一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统及方法

1.本发明属于核磁共振领域，更具体涉及一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，还涉及一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试方法，适用于固体核磁共振实验不同尺寸和材料陶瓷转子的内部缺陷及表面形貌检测，也可用于其他半透明陶瓷材料制成的薄壁圆管。
技术背景
2.固体核磁共振(nmr)是一种强有力的分析技术。在固体nmr实验中，样品被装在陶瓷管(即转子)中，转子沿着与主磁场方向呈魔角(54.7度)的方向高速旋转。这种旋转方式称为魔角旋转(magic-angle spinning，mas)。魔角旋转可以减弱或消除固体样品中的各项异性相互作用，有效缩窄固体nmr谱线的线宽，提高谱图的分辨率，是固体nmr的基础。
3.在实际应用中，装填样品的转子受到气浮轴承的支撑下，通过高压气驱动转子端面的涡轮实现受迫旋转。为了实现稳定的超高速旋转，要求气浮轴承对转子支承刚度最佳。转子与气浮轴承之间的气膜间隙仅有数十微米，这对转子外径的圆度提出了很高的加工要求。此外，转子旋转时的最高速度为170khz，持续旋转的时间长高达数百小时。转子需要承受一个持续的巨大离心力，这种工况对制作转子的材料强度提出了很高的要求。为了满足无磁、大幅变温、高应力水平等条件，用于制作转子的可选材料十分有限，主要有氧化锆、氮化硅和氧化铝等陶瓷材料。
4.转子的外径通常为0.5mm～10mm之间，针对这种直径较小的空心薄壁圆柱体，其主要的加工过程包括烧结、机械加工(主要是磨削)、抛光等工序。磨削时待加工的材料表面受到磨料的压力，当磨头经过材料表面后，材料表面发生回弹并产生拉应力，可能导致材料的内部出现侧向裂纹和中间裂纹。而材料的表面由于受到磨料磨削时产生的局部高温，表面碎化区材料发生再烧结，形成一层光滑的再烧结层覆盖在加工表面，使得加工产生的裂纹通常目视检查不可见。
5.转子加工产生的内部裂纹可能会造成转子高速旋转时的破坏失效，转子与轴承的同轴配合不佳，也可能导致转子转动时频繁发生碰磨失稳，进一步加剧转子在旋转过程中的发生破坏的风险。转子在旋转过程中发生破碎，会导致样品泄露、击毁核磁共振探头，造成较大的经济损失。针对这一问题，在使用前检测转子的几何形貌和内部缺陷，获得其关键配合尺寸以及缺陷的特征、尺寸和分布等信息，可以有效地识别出有破坏风险的转子，进而避免更大的仪器损坏和经济损失。


技术实现要素：

6.本发明目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，还提供一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试方法，目的在于识别陶瓷转子的内部缺陷的同时获得圆柱陶瓷转子的加工精度信息，综合评估陶瓷转子发生破坏的风险，减少或避免陶瓷转子发生破碎的事故。
7.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
8.一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，包括激光器，激光器出射的线偏振激光透射分光镜后再经第一偏振分束镜反射，再经过第一聚焦透镜照射在待测陶瓷转子上，产生反射光、偏振态未变化的背向散射光以及偏振态变化的背向散射光，
9.第一聚焦透镜的焦点处的反射光和偏振态未变化的背向散射光，依次经第一偏振分束镜和分光镜反射，再依次经过第二聚焦透镜和第一针孔反射器后入射第一探测器，第一探测器与对应的光功率计连接，第一针孔反射器和第一聚焦透镜的焦点共轭，
10.偏振态变化的背向散射光，依次透过第一聚焦透镜、第一偏振分束镜、第二偏振分束器、1/4波片以及第三聚焦透镜后入射第二针孔反射器，第二针孔反射器与第一聚焦透镜的焦点共轭，
