CN102967281A - 脉冲激光体纵波厚度测量系统 - Google Patents

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石一飞
张鹭
李旭东
蔡良续
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Abstract

本发明属于测量技术，涉及一种厚度测量系统，特别是一种应用于金属材料或非金属材料厚度测量的脉冲激光体纵波测量系统。厚度测量系统将分光镜和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，光电二极管输出的电信号与电子计算机上的信号采集卡的一个接收端相连，信号采集卡的另一接收端与激光干涉仪输出端相连，脉冲激光器和激光干涉仪对心放置在被测样品两侧，被测样品放置在二维平移台上。本发明利用激光干涉仪探测超声体纵波，可以在线测量，也可用于高温环境；采用脉冲激光器和激光干涉仪对心放置，被测样品放置在二维电控平移台上的方式，实现了激光在被测样品表面的快速二维扫描。

Description

脉冲激光体纵波厚度测量系统
技术领域
本发明属于测量技术，涉及一种厚度测量系统，特别是一种应用于金属材料或非金属材料厚度测量的脉冲激光体纵波测量系统。
背景技术
超声波法测量材料或构件厚度的方法是从20世纪40年代开始发展的。通过材料超声脉冲在材料中的传播时间，与材料中的声速相乘，即可以测量出材料的厚度。传统的超声波法采用压电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，因此声脉冲较长，因此测量精度较低，而且压电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厚度测量系统也随之出现（CN1357100、CN1363820）。这种测厚系统采用短脉冲激光激发声脉冲，光学干涉仪测量反射声脉冲的位移信号，从而得到材料的厚度。但该类系统利用的是反射声脉冲，当样品较薄时，反射声脉冲与入射声脉冲会发生叠加，大大降低测量精度，当样品较厚或者材料衰减较大时，反射声脉冲能量很小而很难被检测到，也限制该方法的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、测量速度快、测量范围宽，可以对金属材料或非金属材料进行厚度测量，而且造价低的脉冲激光体纵波厚度测量系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，厚度测量系统包括脉冲激光器、激光干涉仪、分光镜、凸透镜、光电二极管以及电子计算机，分光镜和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，光电二极管输出的电信号与电子计算机上的信号采集卡的一个接收端相连，电子计算机上的信号采集卡的另一接收端与激光干涉仪输出端相连，脉冲激光器和激光干涉仪对心放置在被测样品两侧，被测样品放置在二维平移台上，脉冲激光器发出的激光通过凸透镜聚焦，在被测样品一侧激发出高频超声体纵波，通过激光干涉仪在被测样品另一侧对心方向接收直达的超声体纵波，电子计算机得到超声体纵波在被测样品中传播的时间，与电子计算机中设置的被测样品的声速相乘，实现被测样品的厚度测量。本发明与现有技术相比其显著的优点是：1、利用激光干涉仪探测超声体纵波，相比压电换能器可以将测量空间分辨率提高一个量级，操作简单，非接触式测量，可以用于快速、在线测量，也可用于高温环境；2、采用脉冲激光器和激光干涉仪对心放置，被测样品放置在二维电控平移台上的方式，实现了激光在被测样品表面的快速二维扫描，可以测量被测样品厚度二维分布；3采用脉冲激光器和激光干涉仪对心放置，接收被测样品传播的直达超声体纵波，避免了反射声脉冲与入射声脉冲的叠加，提高了测量精度，同时减少了声波的传播路程，扩大了可测样品的厚度范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的具体结构由以下的附图和实施例给出。
脉冲激光体纵波厚度测量系统，它包括脉冲激光器1、激光干涉仪6、分光镜2、凸透镜3、光电二极管8以及电子计算机7，分光镜2和凸透镜3依次设置在同一光路上，光电二极管8位于分光镜2的反射光路上接收分光镜2的反射光，其输出的电信号与电子计算机7上的信号采集卡的接收端相连，信号采集卡的另一接收端与激光干涉仪6输出端相连，本发明的特征在于，脉冲激光器1发出的激光通过凸透镜3聚焦，在被测样品4一侧激发出高频超声体纵波，通过激光干涉仪6在被测样品4另一侧对心方向接收直达的超声体纵波，从而测量出超声体纵波在被测样品4中传播的时间，与已知的声速相乘，就可以测量被测样品4的厚度；采取脉冲激光器1和激光干涉仪6对心放置，被测样品4放置在二维平移台5上的方式，实现了激光在被测样品4表面的快速二维扫描，可以测量被测样品4厚度二维分布。
本发明是利用短脉冲激光器在样品内部激发高频率超声体纵波，根据测量该波在材料内部传播的时间来测量得到厚度值。用激光干涉仪作为超声体纵波的接收装置，采用脉冲激光器和激光干涉仪对心放置，样品放置在二维电控平移台上的方式，实现了激光在样品表面的快速二维扫描，测得的超声体纵波信号传输至电子计算机中，通过程序计算该波在材料内部传播的时间与波速的乘积，从而实现样品厚度二维分布的测量。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电子计算机信号采集卡的触发信号，其余激光经凸透镜聚焦成点激发源，作用于的被测样品一侧，在样品上激发超声体纵波，并在样品内部传播至另一侧表面。由于超声体纵波会导致材料表面发生微小形变，此时，对心放置于被测样品另一侧的激光干涉仪，就能接收体纵波的位移信号，并转换为电信号；该信号传输到电子计算机信号采集卡上，测量该波在材料内部传播的时间，通过程序计算传播的时间与波速的乘积，从而实现样品厚度二维分布的测量。用于固定样品的电控二维平移台由电子计算机控制，实现被测样品的二维平移。

Claims (1)

1.脉冲激光体纵波厚度测量系统，其特征是，厚度测量系统包括脉冲激光器（1）、激光干涉仪（6）、分光镜（2）、凸透镜（3）、光电二极管（8）以及电子计算机（7），分光镜（2）和凸透镜（3）依次设置在同一光路上，光电二极管（8）位于分光镜的反射光路上接收分光镜（2）的反射光，光电二极管8输出的电信号与电子计算机（7）上的信号采集卡的一个接收端相连，电子计算机（7）上的信号采集卡的另一接收端与激光干涉仪（6）输出端相连，脉冲激光器（1）和激光干涉仪（6）对心放置在被测样品（4）两侧，被测样品（4）放置在二维平移台（5）上，脉冲激光器（1）发出的激光通过凸透镜（3）聚焦，在被测样品（4）一侧激发出高频超声体纵波，通过激光干涉仪在被测样品（4）另一侧对心方向接收直达的超声体纵波，电子计算机（7）得到超声体纵波在被测样品（4）中传播的时间，与电子计算机（7）中设置的被测样品（4）的声速相乘，实现被测样品（4）的厚度测量。
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