基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法及系统

技术领域

本发明涉及材料平面度检测技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法及系统。

背景技术

材料的平面度是指材料局部表面具有的凹凸高度相对理想平面的偏差，即我们通常所说的材料局部表面平面度。在精准部件装配和精密机械加工等相关领域，材料平面度的表征具有广泛的应用背景，例如，在部件装配领域，平面度直接影响整机的工作性能；在机械加工领域，平面度是评价加工工艺的关键质量指标。

当前，平面度的定量表征手段多属于接触式测量方案，如塞尺测量法、液平面法、水平仪测量法和打表测量法。这些方法在进行正式测量前，通常先将待测材料放置于专用样品平台上，再通过细致分析待测材料的构型来确定理想表面和测量区域的分布方案。此类表征手段普遍存在效率低、对操作人员的技术水平要求高、对材料表面可选择的测量区域受限等缺点，不具备对材料平面度进行原位、快速的定量表征功能。

发明内容

本发明为解决当前平面度的定量表征手段多属于接触式测量方案，存在对操作人员的技术水平要求高、对材料表面可选择的测量区域受限的技术问题，提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法，其特征在于，用于定量表征待检测材料的平面度，所述方法包括：

S1、标准测试：准备与待检测材料材质相同、端面平滑的定标样本，通过激光诱导击穿光谱技术对定标样本进行激光辐照采样操作，逐步定量调整定标样本与激光辐照设备之间的距离，得到定标样本在与激光辐照设备不同距离下的检测数据；

S2、定标曲线确定：选取数据值与定标样本、激光辐照设备之间距离呈一一对应关系的光谱特征参数作为比对特征参数，提取不同距离下的检测数据中的比对特征参数数据值，以定标样本、激光辐照设备之间距离和光谱特征参数数据值作为横纵坐标，制得定标曲线；

S3、平面度测试：以标准测试中的测试参数对待检测材料的各个测试区域进行激光辐照采样操作，将各个测试区域的比对特征参数与定标曲线进行比对，定量出待检测材料局部平面度信息。

进一步的，所述激光辐照设备采用垂直入射的方式对定标样本、待检测材料进行聚焦脉冲激光束辐照检测。

进一步的，所述激光辐照设备产生的激光束的焦平面设置在偏离标样本、待检测材料的后方。

进一步的，在步骤S1中，所述通过激光诱导击穿光谱技术对定标样本进行激光辐照采样操作，逐步定量调整定标样本与激光辐照设备之间的距离，得到定标样本在与激光辐照设备不同距离下的检测数据包括：

将定标样品放置在可精密连续调节的三维移动平台；

激光辐照设备提供的脉冲激光束经过聚焦透镜后，辐照到定标样品的上端面，通过激光烧蚀产生等离子体，采集单激光脉冲引起的LIBS光谱，得到检测数据；

以设定的步长移动样品平台，使定标样品上端面到焦平面的距离相对于事先设定的初始距离逐步递增，分别采集得到不同距离下的检测数据。

进一步的，在步骤S2中，所述比对特征参数包括单一元素对应的特征谱线强度/宽度，或者两个特征谱线的强度比。

进一步的，在步骤S2中，定标曲线以焦平面到定标样品上端面的距离作为横坐标，以特征谱线强度或者特征谱线的强度比的数值作为纵坐标建立得到。

进一步的，步骤S3具体包括：

固定构建定标曲线时所用的设备参数；

通过激光辐照设备逐步对待检测材料表面选定的各测量区域进行测试，采集产生的激光等离子发射光谱，得到待检测材料各测量区域的检测数据；

提取待检测材料各测量区域的检测数据中的比对特征参数，将各测量区域的比对特征参数数据值与定标曲线进行比对，定量出待检测材料局部平面度的信息。

进一步的，在步骤S3中，所述标准测试中的测试参数包括激光辐照设备与定标样本之间的相对位置、激光参数和光谱采集参数。

另一方面，本发明还提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征系统，包括激光辐射设备和采集设备；所述激光辐射设备用于提供测试用的脉冲激光束所述采集设备用于采集定标样品、待检测材料测试后的光谱，得到检测数据；所述系统通过激光辐射设备和采集设备，执行上述的基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法。

