CN101281172A - 激光声表面波应力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光声表面波应力测试系统，它主要由短脉冲激光器、分光镜、三棱镜与柱面凸透镜组成超声表面波激发部分，由PVDF压电薄膜和高频前置放大器组成超声表面波探测部分。本发明是利用短脉冲激光器在被测样品表面产生高频率超声表面波，根据声弹性原理得到应力值，用PVDF压电薄膜作为超声表面波的接收装置，采取固定PVDF压电薄膜，并采用激发源和被测样品二维平移方式，实现了在样品表面的快速二维扫描，测得的超声表面波信号传输至电子计算机中，根据声弹性原理通过程序快速计算处理，实现样品表面及亚表面的应力分布的测量。系统结构简单，成本低，可广泛适用于金属材料表面及亚表面应力分布测试。

Description

激光声表面波应力测试系统

一技术领域

本发明涉及一种应力测试系统，特别是一种应用于金属材料表面及亚表面应力分布测试的激光声表面波应力测试系统。

二背景技术；

超声波法测量材料应力的方法是从20世纪40年代开始发展的。根据声弹性原理，即当材料中有应力分布时，超声波的传播速度与应力的大小相关，通过测量超声波的传播速度来间接测量应力值。传统的超声波法采用声换能器作为超声的激发和接收装置，这种方法激发出的超声波频率较低，因此空间分辨率低，只能给出应力在超声波传播路径上的积分效果，并且声换能器必须通过耦合剂紧贴在的材料表面上，无法实现非接触测量及快速扫描。90年代以来，随着激光超声理论及技术的发展，采用短脉冲激光作为超声波的激发源，并采用光学干涉仪接收的应力测量系统也随之出现(文献1，声学学报29，3，2004)。这种全光系统采用短脉冲激光激发超声表面波，光学干涉仪测量表面波的位移信号，从而得到表面波的传播速度；利用超声表面波在应力材料表面传播时速度的改变量，根据声弹性关系测出材料表面的应力值。但该系统只在样品深度方向进行一维扫描，只能得到应力在深度方向的分布，而不能测出表面应力的二维分布，同时用于探测的光学干涉仪的灵敏度低，而成本很高，不利于测试系统的推广应用。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、扫描速度快，可以对表面及亚表面应力的二维分布进行测试，而且造价低的激光声表面波应力测试系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，激光声表面波应力测试系统，它是由脉冲激光器、分光镜、三棱镜、柱面凸透镜、接收传感器、高频前置放大器、光电二极管、数字示波器以及电子计算机组成。分光镜、三棱镜和柱面凸透镜依次设置在同一光路上，光电二极管位于分光镜的反射光路上接收分光镜的反射光，其输出的电信号与数字示波器的接收端相连，数字示波器的另一接收端与高频前置放大器相连，数字示波器的输出接电子计算机，本发明的特征在于接收传感器采用固定设置的PVDF压力薄膜，它的输出接高频前置放大器的输入端；三棱镜和柱面凸透镜固定在电控平移架上，并可随电控平移架在电子计算机控制下沿发射光路整体移动，被测样品水平放置在电控平移台上，并位于柱面凸透镜的出射光路上，它随电控平移台可在电子计算机控制下垂直于电控平移架移动方向进行水平移动；PVDF压力薄膜的探测点位于被测样品超声表面波的传播路径上。

本发明是利用短脉冲激光器在样品表面激发高频率超声表面波，根据该波在应力材料表面传播时速度的改变得到应力值。用PVDF压电薄膜作为超声表面波的接收装置，采取固定PVDF压电薄膜，激发源移动扫描的方式，实现在样品表面的快速二维扫描，测得的超声表面波信号传输至电子计算机中，根据声弹性原理通过程序进行计算处理，从而实现样品表面及亚表面的应力分布的测量。其工作过程：由脉冲激光器发出激光，经过分光镜时有一小部分光通过光电二极管作为数字示波器的触发信号，其余光能衰减后经三棱镜和柱面凸透镜聚焦成线激发源，作用于水平放置的被测样品上，在样品上激发超声表面波，并沿样品表面传播至探测点位置。由于表面波会导致材料表面发生微小形变，此时，放置于超声表面波传播路径上的PVDF压电薄膜，就能通过压电效应接收表面波的位移信号，并转换为电信号；该信号通过高频前置放大器放大，由数字示波器传输到电子计算机上。用于固定三棱镜和柱面凸透镜的电控平移架和放置被测样品的电控平移台由计算机控制，分别实现激发线源和被测样品的二维平移。传输至电子计算机中的超声表面波信号，根据声弹性原理通过程序计算得到样品中的二维应力分布。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：1、利用PVDF压电薄膜探测超声表面波，相比光学干涉仪可以将探测灵敏度提高一个量级，结构简单，系统成本降低70％以上；2、采用固定三棱镜和柱面凸透镜的电控平移架和放置被测样品的电控平移台进行激发线源和被测样品的二维平移，实现了在样品表面的快速二维扫描，得到样品表面的二维应力分布。可广泛适用于金属材料表面及亚表面应力分布测试。

