CN101858890A - 小尺寸材料浅层缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小尺寸材料浅层缺陷检测系统，包括脉冲激光器、分光镜、柱面凸透镜、接收传感器、高精度延时装置、电子计算机，所述分光镜设置在脉冲激光器的前方，脉冲激光器发出的激光经分光镜分成两束，一束激光通过柱面凸透镜聚焦入射到待测材料的表面，另一束激光入射到高精度延时装置上，高精度延时装置的输出端与接收传感器的输入端相连接，高精度延时装置接收到激光信号后延时一段时间，之后输出电信号作为接收传感器的触发信号，接收传感器接收到触发信号后开始探测待测材料上传播的超声波信号，并将探测到的超声波信号传输给电子计算机进行处理。本发明的检测系统检测精度高，可以检测固体材料浅层纳米量级的微小缺陷。

Description

小尺寸材料浅层缺陷检测系统

技术领域

本发明涉及一种缺陷检测系统，特别是一种用于检测小尺寸材料浅层缺陷的检测系统。

背景技术

在工业生产中，由于原材料材质、加工工艺、热处理等方面的原因，生产的工件内往往存在缺陷。这些缺陷会在外加应力、高温、高压和恶劣环境的作用下快速地增长，如果不能及时检测出工件内的缺陷，就有可能导致重大恶性事故的发生。因此，缺陷的检测在工业生产中具有很重要的意义。而超声检测技术是一种检测可靠、测定迅速、便于在线使用、对人体无害的检测技术，因而在材料缺陷检测中广泛地应用，并且已经发展并建立了各种超声检测装置和系统。专利号200410073690.X公开了一种超声检测系统，名称为：“一种新型超声波检测装置及检测方法”，它主要由超声波探头及联动装置、发射/接收电路、控制/处理单元、显示器和人机对话接口。该装置中采用压电换能器作为超声波的激发和接收装置，这种方法可以简单有效地探测材料中的缺陷。但声换能器必须通过耦合剂紧贴在材料表面，无法实现非接触检测及快速扫描，对于小尺寸材料中缺陷的检测时，声换能器根本无法耦合到材料表面。另外，该方法激发出的超声波频率较低，因此空间和时间分辨率低，无法检测浅层微小缺陷。

随着激光超声技术的发展，2006年Hongjoon Kim等人在NDT&E International，39，312中报道了一种激光超声缺陷检测系统。该系统采用短脉冲激光作为检测超声波的激发源，并采用迈克尔逊干涉仪接收超声波传播过程中引起物体表面的位移量，从而得到超声波波形和频谱；利用超声波在传播过程中与缺陷相互作用，经缺陷反射后引起反射超声回波，根据在物体表面不同位置接收到的反射超声回波的频谱和到达时间，测出缺陷的形状、大小和位置等参量。这种激光超声检测系统对比上述解决方案有明显的优点：非接触、分辨率高等，从而可以用于小尺寸材料中缺陷的检测。但该系统中所采用的迈克尔逊干涉仪容易受到环境的影响，导致测量不准确；其次，迈克尔逊干涉仪对激光源相干性要求高，而且探测表面位移时，要求物体表面具有很高的反射率，而实践中往往无法实现，所以不利于该系统的推广应用。另外，该系统需要对材料表面进行扫描，得到不同位置处的超声波信号，因此无法实现快速检测。如何解决现有技术存在的缺点已成为现有激光超声缺陷检测技术领域亟待解决的重大难题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种测量精度高、能够快速检测小尺寸材料浅层缺陷的系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种小尺寸材料浅层缺陷检测系统，包括脉冲激光器、分光镜、柱面凸透镜、接收传感器、高精度延时装置、电子计算机，所述分光镜设置在脉冲激光器的前方，脉冲激光器发出的激光经分光镜分成两束，一束激光通过柱面凸透镜聚焦入射到待测材料的表面，另一束激光入射到高精度延时装置上，高精度延时装置的输出端与接收传感器的输入端相连接，高精度延时装置接收到激光信号后延时一段时间，之后输出电信号作为接收传感器的触发信号，接收传感器接收到触发信号后开始探测待测材料上传播的超声波信号，并将探测到的超声波信号传输给电子计算机进行处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点：第一，检测精度高，可以检测固体材料浅层纳米量级的微小缺陷；第二，对被检测固体材料表面的要求不高，适于检测具有粗糙表面的固体材料；第三，所采用的接收传感器可以实现超声波场的二维接收，因而可以实现快速检测，可广泛适用于小尺寸材料浅层缺陷的快速检测。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是发明的一种小尺寸材料浅层缺陷检测系统的结构示意图。

