本发明涉及合金物理性质测量的工业无损评价领域，特别涉及一种面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统。
背景技术：
1、对特定合金材料性能的评价需要依靠对其多项物理性质的标准测试，如使用几何量具、拉伸机、热导率测试仪、膨胀系数测试仪等分别对样件尺寸、力学载荷强度、热性能、热力学耦合性能进行测定。传统测量仪器具有较为成熟的技术方案和可靠性能，但多项物理特性的测量需要依托数台测试设备，效率低下。同时为匹配不同测试仪器夹具或样品台，测试前需准备不同形状、尺寸和规格的样品，存在一定的冗余浪费。因此面向合金材料快速高效表征需求，研究可实现多参数同时测定的综合测量系统，可有效提升材料表征效率，减少浪费，节约测试成本，促进新型合金材料技术的发展。
2、为实现基于单一系统的合金多物理量同时测定，其测试原理应包含多个物理过程的相互耦合，并采用一定的测试方案准确提取各物理场的关键信息，从而达到对材料热物性和弹性参数的测量。随着高性能调制激光技术的不断发展，高强度相关光与物质相互作用的机理研究不断深化，依靠激光照射被测样品诱发多重物理场的变化逐渐成为用于材料表征的一种全新思路。近年来大量研究表明，高能量相干激光在固体弹性材料中可诱导产生热弹或烧蚀效应，进而演变为扩散波和弹性波，可用于对材料局部的检测与表征。这一方法依靠激光照射，具有完全非接触的优势，同时依靠光纤激光技术方案可实现对光路的灵活布置，在场激发层面具备快速、敏捷的独特优势，其诱导产生的多物理场相互耦合，包括了非富的材料信息，有望成为新一代合金材料物理特性表征的全新技术路径。
3、截止目前，尚无采用单一调制激光注入完成对合金样品材料多个物理参数动态地、同时地、非接触地测量系统报道。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，以实现对合金材料多个物理参数的动态、同时、非接触测量。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，包括半导体激光器、光纤-空间光耦合器、电控空间光准直聚焦单元、近场微波探针、微波信号处理单元、信号中转单元和集成控制单元；
4、所述集成控制单元产生调制与反馈信号作用于半导体激光器调制其强度，输出光强时谐调制激光束，并传递至所述光纤-空间光耦合器，再经过所述电控空间光准直聚焦单元照射至合金样品的一侧中心，形成时谐变化的热流量，合金样品在热流量的注入下，局部产生周期性温度升降，形成周期性热弹形变；
5、所述近场微波探针布置在所述合金样品的另一侧，动态测定所述周期性热弹形变，并将携带有动态形变场信息的微波信号传递至微波信号处理单元，所述微波信号处理单元对微波信号解调形成可定量表征合金样品的动态形变解调信号，并实时传递至所述信号中转单元；
6、所述信号中转单元合成面型扫描二维图像，并以双向控制与图像传输信号的形式发送至所述集成控制单元，在所述集成控制单元中进行图像标定和参数拟合，获得样品厚度、热导率、体积模量-线胀系数积三个物理量数值及误差范围。
7、在一个实施例中，所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统还包括：三轴位移平台，三轴位移平台的其中一个位移方向与合金样品所在平面法向平行，与之正交的两个方向通过步进的方式实现对合金样品特定区域的二维面扫描；
8、所述近场微波探针设置在所述三轴位移平台上，通过所述三轴位移平台控制位置，实现对合金样品的平面扫描，获得平面内合金样品动态形变场的完整数据。
9、在一个实施例中，所述信号中转单元包括通过数据传输总线实现总线式拓扑连接的扫描传感单元、扫描驱动单元和图像合成单元；所述扫描传感单元、扫描驱动单元、图像合成单元和三轴位移平台共同构成伺服扫描系统，负责执行集成控制单元发送的双向控制与图像信号传输总线的指令；其中所述图像合成单元将动态形变解调信号进行二维图像合成，完整构建动态热弹形变场分布图像。
10、在一个实施例中，所述集成控制单元包括任意波形发生器、准直聚焦单元控制器、信号锁存与缓冲单元和上位计算机；所述准直聚焦单元控制器负责对所述电控空间光准直聚焦单元进行电子调控，在上位计算机的设定下调整诱导激光的光学参数；所述信号锁存与缓冲单元将上位计算机输出的扫描控制信号经过锁存传至扫描驱动单元，并通过数据缓冲器将图像合成单元送达的图像数据发送至上位计算机，并在上位计算机完成面型数据拟合和参数拟取。
11、在一个实施例中，所述扫描控制信号由扫描驱动信号和扫描位置信号组成，为双向传输信号；其中扫描驱动信号用于驱动三轴位移平台沿三个方向扫描位移；扫描位置信号用于反馈三轴位移平台当前的扫描位置坐标，最终通过数据传输总线将信息传送至集成控制单元。
