”的方法。用激光照射具有覆盖层的衬底的表面区域，由此加热该区域并且尤其根据层厚度和覆层材料发射热辐射，利用红外摄像机检测所述热辐射。相对于具有相移δ和幅度I
D
的照射，在时间上错开地进行热辐射的发射。通过测定δ、发射的热辐射并借助已知的校准曲线，可以确定在被照射的表面区域中涂覆到试样上的层的厚度。
[0003]此外，从现有技术中已知一种用于无损材料测试的方法，其中用特定波长的光照射试样并且由检测器检测由试样反射的辐射。通过反射图案与参考图案的偏差，例如可以确定表面缺陷。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是改进开头所述类型的装置和方法，以便能够在试样表面附近区域中实现测试试样的特定材料特性。
[0005]本专利技术用以达成上述目的的解决方案为，设置用于根据所发射的热辐射或所反射的辐射来测定待确定的材料特性的评估装置。
[0006]通过评估装置可以将参考信号与测量信号进行比较，从而可以确定材料特性。由此有利地实现了以特别可靠且无损的方式来确定材料特性。这种装置例如配置用于汽车工业中的质量保证，优选用于测试涂覆到车身上的漆层厚度或漆层质量。
[0007]表面附近区域是延伸到试样中并且由照射的表面区域限定的区域。例如，试样可以是经涂覆的基材或由钢形成的部件，其通过碳渗具有与部件芯相比碳含量更高的边缘层。在这些情况下，表面附近区域将是延伸到试样中的区域，其中材料特性与部件芯的材料特性或衬底的材料特性不同。
[0008]辐射源用于产生波长范围为50nm至50μm，优选在200nm至15μm之间的电磁辐射。由辐射源产生的辐射的波长取决于形成试样的材料以及其对该波长的辐射的吸收能力。
[0009]辐射源可采用发光二极管，优选发射波长在780nm和2000nm之间(近红外)的光的发光二极管、激光器如CO2激光器、量子级联激光器、Nd
‑
YAG激光器、辐射加热器或市售的发光器件。
[0010]材料特性可以是技术特性、化学特性、物理特性、磁特性、热特性或热物理特性。材料的技术特性例如可以是涂覆到衬底上的层的粗糙度或粗糙度分布。
[0011]材料特性可以是在表面附近区域中的结构变化，例如通过钢材的碳渗、氮化或碳氮化，或者通过材料疲劳引起的结构变化。
[0012]反射的辐射例如可以是辐射源的辐射，或者是优选地可以被设计为激光器的另外的辐射源的辐射，并且利用所述另外的辐射源照射试样表面附近区域。
[0013]照射本专利技术装置所处环境的环境光可被反射。
[0014]有利的是，用于照射至少一个表面区域的辐射源能够如此控制，使得所述辐射源能够进行频率和/或强度调制并且优选配置用于加热至少一个表面区域。在强度调制的情况下，激励(即照射)试样表面附近区域的辐射源的强度周期性地改变，例如正弦形或矩形地改变。激励频率是恒定的。例如，在10Hz的频率下，试样表面附近区域每秒被以相同的方式激励10次。
[0015]在频率调制的情况下，用于激励试样表面附近区域的强度调制的辐射源附加地在其激励频率上改变，例如在如10秒的时间段内以10Hz至1000Hz的频率连续变化。
[0016]可以离散的步进进行频率变化。
[0017]此外，可以利用通过叠加多个离散调制频率，例如通过叠加基波和谐波(多频法)形成的信号来控制辐射源。在多频法中，同时进行多个频率的连续强度调制。
[0018]此外，可以脉冲方式(例如以闪光)强度调制地激励试样表面附近区域。这种辐射脉冲是许多激励频率的叠加。
[0019]通过用电磁辐射源照射引起的热波进入表面附近区域的穿透深度取决于辐射源的照射频率，即激励频率。低的照射频率引起高的穿透深度，而较高的照射频率引起较小的穿透深度。
[0020]通过频率调制例如可以确定多层的层的各个层的特性，因为每个单独的层例如可以被确定的频率激励，并且对于每个单独的层或每个单独的频率，可以检测可评估的测量信号。
[0021]优选地，层的数量对应于离散频率的数量，由所述离散频率通过叠加产生激励信号，利用所述激励信号控制辐射源。
[0022]在本专利技术的一个设计方案中，设有用于对由辐射源产生的辐射进行空间和/或时间上的强度调制的器件，该器件优选地具有可控液晶显示器和/或衍射光学元件。衍射光学元件(DOE)可以用于调节光束的光束几何形状。
[0023]衍射光学元件(DOE)可以是无源的或有源的。无源衍射光学元件可以被构造为相邻列间具有恒定间距的光学光栅，有源衍射光学元件是可控的并且例如被构造为空间光调制器(Spatial Light Modulator
‑
SLM)。可以考虑其电子控制(EASLM)或其光学控制(OASLM)。