11.第一聚焦透镜的焦点处返回的偏振态变化的背向散射光，通过第二针孔反射器在第二探测器上成像；不在第一聚焦透镜的焦点处返回的偏振态变化的背向散射光被第二针孔反射器反射，经第二针孔反射器反射的光依次透射第三聚焦透镜和1/4波片后，再分别经过第二偏振分束器和反射镜反射，最后通过成像透镜入射第三探测器。
12.如上所述测陶瓷转子设置在转台上，转台设置在平移台上，第一聚焦透镜由微位移平台驱动移动。
13.待测陶瓷转子的轴向设定为y轴方向，第一聚焦透镜的激光焦点移动的方向为z轴方向，y方向垂直于z方向，x方向分别垂直于y方向和z方向。
14.一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试方法，包括以下步骤：
15.步骤1、调试陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统；
16.步骤2、将待测陶瓷转子安装到转台上；
17.步骤3、通过微位移平台调节第一聚焦透镜的焦点的位置，使得第一聚焦透镜的焦点的位置沿z轴方向自待测陶瓷转子的外部往待测陶瓷转子表面进行遍历，
18.激光器出射的线偏振激光透射分光镜后再经第一偏振分束镜反射，再经过第一聚焦透镜照射在待测陶瓷转子上，
19.当第一探测器对应的光功率计探测到光强最大时，第一聚焦透镜的焦点位于待测陶瓷转子的表面，记录第一聚焦透镜的焦点的z轴位置，进入步骤4；
20.步骤4、通过微位移平台调节第一聚焦透镜的焦点的位置沿z轴方向自待测陶瓷转子的表面继续向待测陶瓷转子内部进行遍历，对第二探测器和第三探测器对应的光功率计进行求和；
21.步骤5、改变转台的旋转角度，重复步骤3-4，直至遍历完待测陶瓷转子一周，进入步骤6；
22.步骤6、改变平移台的平移位置，重复步骤3-5，直至沿待测陶瓷转子轴向遍历整个待测陶瓷转子；
23.步骤7、根据步骤3获得的第一聚焦透镜的焦点的z轴位置以及对应的转台的旋转角度、平移台的平移位置，获得待测陶瓷转子的转子外轮廓，
24.第一聚焦透镜的焦点在同一z轴位置时，根据步骤4中第二探测器和第三探测器的光强之和以及对应的转台的旋转角度、平移台的平移位置，获得光强总和图，光强总和图中亮点为缺陷，根据第一聚焦透镜的焦点在不同z轴位置处的光强总和图，获得光强总和三维
图和缺陷三维图。
25.一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试方法，还包括通过计算机分析获得的缺陷三维图，获得缺陷特征和裂纹取向的信息的步骤。
26.本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
27.本发明利用偏振光在半透明待测陶瓷转子的缺陷处和均匀处散射光偏振状态不同的原理，解决了用于固体核磁实验用的圆柱形陶瓷转子内部缺陷检测的问题，同时，获得得了待测圆柱的形状误差。进一步地，通过更换不同波长的光源可以实现不同陶瓷材料转子的测试，也可改进本系统，实现其他形状的表面形貌测量。
附图说明
28.图1为本发明的结构示意图；
29.图中：1-激光器；2-待测陶瓷转子；3-转台；4-平移台；5-分光镜；6-第一偏振分束镜；7-第一聚焦透镜；8-第二聚焦透镜；9-第一针孔反射器；10-第一探测器；11-第二偏振分束器；12-1/4波片；13-第三聚焦透镜；14-第二针孔反射器；15-第二探测器；16-反射镜；17-成像透镜；18-第三探测器；19-计算机； 20-微位移平台。
具体实施方式
30.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
31.实施例：
32.待测陶瓷转子作为半透明材料，在可见光波段光学穿透深度可达0.1mm。当经第一聚焦透镜7后的激光照射在待测陶瓷转子2上时：
33.部分激光经待测陶瓷转子2表面直接反射形成反射光；