12、在一个实施例中，所述动态形变解调信号包括时谐形变场的幅度和形变场相位双通道，双通道数据传送至图像合成单元构成形变幅度场和相位场两种图像，用于后续解析与参数提取。
13、在一个实施例中，所述上位计算机依次完成：
14、1)调用扫描控制子程序对伺服扫描系统进行控制，调用数据采集控制子程序，通过实验测量微波信号解调出动态形变场分布；
15、2)基于光热耦合的热扩散模型，假定样品厚度和热导率值完成初始化，通过后向差分法计算理论情况下的温度场；随后对样品体积模量-线胀系数积进行初初始化，基于有限元模型完成动态形变场求解，获取形变场理论解；计算形变场理论解和实测数据的偏差，设为目标函数，通过数值化全域搜索算法完成二维形变拟合反演获取样品厚度、热导率、体积模量-线胀系数积三个物理量数值。
16、所述的数值化全域搜索算法由以下步骤构成：
17、第一步，如2)所描述，获取实测二维形变场数据(记为se)和理论值(记为st)，计算实测值与理论值的偏差，作为最优化目标函数；
18、第二步，确定待拟合参数的上下边界集合bd，参数拟合最优化问题即：
19、
20、第三步，采用蒙特卡洛最优化方法生成三个物理量可能的数值；
21、第四步，返回第一步并继续迭代，直到目标函数最小化，得到最优化样品厚度、热导率、体积模量-线胀系数积三个物理量数值。
22、在一个实施例中，所述近场微波探针为多组件的集成模块，采用同轴圆柱密闭腔型结构，并在一端配备一个几何尺度远小于工作频率下微波波长的针尖。
23、在一个实施例中，所述微波信号处理单元包括射频信号发生器、定向耦合器、环形器、混频器、滤波器和锁相放大器；所述射频信号发生器输出的射频信号通过所述定向耦合器耦合传递至所述环形器和混频器，所述环形器与所述近场微波探针之间通过阻抗匹配端口连接，与所述定向耦合器共同实现微波信号的单端口双向复用传输；携带有动态形变场信息的微波信号依次经过混频器、滤波器和锁相放大器后完成解调，形成可定量表征合金样品的动态形变解调信号。
24、在一个实施例中，所述调制反馈信号为双向周期信号，频率范围从0.01hz至1000hz，由波形发生器产生，在单周期上的波形根据频率特征需要设定；所述半导体激光器在接收到调制反馈信号后经过稳频和锁相环后反馈当前频率，构成调制反馈信号的反馈信号，一路送至集成控制单元，用于频率的实时跟踪记录，另一路送至微波信号处理单元，作为锁相放大器的参考信号。
25、在一个实施例中，所述电控空间光准直聚焦单元包括外壳体、透镜组、导轨和电控位移单元；所述透镜组由至少两组透镜组成，每组分别安装于一个电控位移单元，所述电控位移单元安装于所述导轨，所述集成控制单元送出准直聚焦控制信号，控制所述电控位移单元沿所述导轨运动，通过对透镜组中各组透镜的位移控制达到激光准直聚焦的电控。
26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27、本发明提供的一种面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，依靠内调制激光实现对合金样品中动态热弹形变场的远程激发，通过任意波形发生器产生波形经过设计的周期性激励波形，具有宽频谱、高动态范围、强度可调等显著优势；对样品动态热弹形变场的测量利用了近场微波对合金动态形变的高敏感性，采用近场微波探针与微波信号处理单元相结合的近场电磁波探测与多物理场耦合信号解调方案，具有非接触、低扰动、低成本、模块化成熟等优势，创新性突出；构建集成控制单元，同时具备测试扫描指令信号的传递和扫描信号数据的获取功能，使整个系统依赖一台上位计算机完成完整自动化测试；通过构建的基于光-热-弹耦合解析物理模型与有限元分析数值计算相结合的手段，同时实现材料厚度、热导率、体积模量-线胀系数积三个物理量的提取，达到了基于单一测试系统和单类测量过程有效测定合金样品多项物理参数的最终目的。该系统可服务于金属产品制造、材料研究、金属结构性能研究等领域，提取完整、便捷、快速的测试与评价，具有十分重要的产业应用与科学研究价值。
1.一种面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，包括半导体激光器(1)、光纤空间光耦合器(3)、电控空间光准直聚焦单元(4)、近场微波探针(7)、微波信号处理单元(8)、信号中转单元(10)和集成控制单元(11)；
2.根据权利要求1所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统还包括：三轴位移平台(9)，三轴位移平台(9)的其中一个位移方向与合金样品(6)所在平面法向平行，与之正交的两个方向通过步进的方式实现对合金样品(6)特定区域的二维面扫描；