本发明的具体结构由以下的附图和实施例给出。

四附图说明

附图是根据本发明所述激光声表面波应力测试系统的结构原理示意图。

五具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体结构作进一步详细描述。

参见附图，根据本发明制作的激光声表面波应力测试系统，主要由脉冲激光器1、分光镜2、三棱镜4与柱面凸透镜5组成超声表面波激发部分，由PVDF压电薄膜9和高频前置放大器10组成超声表面波探测部分。脉冲激光器1采用短脉冲激光器，其输出波长为1064nm，脉宽10ns，其单脉冲输出能量为70mJ。分光镜2、三棱镜4与柱面凸透镜5依次设置在同一光路上；在分光镜2的反射光路上设置有光电二极管11，它接收经分光镜2后的一小部分反射光信号传输给数字示波器12，作为数字示波器12的启动记录的触发信号；柱面凸透镜5的焦距为100mm，经柱面凸透镜5后的激光会聚成长10mm、宽300μm的线光源作用于水平放置的被测样品6上。三棱镜4与柱面凸透镜5是固定在一个精密电控平移架3上，被测样品6水平放置在精密电控平移台7上，精密电控平移架3和精密电控平移台7均为制式成品，是采用超精密滚珠螺杆传动及线性滑块导轨结构，可以在一维方向高精度移动；精密电控平移架3通过带动三棱镜4与柱面凸透镜5的整体平移，可以实现线光源的扫描；精密电控平移台7通过移动被测样品6实现另一个方向的扫描；PVDF压电薄膜9通过一个固定架8放置在被测样品6的声表面波传播路径上，PVDF压电薄膜9的探测点采用劈尖状。当脉冲激光在被测样品6表面激发声表面波时，声表面波沿表面传至PVDF压电薄膜9的探测点即劈尖位置，由于声扰动会导致被测样品6表面发生微小形变，通过PVDF压电薄膜9把表面波产生的位移转换为电信号，从而实现了声电转换，输出的电信号再经高频前置放大器10放大接入到数字示波器12，再传输到电子计算机13，经程序计算得到被测样品6表面的应力分布。

本发明适用的被测样品6可以是焊接件，也可以是机械加工件，当测量焊接件残余应力时，应注意使被测焊接件的焊缝方向与线光源的扫描方向平行，即激发激光是沿平行与焊缝的方向扫描，而样品则应沿垂直于焊缝的方向扫描，得到样品表面焊缝周围残余应力的二维分布。当测量机械加工件时，应使激发激光与机械加工件在正交方向进行移动，从而实现平面残余应力的二维分布。

Claims (3)

1. 一种激光声表面波应力测试系统，它是由脉冲激光器[1]、分光镜[2]、三棱镜[4]、柱面凸透镜[5]、接收传感器、高频前置放大器[10]、光电二极管[11]、数字示波器[12]以及电子计算机[13]组成；分光镜[2]、三棱镜[4]和柱面凸透镜[5]依次设置在同一光路上，光电二极管[11]位于分光镜[2]的反射光路上，其输出与数字示波器[12]的接收端相连，数字示波器[12]的另一接收端与高频前置放大器[10]相连，数字示波器[12]的输出接电子计算机[13]，本发明的特征在于接收传感器采用固定设置的PVDF压力薄膜[9]，它的输出接高频前置放大器[10]的输入端；三棱镜[4]和柱面凸透镜[5]固定在电控平移架[3]上，并可随电控平移架[3]在电子计算机[13]控制下沿发射光路整体移动，被测样品[6]水平放置在电控平移台[7]上，并位于柱面凸透镜[5]的出射光路上，它随电控平移台[7]可在电子计算机[13]控制下沿着与电控平移架[3]移动方向成90度的方向水平移动；PVDF压力薄膜[9]的探测点位于被测样品[6]超声表面波的传播路径上。

2. 根据权利要求1所述激光声表面波应力测试系统，其特征在于PVDF压力薄膜[9]通过一个固定架[8]放置在被测样品[6]的声表面波传播路径上，PVDF压电薄膜[9]的探测点采用劈尖状。

3. 根据权利要求1或2所述激光声表面波应力测试系统，其特征在于电控平移架3和电控平移台7是采用超精密滚珠螺杆传动及线性滑块导轨结构的精密电控平移装置。

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