进一步的，还包括三维移动平台，所述，三维移动平台用于搭载定标样品，并能够定量调整激光辐射设备和定标样品之间的距离。

本发明利用激光诱导击穿光谱技术对与待检测材料材质相同、端面平滑的定标样本做检测采样，通过测不同距离下的定标样本，提取出与定标样本测试距离相关的参数并制成定标曲线，通过定标曲线作为材料平面度的表征曲线，定量出待检测材料局部平面度信息。该方法能在无接触的情况下定量出待检测材料局部平面度的信息，测试效率高，对操作人员的技术水平要求低，且局限性小，具备对材料平面度进行原位、快速的定量表征功能。

附图说明

图1为本发明实施例中基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法的结构流程图。

图2为本发明实施例以单一元素对应的特征谱线作比对特征参数的定标曲线图一。

图3为本发明实施例以单一元素对应的特征谱线作比对特征参数的定标曲线图二。

图4为本发明实施例以两个特征谱线的强度比作比对特征参数的定标曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

实施例一

图1为本发明实施例中基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法的结构流程图。

本实施例提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法，该方法通过激光诱导击穿光谱技术来对待检测材料的平面度定量表征，其中，激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴的材料表面化学成分分析技术，具有原位、快速的分析特点，在工业过程监测领域具有广阔的应用前景。LIBS(Laser-induced breakdown spectroscopy，激光诱导击穿光谱技术的简称)技术是利用一束聚焦的脉冲激光烧蚀局部材料表面，产生微等离子体，通过测量微等离子体的发射光谱实现材料表面化学成分的定量分析其中，脉冲激光烧蚀局部材料表面的大小通常几十到几百微米的区域。LIBS技术在完成整个分析的过程中仅涉及到了微米尺度区域的光接触，因此，它对分析区域的选择几乎不受材料宏观形状的限制，同时还表现出了高位置分辨的表面分析能力。

由于LIBS技术产生的微等离子体的状态会受到分析区域，即激光辐照区域表面平面度的影响，进而会导致等离子体的发射光谱特征与材料局部平面度存在相关性。因此，本实施例通过定义一个可灵敏表征材料平面度的光谱探针，将具有高位置分辨的LIBS技术拓展应用于原位、快速的表征材料平面度。

基于LIBS技术，本实施例通过对与待检测材料材质相同、端面平滑的定标样本进行标准测试，制得定标曲线来对待检测材料的平面度做定标表征。具体的，如图1所示，该方法具体包括：

S1、标准测试：准备与待检测材料材质相同、端面平滑的定标样本，通过激光诱导击穿光谱技术对定标样本进行激光辐照采样操作，逐步定量调整定标样本与激光辐照设备之间的距离，得到定标样本在与激光辐照设备不同距离下的检测数据。

其中，定标样本作为理想样本，充当待检测材料的比对样本。定标样本在不同距离下的激光辐照操作所得到的检测数据，可以作为待检测材料的比对数据，来表征待检测材料各个局部区域之间的平面度情况。

在测试的过程中，固定好定标样品后，激光辐照设备提供的聚焦脉冲激光辐照定标样品上端面产生等离子体，采集设备采集产生的等离子体的发射光谱，作为定标样品在该距离下的检测数据。定量调整定标样品的位置，重复激光束辐射-采集的操作，获得定标样品在多个距离段的检测数据。其中，距离是指定标样本与激光辐照设备之间的距离，当然，由于检测过程中激光辐照设备和聚焦透镜的位置不变，因此，距离也可以是定标样品和焦平面之间的距离。

S2、定标曲线确定：选取数据值与定标样本、激光辐照设备之间距离呈一一对应关系的光谱特征参数作为比对特征参数，提取不同距离下的检测数据中的比对特征参数数据值，以定标样本、激光辐照设备之间距离和光谱特征参数数据值作为横纵坐标，制得定标曲线；