3.根据权利要求2所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述信号中转单元(10)包括通过数据传输总线(101)实现总线式拓扑连接的扫描传感单元(102)、扫描驱动单元(103)和图像合成单元(104)；所述扫描传感单元(102)、扫描驱动单元(103)、图像合成单元(104)和三轴位移平台(9)共同构成伺服扫描系统，负责执行集成控制单元(11)发送的双向控制与图像信号(17)传输总线的指令；其中所述图像合成单元(104)将动态形变解调信号(16)进行二维图像合成，完整构建动态热弹形变场分布图像。
4.根据权利要求3所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述集成控制单元(11)包括任意波形发生器(111)、准直聚焦单元控制器(112)、信号锁存与缓冲单元(113)和上位计算机(114)；所述准直聚焦单元控制器(112)负责对所述电控空间光准直聚焦单元(4)进行电子调控，在上位计算机(114)的设定下调整诱导激光的光学参数；所述信号锁存与缓冲单元(113)将上位计算机(114)输出的扫描控制信号(15)经过锁存传至扫描驱动单元(103)，并通过数据缓冲器将图像合成单元(104)送达的图像数据发送至上位计算机(114)，并在上位计算机(114)完成面型数据拟合和参数拟取。
5.根据权利要求4所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述扫描控制信号(15)由扫描驱动信号(151)和扫描位置信号(152)组成，为双向传输信号；其中扫描驱动信号(151)用于驱动三轴位移平台(9)沿三个方向扫描位移；扫描位置信号(152)用于反馈三轴位移平台(9)当前的扫描位置坐标，最终通过数据传输总线将信息传送至集成控制单元(11)；所述动态形变解调信号(16)包括时谐形变场的幅度和形变场相位双通道，双通道数据传送至图像合成单元(104)构成形变幅度场和相位场两种图像，用于后续解析与参数提取。
6.根据权利要求4所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述上位计算机(114)依次完成：
7.根据权利要求6所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述数值化全域搜索算法包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述近场微波探针(7)为多组件的集成模块，采用同轴圆柱密闭腔型结构，并在一端配备一个几何尺度远小于工作频率下微波波长的针尖；所述微波信号处理单元(8)包括射频信号发生器(81)、定向耦合器(82)、环形器(83)、混频器(84)、滤波器(85)和锁相放大器(86)；所述射频信号发生器(81)输出的射频信号通过所述定向耦合器(82)耦合传递至所述环形器(83)和混频器(84)，所述环形器(83)与所述近场微波探针(7)之间通过阻抗匹配端口连接，与所述定向耦合器(82)共同实现微波信号的单端口双向复用传输；携带有动态形变场信息的微波信号(14)依次经过混频器(84)、滤波器(85)和锁相放大器(86)后完成解调，形成可定量表征合金样品(6)的动态形变解调信号(16)。
9.根据权利要求1所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述调制反馈信号(12)为双向周期信号，频率范围从0.01hz至1000hz，由波形发生器产生，在单周期上的波形根据频率特征需要设定；所述半导体激光器(1)在接收到调制反馈信号(12)后经过稳频和锁相环后反馈当前频率，构成调制反馈信号(12)的反馈信号，一路送至集成控制单元(11)，用于频率的实时跟踪记录，另一路送至微波信号处理单元(8)，作为锁相放大器(86)的参考信号。
10.根据权利要求1所述面向合金热弹特性的多参数非接触式动态测量系统，其特征在于，所述电控空间光准直聚焦单元(4)包括外壳体(41)、透镜组(42)、导轨(43)和电控位移单元(44)；所述透镜组(42)由至少两组透镜组成，每组分别安装于一个电控位移单元(44)，所述电控位移单元(44)安装于所述导轨(43)，所述集成控制单元(11)送出准直聚焦控制信号(13)，控制所述电控位移单元(44)沿所述导轨(43)运动，通过对透镜组(42)中各组透镜的位移控制达到激光准直聚焦的电控。
