远东无损检测激光红外热波成像在膜厚测量中应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,江海军,，陈力,南京诺威尔光电系统有限公司,激光扫描红外热波成像在膜厚测量中应用,目录,1,2,4,膜厚测量现状分析,激光扫描红外热波成像技术测厚原理分析,检测平台与实验结果,总结,3,随着涂层及薄膜材料的广泛应用，工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，,比如要求,在线,、,动态,、,非接触,、,实时进行测量,等等,，膜层厚度测试变得尤为重要，常见的膜厚测量分为接触式与非接触式，如表,1,所示。,表,1,：薄膜厚度测量技术对比,膜厚测量现状分析,1,红外热波无损检测技术是近代发展起来的一项无损检测手段，相比传统的无损检测手段，如超声波、涡流、,X,射线等技术，红外热波成像技术具有独特的优势，比如非接触、大面积成像、对热学性质敏感等，因此能够满足现代工业很多对膜层厚度进行检测的要求。,目录,6,1,2,32,4,膜厚测量现状分析,激光扫描红外热波成像技术测厚原理分析,检测平台与实验结果,总结,图,2-1,：激光扫描红外热波成像技术示意图,图,2-2,：试件表面温度,-,时间变化曲线,激光扫描红外热波成像无损检测技术原理,2,2.1,激光扫描无缺陷区域温度场分析,在,t=0,时刻植入,点,热源后，样品中的温度梯度场分布为：,其中，,Q-,电热源瞬时发热量，,-,密度，,c-,比热容，,-,热扩散系数；,一般常见的激光分布为高斯型，设激光中心功率密度为,P0,光斑半径为,R,，则功率密度分布函数为：,设样品表面对光能的吸收系数,0,，则求得高斯分布激光沿着,x,轴正向以速度,v,扫描作用下,t,时刻样品表面温度梯度场分布,:,如果采用高斯分布的线光源，则需要对,y,方向进行积分：,图,2-3,：激光扫描二维热传导模型,热波信号的快速衰减，无缺陷区域可看为半无限大空间,；,缺陷区域可看成有限厚度区域，对于有限厚热传导分析，通常采用“镜像热源法”,；,“镜像热源法”的核心在于把绝热边界看成一面镜子介质内某处的温度分布看成真实热,源与无限个镜像热源效果的迭加,。,综合各个热源的作用，对于厚度为,d,的试件，在试件表面,z=0,，得到温度分布方程为：,2.2,激光扫描有缺陷区域温度场分析,图,2-4,：具有两个绝热边界时的镜像热源,上述讨论中，所有参数没有一项与缺陷的属性有相关性，主要在于“镜像热源法”假定缺陷界面为绝热界面，所有热波在缺陷界面内发生全反射，没有考虑界面下缺陷的特性对热波传播的影响。,对于实际情况，热波在两种不同介质组成的材料传递过程中，在两种不同介质的界面处热波将会发生反射和透射现象,；,2.2,激光扫描有缺陷区域温度场分析,图,2-5,：,热波在界面处传播示意图,边界条件：,2.2,激光扫描有缺陷区域温度场分析,对于红外无损检测，热源通常采用正入射的激励方式，即,，利用反射定律与透射定律，在界面处的反射系数和透射系数可以表示为：,由上述分析可得，热波在双层结构组成的样品中传播时，考虑界面的反射与透射，则样品表面温度梯度场为：,图,2,温度“波线”,的行波,激光扫描样品表面的温度梯度场分布是红外热波无损检测技术研究的一个重要参数，与运动点热源类似，激光扫描样品表面温度场也存在一个等效时间,t,0,，,t,0,以后时刻激光扫描作用点在一定范围内的温度与,t,0,时刻的作用点相对应的范围内温度相等。如图,2-6,所示，激光扫描速度,3cm/s,，曲线,1,对应于7s,样品表面温度空间曲线，曲线,2,对应于,9s,样品表面温度空间曲线,。,2.3,温度场空间曲线分析,图,2-6,：温度波线“行波”,2.3,温度场空间曲线分析,则温度场,T,是,x,的函数为,：,从而可以推导出,：,上述用“温度波线行波法”定义线型激光扫描样品表面温度梯度场数学模型，可以使长时间激光扫描均品表面的温度梯度场数学表达和计算简化。