34.部分激光透射到待测陶瓷转子2内部，透射到待测陶瓷转子2内部中的部分激光未经过缺陷位置，形成的偏振态未变化的背向散射光，偏振态未变化的背向散射光透射出待测陶瓷转子2；透射到待测陶瓷转子2内部中的另一部分激光经过缺陷位置或者经过多次散射偏振改变，偏振特性被破坏，形成的偏振态变化的背向散射光，偏振态变化的背向散射光透射出待测陶瓷转子2。
35.如图1所示，一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，包括激光器1，待测陶瓷转子2设置在转台3上，转台3设置在平移台4上，
36.激光器1出射的线偏振激光透射分光镜5后再经第一偏振分束镜6反射，再经过第一聚焦透镜7照射在待测陶瓷转子2上。第一聚焦透镜7固定在一个压电陶瓷驱动的微位移平台上，可用于调节经第一聚焦透镜7后的激光焦点与待测陶瓷转子2表面的相对位置。待测陶瓷转子2的轴向设定为y轴方向，第一聚焦透镜7的激光焦点移动的方向(光轴方向)为z轴方向，y轴方向垂直于z轴方向，由y轴方向和z轴方向决定x轴方向，x轴方向分别垂直于y轴方向和z轴方向。转台3用于带动待测陶瓷转子2以自身中心轴(y轴方向)作为旋转轴自转，平移台4带动转台3移动，进而带动待测陶瓷转子2沿自身中心轴(y轴方向)移动。
37.当经第一聚焦透镜7后的激光照射在待测陶瓷转子2上时，产生反射光、偏振态未
变化的背向散射光以及偏振态变化的背向散射光：
38.反射光和偏振态未变化的背向散射光，偏振特性保持较好，会原路返回，即透射第一聚焦透镜7后，再经过第一偏振分束镜6反射，再经分光镜5反射，进入第一检测光路中，第一检测光路包括依光路依次设置的第二聚焦透镜8、第一针孔反射器9和第一探测器10，第一探测器10与对应的光功率计连接，由第一探测器10和对应的光功率计得到第一聚焦透镜7的焦点处反射光和偏振态未变化的背向散射光的光强。第一针孔反射器9和第一聚焦透镜7的焦点共轭。偏振态未变化的背向散射光的光强一般要远低于反射光的光强，当第一聚焦透镜7 的焦点位于待测陶瓷转子2表面时，反射光的光强达到最大，因此，可以通过微位移平台调节第一聚焦透镜7的焦点的位置，当反射光的光强达到最大时，即第一聚焦透镜7的焦点位于待测陶瓷转子2表面，进而可作为光探针探测待测陶瓷转子2表面形貌。
39.偏振态变化的背向散射光由于偏振态发生变化，透过第一聚焦透镜7后再透射第一偏振分束镜6进入了第二检测光路，第二检测光路包括第二偏振分束器 11、1/4波片12、第三聚焦透镜13、第二针孔反射器14、第二探测器15、反射镜16、成像透镜17和第三探测器18。
40.偏振态变化的背向散射光依次透射第一偏振分束镜和第二偏振分束器11，再依次通过1/4波片12以及第三聚焦透镜13后入射第二针孔反射器14，第二针孔反射器14与第一聚焦透镜7的焦点共轭，第一聚焦透镜7的焦点处返回的偏振态变化的背向散射光，通过第二针孔反射器14在第二探测器15上成像，而不在第一聚焦透镜7的焦点处返回的偏振态变化的背向散射光会被第二针孔反射器14原路返回，经第二针孔反射器14返回的光依次透射第三聚焦透镜13和 1/4波片12后，再分别经过第二偏振分束器11和反射镜16反射，最后通过成像透镜17入射第三探测器18，在第三探测器18上成像。第二探测器15和第三探测器18分别与对应的光功率计连接，各个光功率计与计算机19连接。计算机19与转台/平移台控制器连接，转台/平移台控制器分别与微位移平台20、转台3、以及平移台4连接。计算机19通过转台/平移台控制器对微位移平台20、转台3、以及平移台4进行控制。
41.通过微位移平台调节第一聚焦透镜7的焦点的位置，当第一聚焦透镜7的焦点移动到缺陷位置时，第二探测器15探测到信号，第二探测器15和第三探测器 18测得的光功率信号的和生成光功率总和图，在光功率总和图中，亮区的位置即为缺陷。通过微位移平台调节第一聚焦透镜7的焦点在待测陶瓷转子的不同的深度位置，通过转台3和平移台4调节第一聚焦透镜7的焦点在待测陶瓷转子侧面的位置，既可以探测到缺陷的三维位置。