其中，由于本方法用于表征材料平面度，即通过不同距离的定标样本的检测数据来比对材料平面度检测数据，来对材料平面度进行表征，因此，比对特征参数的选取需要与激光辐照设备/焦平面到定标样品上端面位置的距离具有可观测的相关性。例如，在定标样本测试距离不断增加的情况下，数值逐渐减少的光谱特征参数，即可作为比对特征参数。相对应的，比对特征参数也可以选取某两个特征谱线的强度比，而不是局限于单一元素的光谱特征参数。

在制定定标曲线时，其横纵坐标分别选用定标样本的测试距离和比对特征参数数据值，清楚的显示出测试距离和比对特征参数数据值的关系。

S3、平面度测试：以标准测试中的测试参数对待检测材料的各个测试区域进行激光辐照采样操作，将各个测试区域的比对特征参数与定标曲线进行比对，定量出待检测材料局部平面度信息。

其中，在待检测材料检测的过程中，各种测试参数应该与标准测试时保持一致，从而控制变量，保证比对的可靠性。测试参数包括有激光辐照设备/焦平面的位置、激光辐照强度、光谱采集参数，即在标准测试的情况下，将定标样品替换成待检测材料。具体的，待检测材料和激光辐照设备之间的距离可以选用定标样品测试时的中间距离值，以保证待检测材料的凹凸区域均可以得到表征。

作为优选的，激光辐照设备采用垂直入射的方式对定标样本、待检测材料进行聚焦脉冲激光束辐照检测，这样能够便于定标样品距离的定量调整以及待检测材料平面度的计算。同样优选的，激光辐照设备产生的激光束的焦平面设置在偏离标样本、待检测材料的后方。

本实施例的好处在于，该材料平面度表征方法通过对不同距离下的定标样本做检测采样，提取出与定标样本测试距离相关的参数并制成定标曲线，通过定标曲线作为材料平面度的表征曲线，定量出待检测材料局部平面度信息。该方法能在无接触的情况下定量出待检测材料局部平面度的信息，测试效率高，对操作人员的技术水平要求低，且局限性小，具备对材料平面度进行原位、快速的定量表征功能。

实施例二

本实施例同样公开一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法，与实施例一的不同在于，本实施例还提供一些实施方式。

在本实施例中，作为优选的，在步骤S1中，步骤通过激光诱导击穿光谱技术对定标样本进行激光辐照采样操作，逐步定量调整定标样本与激光辐照设备之间的距离，得到定标样本在与激光辐照设备不同距离下的检测数据包括：

将定标样品放置在可精密连续调节的三维移动平台；

激光辐照设备提供的脉冲激光束经过聚焦透镜后，辐照到定标样品的上端面，通过激光烧蚀产生等离子体，采集单激光脉冲引起的LIBS光谱，得到检测数据；

以设定的步长移动样品平台，使定标样品上端面到焦平面的距离相对于事先设定的初始距离逐步递增，分别采集得到不同距离下的检测数据。

其中，三维移动平台与激光辐照设备提供的激光束相对设置，定标样品固定在三维移动平台上，通过三维移动平台来定量调整与激光辐照设备之间的距离。

作为优选的，在步骤S2中，比对特征参数包括但不仅限于单一元素对应的特征谱线强度/宽度，或者两个特征谱线的强度比。同样优选的，定标曲线以焦平面到定标样品上端面的距离作为横坐标，以特征谱线强度或者特征谱线的强度比的数值作为纵坐标建立得到。

作为优选的，步骤S3具体包括：

固定构建定标曲线时所用的设备参数；

通过激光辐照设备逐步对待检测材料表面选定的各测量区域进行测试，采集产生的激光等离子发射光谱，得到待检测材料各测量区域的检测数据；

提取待检测材料各测量区域的检测数据中的比对特征参数，将各测量区域的比对特征参数数据值与定标曲线进行比对，定量出待检测材料局部平面度的信息。

其中，设备参数包括有激光辐照设备与定标样本之间的相对位置、激光参数和光谱采集参数。待检测材料通过平移的方式，调整各测量区域接收激光束的激光辐射测试。得到待检测材料各测量区域的检测数据后，将各测量区域的比对特征参数数据值与定标曲线进行比对，例如，若待检测材料两个测量区域的比对特征参数数据值分别为A、B，而数据值A、B分别在定标曲线中为5.0mm和5.2mm，可以确定数据值A的测试区域相对于数据值B的测试区域相对凸起，且平面距离相差0.2mm。

