数字散斑干涉技术在分析金属材料腐蚀过程的可能性和局限性外文文献翻译

毕业论文Possibilitiesandlimitationsofdigitalspecklepatterninterferometryintheanalysisofcorrosionprocessesinmetallicmaterials数字散斑干涉技术在分析金属材料腐蚀过程的可能性和局限性学生姓名：学号：10051041学院：信息与通信工程学院专业：光电信息工程指导教师：王小燕2014年6月中北大学2014届毕业论文外文翻译2数字散斑干涉技术在分析金属材料腐蚀过程的可能性和局限性摘要数字散斑干涉技术(DSPI)已经应用于评估铜电极表面的腐蚀水平在沉浸于0.1米的硫酸铜溶液里时。腐蚀过程已经被应用感应两个这样的金属铜电极之间的电流。腐蚀过程可能引起的变化不仅在电极表面而且在溶液中光的折射率。不同DSPI的实验设置已经被提出了对于评估贡献和移除折射率的贡献。电极表面的变化作为标准通过DSPI已经被比较和地形数据获得的共焦显微镜。共焦显微镜数据表明,腐蚀过程可以小规模重现。DSPI的可能性和局限性在测量不均匀腐蚀过程已经被分析。关键词:散斑干涉法、腐蚀、金属表面1介绍腐蚀是一个大问题在工业上恶化材料性能,有时造成破坏。通常情况下,腐蚀与重要的表面改变被联系在一起。这些影响的早期检测以预防为目的是非常有用。允许腐蚀检测与样品没有物理接触真的是很有趣技术。从这个意义上讲,光学技术,由于其无损性和非接触式的特点,已经被应用与获取现场测定作为一种替代传统的接触方法。局部腐蚀一般出现在表面被动层攻击的恶劣环境，这在某些情况下是液态腐蚀性溶液把腐蚀金属样品沉浸在清澈的溶液中通过测量折射率在液体中的改变研究了金属样品的腐蚀过程。在这种背景下,全息干涉法应用监测水的腐蚀过程解决方案,和全球信息的进化数量的边缘可以检索。数字全息术已被用于测量折射率的变化在电化学反应中通过内联的记录系统。散斑干涉法,使用双光束干涉记录系统,已被应用于获得全球腐蚀速率的值。腐蚀表面处理是局部的，不均匀的，该技术被应用于提供非常有用的在表面上的二维信息。从这个意义上讲,数字散斑摄影已经应用到表面的可视化通过记录相关系数的发展变化。数字散斑干涉技术(DSPI)已经被用于在变化的各方面的样品表面同时获取信息。中北大学2014届毕业论文外文翻译3DSPI已经应用于测量腐蚀层厚度通过把金属腐蚀层样品沉浸在腐蚀性溶液。在这种情况下,从液体提取样品之后测量值被执行在空气中。一些一直尝试检测把金属表面沉浸在液体腐蚀性溶液的变化。在这工作中,DSPI的适用性研究腐蚀过程进化在样品一直沉浸在溶液被腐蚀。腐蚀引起的应用给定两个铜电极之间的电流沉浸在0.1米的硫酸铜溶液的一个电解池中。这项工作的目的是确定哪些信息关于腐蚀过程中可以描述的条件能被DSPI获得。敏感性和准确性的局限性将被分析当定量信息被恢复。2概念DSPI是一种广泛使用的,众所周知的技术,与实现它们所描述的文学不同。DSPI的特点的这些相关的工作可以描述如下(1)一个粗糙表面成像到CCD传感器相机(2)表面的激光散射(斑纹波)化合平稳的激光束和干扰被传感器记录(3)空间相位转移(SPS)被应用于获得使用散射光(随机)阶段的示意图。进行傅里叶变换是分析的方法(4)相位差示意图是通过减去两个不同的时间瞬间阶段(5)该范围内的包裹相位差为[-π，π]被映射为灰度级别，可视化。低通滤波器和相位展开过程中所用为了获得定量信息，估计λ/100的准确性。相位差,，都直接关系到光路长度的变化，。是由局部表面产生两个位移，L和通过沿折射率变化光路中，n。对于只有表面位移的情况下，相差异可以表示为LKL，其中)(iokkK是灵敏度向量和ki和高是照明和观察向量。ki和ko有相同的幅度，oank/2，其中an是介质的表面和周围间的折射率，o是在空气中的波长。我们将分别指的是矢量的方向作为iu和ou。