CN103674359A - 一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法及设备，通过将激光发射器的发射光源经凸透镜聚焦到待检测的复合材料上，然后将复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束，再将平行光束射到三棱镜上分为两束激光束，在保证两束激光光程相等的前提下，将两束激光束分别通过反射镜反射，反射后的两束激光束再分别经过凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端；平衡接收器输出端的输出信号经终端处理器处理转换为待检测的复合材料残余应力的数值。本发明检测残余应力精度高，能实现三维残余应力的测量，实现无盲区测量以及非接触测量，能够满足高温、腐蚀、辐射的复合材料残余应力测试环境。
Description
技术领域
本发明属于复合材料残余应力检测技术领域，尤其涉及一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法及设备。
背景技术
传统复合材料残余应力的超声无损检测设备，采用压电探头的超声波残余应力检测设备，受压电技术限制，一般频率不高于25MHz，因此声波波长太长，应力引起的波速变化微小，故其检测精度低，只能测试高残余应力值；另外，压电探头必须通过耦合剂跟被检工件进行耦合才能检测，因此不适用高温、腐蚀、辐射的复合材料残余应力测试环境；压电探头受其技术原理限制，不能同时产生纵波、横波和表面波，因此只能适用于二维残余应力的测量；压电探头在检测残余应力时，要求与被检工件全面接触，如果接触不好，就会出现测量数值误差，因此，不适用复杂形状被检工件的残余应力的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法及设备，旨在解决现有压电探头的超声波残余应力检测设备检测精度低、不适用高温、腐蚀以及辐射的复合材料残余应力测试环境等问题。
本发明是这样实现的，一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，包括以下步骤：
将激光光源经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上；
将所述复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束；
将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束，并保持所述两束光束的光程相等；
将所述两束激光束分别经过分别用平面反射镜折射后，再经凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端；
所述平衡接收器通过输出端将信号传送给终端处理器并计算出待检测的复合材料残余应力的数值。
优选地，所述将激光光源经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上具体为：将所述激光光源用平面反射镜折射后，再经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上。
优选地，所述将所述复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束具体为：将所述复合材料反射的激光束用平面反射镜折射后，再经凸透镜形成平行光束。
优选地，所述将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束更具体为：将所述平行光束穿过可调光阀后，再经三棱镜折射成两束光束。
优选地，所述激光发射器的输出功率17mW，所述平行光束直径为15mm。
本发明进一步提供了一种复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，包括激光发射器、第一凸透镜、第二凸透镜、三棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、平衡接收器，以及用于根据所述平衡接收器的输出信号计算出待检测的复合材料残余应力数值的终端处理器；其中，
所述激光发射器发射的光束经过第一凸透镜后聚焦到待检测的复合材料，在复合材料反射出的光束经过第二凸透镜形成平行光束射到三棱镜上，再经过三棱镜分成两道光束，该两道光束分别经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射，反射出的两道光束再分别经过第三凸透镜和第四凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端，所述平衡接收器的输出端与终端处理器连接。
优选地，所述激光超声无损检测设备还包括第三反射镜；其中，所述激光发射器发射的光束经过第三反射镜反射后再射到第一凸透镜上。
优选地，所述激光超声无损检测设备还包括第四反射镜；其中，所述复合材料反射的激光束经第四反射镜反射后再射到第二凸透镜上。
优选地，所述激光超声无损检测设备还包括用于调节入射光束直径及入射光强的可调光阀；其中，所述第二凸透镜射出的平行光束先通过可调光阀后再射到三棱镜上。
优选地，所述激光发射器为输出功率17mW的He-Ne激光器；所述第一凸透镜的焦距为40mm；所述平行光束的直径为15mm。