为了更好的操作体验，提供本实施例的一个具体实施方式。

在该实施方式中，待检测材料为合金钢材料。

选用购置于中国标准物质网的一个合金钢材料作为定标样品，对本发明进行阐述。选用的定标样品的化学成分均匀且已知，其形状为圆柱状，其底面直径30mm，高26mm，且两端面的平面度好于50微米。

在标准测试中，将定标样品放置在可精密连续调节的三维移动平台上，LIBS系统提供的脉冲激光束经过一聚焦透镜后，垂直辐照到定标样品的上端面，通过激光烧蚀产生等离子体。激光脉冲能量设置为恒定值，被辐照的定标样品端面的初始位置设置在焦平面前方若干毫米处，对应激光辐照到定标样品端面的光斑可设置在几十或者百微米范围内。等离子发射光谱的采集时间门的起始时间相对于激光脉冲延时百纳秒或者几个微秒，在光谱采集的过程中，样品台设置在垂直于激光束的平面上做扫描平动。

在平行于激光传输方向，以设定的步长移动样品台，使定标样品上端面到焦平面的距离逐步事先设定的初始位置递增，对应模拟出了具有不同平面度情况；在每个模拟平面度的情况下，分别采集若干单激光脉冲引起的LIBS光谱，得到定标样品在不同位置下的检测数据。

在定标曲线确定中，对每个模拟平面度的情况，即定标样品在不同位置下的检测数据，采用相同数目的单激光脉冲LIBS光谱进行叠加，以Fe II 322.79nm和Fe I 404.58nm这两条谱线为例，提取出特征谱线的发射强度信息。

以焦平面到定标样品上端面的距离为横轴，分别以选定谱线的发射强度、以及选定谱线的发射强度比为纵轴，建立平面度与特定谱线参数之间的定标曲线，具体可以参阅图2-4。其中，图2是以Fe II 322.79nm作为比对特征参数，图3是以图4为Fe I 404.58nm作为比对特征参数，而图4是以Fe II 322.79nm和Fe I 404.58nm的强度比作为比对特征参数

定标曲线构建了采用定标样品模拟的平面度与光谱参数存在特征明显的相关性，即三个具体的谱线参数与平面度均呈现出了单调的近线性关系，且暗示了该实施案例能够实现较高精度的平面度的定量表征。

在平面度测试中，固定构建定标曲线时所用的设备参数，并基于这些参数逐步测量在待检测材料表面选定的各测量区域处产生的激光等离子发射光谱，并获得对应的光谱参数。

将选取的各测量区域对应的光谱参数与已构建的定标曲线进行比对，即可定量出待检测材料局部平面度的信息。

实施例三

本实施例一种基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征系统，该系统包括激光辐射设备和采集设备，激光辐射设备用于提供测试用的脉冲激光束采集设备用于采集定标样品、待检测材料测试后的光谱，得到检测数据。该系统通过激光辐射设备和采集设备，执行基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法，该方法包括：

S1、标准测试：准备与待检测材料材质相同、端面平滑的定标样本，通过激光诱导击穿光谱技术对定标样本进行激光辐照采样操作，逐步定量调整定标样本与激光辐照设备之间的距离，得到定标样本在与激光辐照设备不同距离下的检测数据；

S2、定标曲线确定：选取数据值与定标样本、激光辐照设备之间距离呈正相关的光谱特征参数作为比对特征参数，提取不同距离下的检测数据中的比对特征参数数据值，以定标样本、激光辐照设备之间距离和光谱特征参数数据值作为横纵坐标，制得定标曲线；

S3、平面度测试：以标准测试中的测试参数对待检测材料的各个测试区域进行激光辐照采样操作，将各个测试区域的比对特征参数与定标曲线进行比对，定量出待检测材料局部平面度信息。

具体的，本实施例的基于激光诱导击穿光谱技术的材料平面度表征方法采用实施例一或实施例二中的方法。

优选的，材料平面度表征系统还包括三维移动平台，，三维移动平台用于搭载定标样品，并能够定量调整激光辐射设备和定标样品之间的距离。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。