因此，L可以表示为KioaOioaOLLuunLuun2)(2(1)其中KL是表面位移的投影沿灵敏度矢量的方向中北大学2014届毕业论文外文翻译4在我们的实验中，表面粗糙的金属表面（样品）在电解槽内。对于Z轴沿着表面正常，令0iyk，忽略oyk，等式（1）可以表示为)cos)(cos,()sin)(sin,(2),(oizoixaoLyxLyxLnyx（2）其中i和o是ik和ok和曲面法线之间的角度。当只有),(yxLz的位移发生，相位差图是的),(yxLz图。在研究腐蚀过程这项工作中，),(yxLz不是一个位移，它与在样品的表面上的腐蚀层联系在一起。对于只有折射率变化的情况下，相差异可以表示为doonndl022（3）其中，l指位置沿着光束行进路径和d是总长度与折射率变化当用DSPI进行了实验，而表面浸渍在腐蚀溶液中，由于双方腐蚀深度和溶液折射率变化可以发生相位的变化。在这种情况下，总的相位差将是nL，忽略高阶时条款。由于我们只注重测量腐蚀深度，以确定n用于从取出实测是有必要的。测量φn腐蚀发生的同时,DSPI设置使用如图2所示。在这情况下,照明光束通过一个磨砂玻璃。斑纹产生波传播的方向X轴,通过前面的液体腐蚀表面(样本)。这种斑纹波的相位变化是由的折射率变化发生在腐蚀电池前面的示例。因此,在这种情况下沿x轴d是永远不会比腐蚀电池长,相位差图是平均折射率改变图的来源由于溶液腐蚀过程的浓度的变化3实验装置3.1腐蚀的设置中北大学2014届毕业论文外文翻译5在这项工作中所分析的腐蚀过程是在表面光滑的铜棒浸渍在0.1米的硫酸铜溶液。两容器的硫酸铜（56毫米×10㎜×10mm）放置在彼此平行有12毫米间隔的电解槽内。这两个电解槽之间的电流为2.01mA时。在本实验中，所观察到的样品是连接杆的内表面到正极。观察铜在溶器中发生的氧化过程中，失去铜原子从它的表面。被应用到所有的铜容器的表面，除了那些相对的表面。这限制了在这两个面氧化-还原处理。此外，观察到两个垂直条纹被施加在表面上的垂直边缘，以具有一些局部不变.是适用于所有铜条,除了的相对的两个表面。这限制了在这两个面上氧化还原过程。此外,被观察到两个垂直条纹是在应用于垂直表面的边缘,局部深度不变。因为只有11毫米的铜沉浸在容器硫酸铜溶液里,腐蚀过程发生在一个11×4.4平方毫米区域,腐蚀电流密度3.8mAmm-2。为一个统一的腐蚀过程,当前密度值将产生腐蚀层的增长速度5.5h-μm。3.2光学设置DSPI测量17mW连续氦氖激光器(λ=633海里)DSPI光学设置。激光光束分裂成两束光楔板。一束被送入一个光纤和输出光束作为参考光。使主要激光束平行后,照射粗糙表面。光散射表面成像在CCD60毫米会聚透镜焦距,光圈f/16。CCD传感器有1376(垂直)×1040像素(水平),一个6.4μm的像素大小。光纤和成像镜头光圈被放置CCD在相同的的距离。一个分束器结合物光和参考光的方法。在图4中,可以看到Z轴始终是作为正常样品表面。在设置用于测量表面(图4(a)和变化(b)),照明和对象之间的角度和样品表面正常2),(414.0)cos(cos2),(yxnyxdLoiaoLc(4)这相当于约0.31微米/边缘，令an=1.341时测量硫酸铜溶液的折射率。这折射率已被阿贝折射计测量中北大学2014届毕业论文外文翻译6在测量折射率变化（图4（c））设置中，照明光束和物光束是垂直于成像面（毛玻璃）和平行到样品表面。这种设置使我们能够衡量沿着腐蚀电池长度的折射率变化。得到其平均变化，取D=4.8毫米作为样品面的长度，如2),(103.12),(),(4zyndnzyzynnaaon(5)这相当于大约0.9×10-2折射率变化每条纹，对于an=1.3411900系列影像记录每2秒与采取了曝光6毫秒（4毫秒折射率测量）倍在目前的实验的电流2.01毫安被后施加60分钟40秒。已关闭过程记录，目前停止后160秒。