[0024]优选地，空间和/或时间调制器件具有液晶显示器(LCD)，所述液晶显示器被装入到辐射源和至少一个表面区域之间的光路中，并且通过逐像素地控制所述液晶显示器，可以将可调节的时间和空间可变的激励图案投射到表面部分上。可以激励表面区域内的待检查区域，例如以便节省用于评估测量信号所需的计算功率。通过液晶显示器，可以对试样表面附近区域进行强度调制和/或频率调制的激励。此外，还可进行空间调制的激励。可对这三种激励方式进行组合。
[0025]对于强度和/或频率调制的照射，液晶显示器的各个像点的辐射透射率将在时间上变化。
[0026]对于空间调制的照射，液晶显示器的各个区域被变为辐射可透过的，而其他区域
被变为辐射不可透过的。可以将特定的测量图案施加到试样上。
[0027]有利的是，该探测装置具有矩阵状布置的传感器区，该传感器区配置用于逐点地检测由至少一个表面区域发射的热辐射和/或用于逐点地检测由至少一个表面区域反射的辐射。传感器区可以是红外(IR)相机或测辐射热计相机的部件。摄像机的每个像点由传感器形成，并且摄像机的分辨率对应于竖直和水平传感器的数量。通过逐像素地检测至少一个表面区域，可以有利地特别精确地确定表面区域内的材料特性。此外，表面区域内的材料特性的变化是可检测的并且可以图形化地示出，例如在显示屏上示出。
[0028]例如，探测装置构造为测辐射热计相机。有利的是，提供一种装置，其具有特别低成本的探测装置，所述探测装置尤其比IR相机更有利。
[0029]其可以构造为热释电相机，即其各个像点由热释电传感器形成的相机。
[0030]在本专利技术的另一设计方案中，探测装置的矩阵状布置的传感器区的每个传感器构造为测辐射热式探测器、热电偶或基于半导体的探测器。测辐射热计相机有利地特别紧凑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定试样表面附近区域(6；6a；6b；6c)中试样(5；5a；5b；5c)的材料特性的装置(1；1a；1b；1c)，所述装置具有用于照射所述试样的至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)的至少一个电磁辐射源(2；2a；2b；2c)以及用于检测由所述表面区域发射的热辐射(9；9a；9b)和/或用于检测由所述试样的表面区域(4；4a；4b；4c)反射的辐射(31)的探测装置(8；8a；8b；8c)，其特征在于，设有评估装置(13；13a；13b；13c)，用于根据所发射的热辐射(9；9a；9b)和/或所反射的辐射(31)测定待确定的材料特性。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于照射所述至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)的所述辐射源(2；2a；2b；2c)能够如此被控制，使得其所述辐射(3；3a；3b；3c)能够进行频率和/或强度调制并且优选配置用于加热所述至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设有用于对由所述辐射源产生的辐射(3；3a；3b；3c)进行空间和/或时间上的强度调制的器件(14；22；14b；22c)，所述器件优选具有可控液晶显示和/或衍射光学元件(22)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测装置(8；8a；8b；8c)具有矩阵状布置的传感器区，所述传感器区配置用于逐点地检测由所述至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)发射的热辐射(13；13a；13b)和/或用于逐点地检测由所述至少一个表面区域(4；4a；4b；4c)反射的辐射(31)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测装置(8；8a；8b；8c)的矩阵状布置的传感器场的每个传感器构造为测辐射热式探测器、热电偶、基于半导体的探测器或热释电传感器。6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述评估装置(13；13a；13b；13c)包括用于放大由所述探测装置检测到的测量信号(12)的器件(10；10a；10b；10c)，优选地包括至少一个锁相放大器(10；10a；10b；10c)。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述放大器件(10；10a；10b，10c)配置用于放大所述探测装置(8；8a；8b；8c)的矩阵状传感器场的每个传感器的测量信号(12)。8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡，
申请(专利权)人：安目赛思特睦公司，
类型：发明
国别省市：