图2是小尺寸材料浅层缺陷检测系统中接收传感器的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种小尺寸材料浅层缺陷检测系统，包括脉冲激光器101、分光镜102、柱面凸透镜103、接收传感器105、高精度延时装置106、电子计算机107，所述分光镜102设置在脉冲激光器101的前方，脉冲激光器101发出的激光经分光镜102分成两束，一束激光通过柱面凸透镜103聚焦入射到待测材料104的表面，另一束激光入射到高精度延时装置106上，高精度延时装置106的输出端与接收传感器105的输入端相连接，高精度延时装置106接收到激光信号后延时一段时间，之后输出电信号作为接收传感器105的触发信号，接收传感器105接收到触发信号后开始探测待测材料104上传播的超声波信号，并将探测到的超声波信号传输给电子计算机107进行处理。

高精度延时装置106的延时时间为两个时间之和，其中一个时间为分光镜102分出的光束入射到待测材料104的表面的时间，另一个时间为超声波在待测材料104中从激发位置传播到探测位置的时间，上述激发点为激光通过柱面凸透镜103聚焦入射到待测材料104的入射位置，探测点为接收传感器105探测待测材料104的位置。

接收传感器105包括He-Ne激光器201、扩束准直装置202、第一分光镜203、第一反射镜204、第二反射镜205、第二分光镜206、第三反射镜207、高象素CCD照相机208，扩束准直装置202位于He-Ne激光器201的前方，He-Ne激光器201发出的激光经扩束准直装置202扩束准直后由第一分光镜203分成两束，其中一束经第一反射镜204、第二反射镜205反射后入射至第二分光镜206；

另外一束直接入射至第二分光镜206，通过该分光镜后入射至第三反射镜207，经反射镜反射后再次入射至第二分光镜206，与经第二反射镜205反射后入射至第二分光镜206的光线相干涉，形成的干涉图被高象素CCD照相机208所采集，该高象素CCD照相机在高精度延时装置106的控制下拍照并将拍摄的图像传输至电子计算机107处理；上述第二分光镜206与第三反射镜207的正下方为待测材料104。第二分光镜206与第三反射镜207之间的光线穿过待测材料104中传播的超声波场，其余光线不经过该超声波场。

本发明的小尺寸材料浅层缺陷检测系统的脉冲激光器发出的激光束经分光镜反射部分光到高精度延时装置，其余的光经柱面凸透镜入射到固体材料表面，高精度延时装置输出端与接收传感器相连，接收传感器的输出端与电子计算机相连。本发明的特征在于接收传感器由He-Ne激光器、扩束准直装置、分光镜、反射镜组成。He-Ne激光器出射的激光束经扩束准直装置入射到分光镜，经分光镜分成两束光，其中一束作为参考光束，另外一束作为探测光束通过超声波场入射到反射镜上，经反射镜反射后与参考光束相互发生干涉，形成的干涉图像由高象素CCD照相机来接收，输入到电子计算机中。这种接收传感器可在一定程度上降低激光源相干性的要求，且具有调节方便的优点。另外，这种接收传感器是一种二维的光学接收装置，可以一次测量中得到超声波场的二维信息，因此在检测过程中不需要对此材料表面进行扫描，从而可以实现快速检测。

本发明是利用短脉冲激光器在空气和固体材料的交界面上激发出高功率、窄频带的超声波，根据该波在固体材料表面传播时与缺陷相互作用后反射超声波场的频谱和到达时间得到缺陷的形状、位置等参量。用改进的马赫-曾德尔干涉仪(接受传感器105)作为超声波场的接收装置，测得的超声波场信号传输至电子计算机中，通过程序进行计算处理，从而实现固体材料浅层缺陷的检测。其具体工作过程是：由脉冲激光器发出的激光束，经分光镜反射部分光通过高精度延时装置作为接收传感器的触发信号，其余光能经柱面凸透镜聚焦成线激发源，作用于水平放置的被测固体材料上，在空气和固体材料的交界面上激发出超声波场，并沿固体材料表面传播至探测点位置。由于超声波场在沿固体材料表面传播过程中，引起空气折射率的变化，此时，放置于超声波场传播路径上的接收传感器，通过光的干涉接收超声波场信号，形成的干涉图像通过高象素CCD照相机记录并传输到电子计算机上，根据超声场与缺陷相互作用原理，对干涉图像进行计算处理，得到固体材料浅层缺陷的信息。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

