CN106596732A - 基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统及方法 - Google Patents

基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统及方法，首先制作由n根长度成等差排列的光纤组成的光纤阵列束，将这n根光纤的一端熔融成圆端面作为光纤阵列束的输入端，将其另一端线性布置固定在一起；再将脉冲激光器产生的激光光束通过光纤耦合器导入光纤阵列束中，将光纤阵列束输出端与聚焦镜头连接，使得光纤阵列束输出的点状激光阵列聚焦于被测试件表面，形成均匀分布的等时间间隔的线状阵列激光光斑，由各个激光阵列元所激发的超声波将在设定方向叠加将该方向的超声强度提高n倍；最后可通过激光干涉仪或其他超声传感器接收试件内部的反射回波信号，实现对试件内部缺陷的检测；本发明具有系统结构简单、易实现、能够大幅度提高激光超声系统的信噪比和检测能力。

Description

基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统及方法
技术领域
本发明涉及一种结构缺陷远距离超声无损检测的激励方法，具体涉及一种基于高能光纤束传输的阵列激光超声增强激励系统及方法。
背景技术
在航空航天、材料、能源等领域，一些重大装备结构在使用中往往由于复杂受载或运行环境恶劣(如高温、高压、强腐蚀和辐射等)而在其内部或表面产生裂纹，结构关键部位处裂纹的存在会降低结构强度，从而严重影响设备的安全性。
在目前的无损检测领域内，超声检测是最为重要的方法之一，广泛应用于各类重要设备结构的安全检测中。结构中超声波的激发方式可分为压电超声法、电磁超声法和激光超声法。其中压电超声需要探头与被测试件接触且需要使用液体耦合剂，电磁超声虽然不需要与被测试件接触但提离距离很小；而激光超声由于使用激光激励和检测超声波，具有远距离、非接触以及高分辨率等优点，目前在无损检测等工业领域正受到越来越多的重视。
然而热弹机制下单点激光在结构中所激发的超声波体波(纵波和横波)较弱，系统的信噪比较低，不利于对结构内部缺陷的检测，因而很有必要通过相控阵列激光激发等方法来增强所超声波强度以实现内部缺陷的检测。但是目前存在的阵列激光方法多是通过搭建光学系统对激光束进行分光或使用多个激光源，其系统较为复杂、稳定性较差。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统及方法，降低阵列激光超声系统的复杂度，大幅度提高激光超声无损检测系统的信噪比和检测能力。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统，由依次布置的脉冲激光器1、光纤耦合器3、特制光纤阵列束5和聚焦镜头8构成；所述特制光纤阵列束5是由n根型号一致、长度分别为L0，L0+L1，L0+2L1，…，L0+(n-1)L1，成等差排列的大口径高能光纤制成，这n根光纤的一端被固定在一起并熔融成一个圆端面作为光纤阵列束的输入端4，同时这n根光纤的另一端线性布置固定在一起作为光纤阵列束的输出端7，光纤束的中间段被盘绕在一起并封装在收纳盒6中；光纤阵列束的输入端4连接光纤耦合器3，光纤阵列束的输出端7连接聚焦镜头8。
所述聚焦镜头8由凸透镜12和柱透镜13组合而成能够使光纤阵列束输出端出来的点状激光光斑聚焦为阵列线状激光光斑9。
所述的一种基于高能光纤束传输的阵列激光超声增强激励系统的阵列激光超声增强激励方法，脉冲激光器1产生的激光束2通过光纤耦合器3被耦合到光纤阵列束5的输入端4后被分成n个在长度成等差排列的n根光纤中传播的子激光束，最后在特制光纤阵列束5的输出端7由各个光纤等时间间隔射出n个子激光束脉冲；最后通过聚焦镜头8聚焦到试件10表面并形成n个阵列线状激光光斑9，这n个阵列线状激光元9以一定时间间隔逐次在对应的照射区域分别激发一个超声波脉冲，这些超声波脉冲会在特定的方向上叠加，得到幅值相当于原来n倍的超声波脉冲11用于试件10表面非接触超声波探伤。
所述一定时间间隔为△t＝0.5L1×10-8秒。
本发明通过等差长度的高能光纤阵列束可以在降低系统复杂度的前提下实现相控阵激光超声的激励。由于各相邻阵列激光束按照等时间间隔聚焦于待测试件表面从而能在试件内部沿设定方向上产生增强的激光超声波脉冲，当该增强的超声波遇到结构内部缺陷时，就可以产生较强的反射和散射回波，从而大幅度提高激光超声检测系统的信噪比和检测能力。
附图说明
图1为本发明系统的总体结构示意图。
图2为本发明光纤阵列束的输入端和输出端端面示意图。
图3为本发明聚焦镜头的光学元件组成和光路示意图。
图4为本发明试件表面聚焦激光阵列和所激发超声波示意图。
图5为本发明用于缺陷检测的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1至图4所示，本发明是一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统，由脉冲激光器1、光纤耦合器3、特制光纤阵列束5和聚焦镜头8构成；脉冲激光器1产生的激光束2首先通过光纤耦合器3耦合到一由n根长度成等差排列的大口径光纤制成的特制光纤阵列束5中，形成在n根光纤中传播的子激光束，最后通过一聚焦镜头8聚焦到试件10表面并形成n个阵列线状激光光斑9，这n个阵列线状激光元会以一定时间间隔(△t＝0.5L1×10-8秒)逐次在对应的照射区域分别激发一个超声波脉冲，这些超声波脉冲在设定的方向上叠加，得到幅值相当于原来n倍的超声波脉冲11。
所述的光纤阵列束5是由n根型号一致、长度分别为L0，L0+L1，L0+2L1，…，L0+(n-1)L1，成等差排列的大口径高能光纤制成，这n根光纤的一端被固定在一起并熔融成一个圆端面作为光纤阵列束的输入端4，同时将这n根光纤的另一端线性布置固定在一起作为光纤阵列束的输出端7；光纤束的中间段被盘绕在一起并封装在收纳盒6中。
激光束2被耦合到光纤阵列束5的输入端4后会被分成n个在长度成等差排列的n根光纤中传播的子激光束，最后在光纤束5的输出端7由各个光纤等时间间隔(△t＝0.5L1×10-8秒)射出n个子激光束脉冲。
如图3和图4所示，所述的聚焦镜头8使用凸透镜12和柱透镜13组合可使光纤阵列束输出端出来的点状激光光斑聚焦为阵列线状激光光斑9。
如图5所示，本发明的一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统可用于非接触超声波探伤。其过程是首先使用所发明的系统在待测试件内部产生沿设定方向传播的增强激光超声波，该超声波遇到试件内部缺陷时会发生发射或散射，再通过激光干涉仪对反射回波进行接收。最后再对回波信号进行处理和分析，可检测出缺陷的大小和位置。由于所发明系统能将激光超声波激发强度提高n倍，因而相应接收到的超声波信号强度也能提高n倍，这样就能大幅度提高系统的信噪比以及对缺陷的检测能力。