所有的图像被记录与浸没在样品硫酸铜溶液。4分析折射率的变化让我们先来分析在诱导的腐蚀过程硫酸铜溶液的折射率变化。图5示出了与获得的一些典型折射率变化的设置的相位差图（图4（c））。铜槽上看到的右侧图像。垂直边缘对应于腐蚀表面，它有一些模糊。模糊的区域对应于所产生的衍射的干涉的光束穿过它。它可以看出，一个非常狭窄的区域靠近铜棒材表面折射率的变化是有限的。这些变化产生的条纹几乎平行于铜棒表面。铜槽的相位差为0时和接近其表面时会增加。这表明腐蚀过程折射率接近与物体表面时增加，并且结果是，随着时间的推移。20秒后出现一个条纹（图5的（a））和60秒后3条纹（图5（b））。然而，从那时起，被观察到几乎没有折射率变化（图5（c）），这表明已经达到一个静止状态。当电流被切换断时，折射率的变化是相反的，如图所得减少条纹的数目（图5（d））。另一的折射率变化的重要特征是垂直（Y）方向它们是靠近均匀的，除在该区域靠近样品的底部。因此，他们很可能是也将是均匀垂直方向（X）。在溶有关液的腐蚀过程中折射率变化由于浓度变化。铜离子从铜杆电拉电流。由于离子移动所施加的电场和扩散，从而产生浓度梯度。梯度已观察距离为0.5mm中北大学2014届毕业论文外文翻译7以上短物体的表面上。的相位差对应于的n值沿腐蚀电池的长度集成（即25毫米），那里有液体。然而，折射指数的变化只发生在一个距离，该距离稍大于暴露于腐蚀的长度。在我们的例子中，据估计，这个长度可以是约7毫米。使用等式（5），它可以被估计的最大平均折射率变化为2.7×10-4，显示了DSPI的高灵敏度。折射率变化为在图4（a）所述设置，估计是因为对于只有1毫米较小一体化是在表面的法线方向（图4（c）），这是两倍的厚度的长度观察到的折射率梯度层。测量检测折射率变化或确定表面变化不同时进行。这些折射指数变化的分析已经进行数次结论总是相似的，如果在实验条件允许的条件下：附近变化是一致的靠近样品的表面除在接近样品的底部区域，当折射率的变化达到一个静止情况。5分析表面的变化现在让我们来分析折射率变化怎么能影响面变化的测量。图6示出与表面获得了一些典型的相位差图改变设置（图4（a））。可以看出，相位图对比度最高的两个条上每一侧的图像。他们是覆盖条，不腐蚀。这些条带已经被用来设置绝对相位差，根据需要为绝对相位的测量。此设置将完全从去除中发生的硫酸铜溶液的折射率的变化接近的表面上，当在Z-平均值的变化是恒定沿上所述表面，如上一节中所述。此外，该程序还可以使它明显，如果他们不是恒定的。在图6中所示的映射中，零相位已经在条带的上部设置。两片提供有关非均匀折射资讯指数的变化上的相位差。在两个相同的高度条带的相位值是相同的，表示的折射率为在水平方向（X轴）恒定。然而，在垂直方向（Y轴），有一个相位差的梯度，这表明，在该实验中，平均折射率指数升幅减小Y值.可以看出，在一个固定的腐蚀时产生的梯度依赖于先前的腐蚀历史，所表现出的差异在条纹的数目。这种梯度是在开始勉强可见（图6（a）），但很明显，在稍后时间可观察到（图6（b）和（c）项）。正如已经解释的那样，较高的折射率对应于铜离子的浓度较高。相差异条覆盖使我们能够推断该腐蚀开始在铜样品的底部，并该腐蚀速率随时间增加。越来越多中北大学2014届毕业论文外文翻译8腐蚀速率也可以从增加的模糊推断在那里正在发生的地区的条纹。腐蚀过程意味着在表面上的微观变化，这修改相应的散斑产生斑点去相关，从而降低了条纹可见度。为了获得精确的腐蚀深度测量在腐蚀面积，不仅从贡献非均匀折射率的变化已被删除，但低条纹可见度的问题也必须解决。我们已经用于在任何时候测量腐蚀状态下的过程是以下几点：（a）该滤波的相位差映射为短腐蚀倍，TC，计算（b）所有的映射的值相加，用一个时间解包程序（c）对指甲油的垂直相位梯度覆盖条减去（d）该腐蚀的深度图从相得到根据等式差异（4）。用于第一步骤分析了短腐蚀时间（一）必须保证没有大的