结合图1，本发明的小尺寸材料浅层缺陷检测系统，由激光器101、分光镜102，柱面凸透镜103，固体材料104，接收传感器105，高精度延时装置106、电子计算机107组成。其中，由脉冲激光器101、分光镜102、柱面凸透镜103、固体材料104组成超声波的激发部分，由接收传感器105和电子计算机107组成超声波场的接收部分。脉冲激光器101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102和柱面凸透镜103设置在同一光路上，在分光镜102的反射光路上设置有高精度延时装置106；脉冲激光器101发出的激光束经分光镜102反射的部分光经高精度延时装置106延时后，并转化为电信号传输至接收传感器105，作为接收传感器105的启动记录的触发信号。其余的光经柱面凸透镜103聚焦成长25mm、宽200um的线光源，入射到固体材料104表面上，在空气和固体材料104的交界面上激发出超声波场。超声波场由接收传感器105接收，并输入到电子计算机107中。

结合图2，接收传感器是由He-Ne激光器201、扩束准直装置202、第一分光镜203、第一反射镜204、第二反射镜205、第二分光镜206、第三反射镜207、高象素CCD照相机208组成。He-Ne激光器201的输出波长为632.8nm，功率为5mW，其出射的连续He-Ne激光经扩束准直装置202后入射到第一分光镜203上，由第一分光镜203分成两束光，其中一束光作为参考光束经第一反射镜204和第二反射镜205改变传播方向，入射到第二分光镜206上，另外一束光作为探测光束经第二分光镜206后，穿过超声波场后经第三反射镜207反射后，再次入射到第二分光镜206上，参考光束和探测光束形成的干涉图象由高象素CCD照相机208记录后，输入到电子计算机107中。当脉冲激光器101发出的激光在空气和固体材料104的交界面上激发超声波场时，超声波场沿固体材料104表面传播至接收传感器105的探测点，由于超声波场导致固体材料附近空气的折射率发生微小变化，折射率的变化与超声波场压强成正比，那么垂直超声波场传播路径，平行固体材料表面穿过超声波场的由接收传感器105发出的探测光束发生相位延迟，相位的延迟和折射率的变化有关，从而探测光束携带了超声波的信息，此时探测光束与参考光束相干形成的干涉图像发生变化，根据干涉图像的变化通过程序计算可以得到超声波场的二维信息。上述的固体材料104作为被检测对象，可以是小尺寸的固体材料。

Claims (3)

1.一种小尺寸材料浅层缺陷检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器[101]、分光镜[102]、柱面凸透镜[103]、接收传感器[105]、高精度延时装置[106]、电子计算机[107]，所述分光镜[102]设置在脉冲激光器[101]的前方，脉冲激光器[101]发出的激光经分光镜[102]分成两束，一束激光通过柱面凸透镜[103]聚焦入射到待测材料[104]的表面，另一束激光入射到高精度延时装置[106]上，高精度延时装置[106]的输出端与接收传感器[105]的输入端相连接，高精度延时装置[106]接收到激光信号后延时一段时间，之后输出电信号作为接收传感器[105]的触发信号，接收传感器[105]接收到触发信号后开始探测待测材料[104]上传播的超声波信号，并将探测到的超声波信号传输给电子计算机[107]进行处理。

2.根据权利要求1所述的小尺寸材料浅层缺陷检测系统，其特征在于，高精度延时装置[106]的延时时间为两个时间之和，其中一个时间为分光镜[102]分出的光束入射到待测材料[104]的表面的时间，另一个时间为超声波在待测材料[104]中从激发位置传播到探测位置的时间，上述激发位置为激光通过柱面凸透镜[103]聚焦入射到待测材料[104]的入射位置，探测位置为接收传感器[105]探测待测材料[104]的位置。

3.根据权利要求1所述的小尺寸材料浅层缺陷检测系统，其特征在于，接收传感器[105]包括He-Ne激光器[201]、扩束准直装置[202]、第一分光镜[203]、第一反射镜[204]、第二反射镜[205]、第二分光镜[206]、第三反射镜[207]、高象素CCD照相机[208]，扩束准直装置[202]位于He-Ne激光器[201]的前方，He-Ne激光器[201]发出的激光经扩束准直装置[202]扩束准直后由第一分光镜[203]分成两束，其中一束经第一反射镜[204]、第二反射镜[205]反射后入射至第二分光镜[206]；

另外一束直接入射至第二分光镜[206]，通过该分光镜后入射至第三反射镜[207]，经反射镜反射后再次入射至第二分光镜[206]，与经第二反射镜[205]反射后入射至第二分光镜[206]的光线相干涉，形成的干涉图被高象素CCD照相机[208]所采集，该高象素CCD照相机在高精度延时装置[106]的控制下拍照并将采集的图像传输至电子计算机[107]进行处理；上述第二分光镜[206]与第三反射镜[207]的正下方为待测材料[104]。

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