Claims (4)

1.一种基于高能光纤阵列束传输的激光超声增强激励系统，其特征在于：由依次布置的脉冲激光器(1)、光纤耦合器(3)、特制光纤阵列束(5)和聚焦镜头(8)构成；所述特制光纤阵列束(5)是由n根型号一致、长度分别为L0，L0+L1，L0+2L1，…，L0+(n-1)L1，成等差排列的大口径高能光纤制成，这n根光纤的一端被固定在一起并熔融成一个圆端面作为光纤阵列束的输入端(4)，同时这n根光纤的另一端线性布置固定在一起作为光纤阵列束的输出端(7)，光纤束的中间段被盘绕在一起并封装在收纳盒(6)中；光纤阵列束的输入端(4)连接光纤耦合器(3)，光纤阵列束的输出端(7)连接聚焦镜头(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于高能光纤束传输的阵列激光超声增强激励系统，其特征在于：所述聚焦镜头(8)由凸透镜(12)和柱透镜(13)组合而成，能够使光纤阵列束输出端出来的点状激光光斑聚焦为阵列线状激光光斑(9)。
3.权利要求1所述的一种基于高能光纤束传输的阵列激光超声增强激励系统的阵列激光超声增强激励方法，其特征在于：脉冲激光器(1)产生的激光束(2)通过光纤耦合器(3)被耦合到光纤阵列束(5)的输入端(4)后被分成n个在长度成等差排列的n根光纤中传播的子激光束，最后在特制光纤阵列束(5)的输出端(7)由各个光纤等时间间隔射出n个子激光束脉冲；最后通过聚焦镜头(8)聚焦到试件(10)表面并形成n个阵列线状激光光斑(9)，这n个阵列线状激光元以一定时间间隔逐次在对应的照射区域分别激发一个超声波脉冲，这些超声波脉冲会在特定的方向上叠加，得到幅值相当于原来n倍的超声波脉冲(11)用于试件(10)表面非接触超声波探伤。
4.根据权利要求3所述的阵列激光超声增强激励方法，其特征在于：所述一定时间间隔为△t＝0.5L1×10-8秒。
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