本发明克服现有技术的不足，提供一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法及设备，采用He-Ne激光器产生激光，通过反射和聚焦后，照射在被检样品上，被照射处的电子吸收光子能量，跃迁至高能态；处于高能态的电子通过辐射跃迁即发光，无辐射跃迁即与复合材料的晶格相碰撞把多余的能量交给晶格，引起照射处复合材料温度升高，并发生光解等化学作用释放多余能量而返回基态；其中无辐射跃迁和化学作用皆可产生超声波。超声波遇到残余应力时，波速发生变化，并返回到被检样品表面，引起被检样品表面发生物理变形，使反射回的激光角度发生变化，发生变化的激光束经反射镜改变光路，经凸透镜聚焦在三棱镜，经三棱镜分束成两路激光，再经反射聚焦在平衡接收器，平衡接收器进行光电转换，再有终端处理器进行处理，具体为通过滤波放大电路并且经过AD转换后，用软件换算成声速的数值，软件再根据声速变化率来可计算出残余应力的数值。
附图说明
图1是本发明的复合材料残余应力的激光超声无损检测方法一实施例的步骤流程图；
图2是本发明的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将激光光源经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上；
在步骤S1中，采用He-Ne激光器产生激光，通过反射和聚焦后，照射在待检测的复合材料上，被照射处的电子吸收光子能量，跃迁至高能态；处于高能态的电子通过辐射跃迁即发光，无辐射跃迁即与复合材料的晶格相碰撞把多余的能量交给晶格，引起照射处复合材料温度升高，并发生光解等化学作用释放多余能量而返回基态；其中无辐射跃迁和化学作用皆可产生超声波。超声波遇到残余应力时，波速发生变化，并返回到被检样品表面，引起被检样品表面发生物理变形，使反射回的激光角度发生变化。
S2、将所述复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束；
S3、将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束，并保持所述两束光束的光程相等；
S4、将所述两束激光束分别用平面反射镜折射后，再经凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端；
在步骤S4中，两束激光束由于从三棱镜中折射出来的方向没有交集，经过方面反射镜折射后，两束激光束均射向平衡接收器方向，再经过凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端。
S5、所述平衡接收器通过输出端将信号传送给终端处理器并计算出待检测的复合材料残余应力的数值。
在本发明实施例中，本发明的激光超声探头检测残余应力精度比压电超声探头高，因此适合于检测精度高的如航天航空及特殊行业的产品；此外，本发明采用激光激发超声波，能一次同时产生纵波、横波、头波和表面波，能实现三维残余应力的测量，对复合材料被件工件的残余应力实现无盲区测量；最后，本发明采用激光超声，是利用激光照射到被检工件上，基于热弹理论产生超声波，不需要与被检工件技术，可实现非接触测量，因此满足高温、腐蚀、辐射的复合材料残余应力测试环境。
在本发明的实际应用过程中，激光发射器的输出功率17mW，第一凸透镜的焦距为40mm，且经第二凸透镜形成的平行光束直径为15mm。
在进一步的实施过程中，为了使得光束的走向更合理和适于实际应用，在本发明实施例中，更具体的，上述步骤S1为：将所述激光光源用平面反射镜折射后，再经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上。
更具体的，上述步骤S2为：将所述复合材料反射的激光束用平面反射镜折射后，再经凸透镜形成平行光束。
在本发明实施例中，经过平面反射镜的反射后，激光发射器的入射光源方向与经第二凸透镜形成平行光束的方向保持一致，实际设计和应用更加合理方便。
在进一步的实施过程中，为了更好的获取以及调节到复合材料反射的激光束，在本发明实施例中，所述步骤S3中的将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束更具体为：将所述平行光束穿过可调光阀后，再经三棱镜折射成两束光束。
在本发明的实际应用过程中，可调光阀可用于调节入射光束直径及入射光强，以满足实际使用需要。
如图2所示，图2为本发明的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，图2中x1、x2以及x3为复合材料6所处坐标，z为超声波发射方向，本发明的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，包括激光发射器1、第一凸透镜21、第二凸透镜22、三棱镜3、第一平面反射镜41、第二平面反射镜42、第三凸透镜23、第四凸透镜24、平衡接收器5，以及用于根据所述平衡接收器传送的数据计算出待检测的复合材料残余应力的数值的终端处理器(图中未示出)；其中，
所述激光发射器1发射的光束经过第一凸透镜21后聚焦到待检测的复合材料6，在复合材料6反射出的光束经过第二凸透镜22形成平行光束射到三棱镜3上，再经过三棱镜3分成两道光束，该两道光束分别经过第一平面反射镜41和第二平面反射镜42反射，反射出的两道光束再分别经过第三凸透镜23和第四凸透镜24聚焦到平衡接收器5的两个输入端，所述平衡接收器5的输出端与终端处理器连接。
本发明实施例中的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备与上述复合材料残余应力的激光超声无损检测方法对应，具有相同的原理和有益效果，在此不再赘述。