42.一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试方法，利用上述一种陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，包括以下步骤：
43.步骤1、调试陶瓷转子内部缺陷检及表面形貌测试系统，测试前先用表面刻有划线的标定作为标定试样，完成激光器1的光源的强度、第一探测器10、第二探测器15和第三探测器18的信号增益、第一探测器10、第二探测器15和第三探测器18的视场对应的实际尺寸等参数调整；进一步调节各个光学元件的位姿，保证第一聚焦透镜7的焦点可以调整到落在标定试样表面和内部，平移台4 的运动路径和转台3的旋转中心轴平行，且均与第一聚焦透镜7的光轴垂直。
44.步骤2、光路调整结束之后，将标定试样更换为要测量的待测陶瓷转子，本实施例中，待测陶瓷转子为氧化锆陶瓷转子。将氧化锆陶瓷转子安装在转台3 上，转台3设置在平
移台4上，保证第一聚焦透镜7的焦点可以调整到落在标定试样表面和内部。标记转台3的初始转动角度和平移台4的初始平移位置，
45.步骤3、通过微位移平台调节第一聚焦透镜7的焦点的位置，使得第一聚焦透镜7的焦点的位置沿径向方向(z轴方向)自待测陶瓷转子的外部往待测陶瓷转子表面进行遍历。
46.激光器1出射的线偏振激光透射分光镜5后再经第一偏振分束镜6反射，再经过第一聚焦透镜7照射在待测陶瓷转子2上，
47.反射光和偏振态未变化的背向散射光，原路返回，即透射第一聚焦透镜7 后，再经过第一偏振分束镜6反射，再透射分光镜5，进入第一检测光路中，由第一探测器10和对应的光功率计得到第一聚焦透镜7的焦点处反射光和偏振态未变化的背向散射光的光强。
48.当第一探测器10对应的光功率计探测到光强最大时，第一聚焦透镜7的焦点位于待测陶瓷转子的表面，记录第一聚焦透镜7的焦点的z轴位置，进入步骤 4。
49.步骤4、通过微位移平台调节第一聚焦透镜7的焦点的位置沿z轴方向自待测陶瓷转子的表面继续向待测陶瓷转子内部进行遍历。
50.当第一聚焦透镜7的焦点的位置位于缺陷位置时，偏振态变化的背向散射光依次透射第一偏振分束镜和第二偏振分束器11，再依次通过1/4波片12以及第三成像透镜17，第二针孔反射器14与第一聚焦透镜7的焦点共轭，第一聚焦透镜7的焦点处返回的偏振态变化的背向散射光，通过第二针孔反射器14在第二探测器15上成像，
51.当第一聚焦透镜7的焦点的位置在待测陶瓷转子2内部但不是位于缺陷位置时，偏振态变化的背向散射光不在第一聚焦透镜7的焦点处返回，此时偏振态变化的背向散射光会被第二针孔反射器14原路反射，经第二针孔反射器14返回的光依次透射第三聚焦透镜13和1/4波片12后，再分别经过第二偏振分束器11 和反射镜16反射，最后通过成像透镜17入射第三探测器18，在第三探测器18 上成像，将第二探测器15的光强和第三探测器18的光强求和。
52.步骤5、改变转台3的旋转角度，重复步骤3-4，直至遍历完待测陶瓷转子一周，进入步骤6，
53.步骤6、改变平移台4的平移位置，重复步骤3-5，直至沿待测陶瓷转子轴向遍历整个待测陶瓷转子。
54.步骤7、根据步骤3获得的第一聚焦透镜7的焦点的z轴位置以及对应的转台3的旋转角度、平移台4的平移位置，获得待测陶瓷转子的转子外轮廓；
55.第一聚焦透镜7的焦点在同一z轴位置时，根据步骤4中第二探测器15和第三探测器18的光强之和以及对应的转台3的旋转角度、平移台4的平移位置，获得光强总和图，光强总和图中亮点(通过阈值判断亮点)为缺陷，根据第一聚焦透镜7的焦点在不同z轴位置处的光强总和图，获得光强总和三维图以及缺陷三维图。
56.步骤8、通过计算机分析获得的缺陷的三维图，可以获得缺陷特征(横向裂纹/中央裂纹)和裂纹取向的信息，预测裂纹拓展的可能方向。
57.本文中所描述的具体实施例仅对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。