,从而，激光扫描样品表面温度场在点,的冷却速度数学表达式为：,分别对等式两边进行积分，一个对时间进行积分，一个对空间距离进行积分，得到,上式,的物理意义是：激光扫描样品表面温度梯度场在点,处的温度时间曲线为相对应的,x,轴方向的温度空间曲线与扫描速度的乘积。从而，可以把样品表面的温度时间曲线转化为样品的温度空间曲线。负号的意义在于温度时间曲线与温度空间曲线方向是反向的。,2.3,温度场空间曲线分析,图,2-7,与图,2-8,所示为薄膜样品表面温度时间和空间理论曲线，激光扫描,v=11cm/s,，光斑半径,3mm,，激光功率,200w,，薄膜厚度,50m,，图,3,中为空间距离为,30cm,处，样品表面温度时间曲线，图,4,为时间为,3s,处，样品表面温度空间曲线。,图,2-7,：,样品表面温度随时间变化曲线,图,2-8,：,薄膜表面温度随空间距离变化曲线,2.3,温度场空间曲线分析,目录,6,1,2,3,2,4,膜厚测量现状分析,激光扫描红外热波成像技术测厚原理分析,检测平台与实验结果,总结,显示器,扫描检测单元,测试平台,控制系统,图,3-1,激光扫描红外热波膜厚测量设备,图,3-1,所示的为激光扫描红外热波检测设备，该设备主要由控制系统、扫描检测单元、测试平台部分组成。扫描检测单元由激光器即冷却系统、扫描振镜、热像仪及光路系统等组成，实现激光对样品表面的扫描。热像仪完成红外图像的采集。扫描控制系统用于控制热像仪和激光扫描振镜之间的同步。控制系统用于硬件控制、系统监测、图像分析与处理等。,3.1,检测平台,为了验证检测原理我们制做了一个简单样品，采用,50m,的特殊胶带粘附在铝板上，从左到右层数分别从一层到七层，厚度约为,50m,到,350m,左右，采用激光束扫描，得到热波图像如图,3-2,所示。在每个厚度的中心沿激光扫描的垂直方向取样，得到图,7,所示的热波信号随空间变化的曲线。这些曲线可以明显地区分不同厚度的薄膜，并具有很好的重复性。,350m,的曲线不平整，有多个突起，从图,3-2,可以看出这些都是样品本身制作时产生的空谷“缺陷”所造成。,3.2,实验结果,图,3-2,：,薄膜厚度检测样品的热波图,300 250 200 150 100 50,单位：,m,图,3-3,：,薄膜厚度检测样品的热波信号在空间分布曲线,从图,3-3,中可以看到，不同厚度的薄膜，其空间下降曲线是不一样的，由上述分析理论可以得知，温度空间曲线与温度时间曲线可以相互转化，通过温度空间曲线可以在单帧图像中得到。通过温度空间理论曲线来拟合实验曲线，便可以检测出膜层的厚度，,3.2,实验结果,300 250 200 150 100 50,单位：,m,图,3-4,为实验曲线的拟合。表,1,为膜层厚度测量，左边为涡流测厚仪测量得到，涡流测厚仪可单点测量磁性金属基地上非磁性涂层厚度测量，测量重复性不高；右边为通过激光扫描红外热波测厚设备测量得到，通过该技术测量的曲线重复性高、测量精度在,5%,以内。,3.2,实验结果,图,3-4,：实验数据拟合,3.2,实验结果,图,3-5,：,涂层可见光图像,图,3-6,：,涂层红外光图像,图,3-7,：,涂层,热波信号在空间分布曲线,涂层样品可见光图像如图,3-5,所示，激光扫描速度为,23cm/s,，其红外图像如图,3-6,所示，热波信号空间分布曲线如图,3-7,所示。,29m 39m 52m 63m 85m,目录,6,1,2,32,4,膜厚测量现状分析,激光扫描红外热波成像技术测厚原理分析,检测平台与实验结果,总结,总结,以“温度波线行波法”分析得出了使长时间激光扫描样品表面温度场函数简化,；,以公式推导出了激光扫描样品表面温度时间曲线与温度空间曲线的关系，并用理论曲线进行了验证；,提出用样品表面温度空间曲线与温度时间曲线转化，从而可以用样品表面温度空间曲线进行拟合对样品厚度进行测量；,通过激光扫描红外热波成像设备对,50m-350m,膜层样品进行了测试，并用数据拟合的方式对膜层厚度进行了测量，测量精度在,5%,以内；,5,