在进一步的实施过程中，为了使得光束的走向更合理和适于实际应用，在本发明实施例中，在本实施例中，所述激光超声无损检测设备还包括第三反射镜43；其中，所述激光发射器1发射的光束经过第三反射镜43反射后再射到第一凸透镜21上。所述激光超声无损检测设备还包括第四反射镜44；其中，所述复合材料6反射的激光束经第四反射镜44反射后再射到第二凸透镜22上。
在进一步的实施过程中，为了更好的获取以及调节到复合材料反射的激光束，如图2所示，在本发明实施例中，所述激光超声无损检测设备还包括的可调光阀7；其中，所述第二凸透镜22射出的平行光束先通过可调光阀7后再射到三棱镜上，可调光阀7可用于调节入射光束直径及入射光强，以满足实际使用需要。
相比与现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的激光超声探头检测残余应力精度高，适合检测精度高的如航天航空及特殊行业的产品。
(2)本发明采用激光激发超声波，能一次同时产生纵波、横波、头波和表面波，能实现三维残余应力的测量，对复合材料被件工件的残余应力实现无盲区测量。
(3)本发明采用激光超声，是利用激光照射到被检工件上，基于热弹理论产生超声波，不需要与被检工件技术，可实现非接触测量，因此满足高温、腐蚀、辐射的复合材料残余应力测试环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光光源经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上；
将所述复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束；
将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束，并保持所述两束光束的光程相等；
将所述两束激光束分别经过分别用平面反射镜折射后，再经凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端；
所述平衡接收器通过输出端将信号传送给终端处理器并计算出待检测的复合材料残余应力的数值。
2.如权利要求1所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述将激光光源经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上具体为：将所述激光光源用平面反射镜折射后，再经过凸透镜聚焦到待检测的复合材料上。
3.如权利要求2所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述将所述复合材料反射的激光束经凸透镜形成平行光束具体为：将所述复合材料反射的激光束用平面反射镜折射后，再经凸透镜形成平行光束。
4.如权利要求3所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述将所述平行光束经三棱镜折射成两束光束更具体为：将所述平行光束穿过可调光阀后，再经三棱镜折射成两束光束。
5.如权利要求4所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述激光发射器的输出功率17mW，所述平行光束直径为15mm。
6.一种复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，其特征在于，包括激光发射器、第一凸透镜、第二凸透镜、三棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、平衡接收器，以及用于根据所述平衡接收器的输出信号计算出待检测的复合材料残余应力数值的终端处理器；其中，
所述激光发射器发射的光束经过第一凸透镜后聚焦到待检测的复合材料，在复合材料反射出的光束经过第二凸透镜形成平行光束射到三棱镜上，再经过三棱镜分成两道光束，该两道光束分别经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射，反射出的两道光束再分别经过第三凸透镜和第四凸透镜聚焦到平衡接收器的两个输入端，所述平衡接收器的输出端与终端处理器连接。
7.如权利要求6所述复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，其特征在于，所述激光超声无损检测设备还包括第三反射镜；其中，
所述激光发射器发射的光束经过第三反射镜反射后再射到第一凸透镜上。
8.如权利要求7所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，其特征在于，所述激光超声无损检测设备还包括第四反射镜；其中，
所述复合材料反射的激光束经第四反射镜反射后再射到第二凸透镜上。
9.如权利要求8所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，其特征在于，所述激光超声无损检测设备还包括用于调节入射光束直径及入射光强的可调光阀；其中，
所述第二凸透镜射出的平行光束先通过可调光阀后再射到三棱镜上。
10.如权利要求9所述的复合材料残余应力的激光超声无损检测设备，其特征在于，所述激光发射器为输出功率17mW的He-Ne激光器；所述第一凸透镜的焦距为40mm；所述平行光束的直径为15mm。
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