CN106996962A - 激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统,包括YAG脉冲激光器、光学系统、单频激光器、分光棱镜、光纤注入器、光纤耦合器、平衡探测器、数据采集装置、上位机，YAG脉冲激光器可发出脉冲光并作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号，单频激光器发出的激光信号经分光棱镜分成信号光和参考光，信号光经被探测物反射后与参考光分别进入不同的光纤注入器后进入光纤耦合器进行相干，再由平衡探测器对相干后的信号进行混频及光电转换，最后由数据采集装置对超声信号检测处理并送上位机进行监测与分析，得出检测结果。采用本发明的技术方案可使激光超声无损检测系统具有探测灵敏度更高、实用性更强、使用范围更广的效果。

Description

激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统
技术领域
本发明涉及金属物体的无损检测领域，具体涉及一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，包括YAG激光器、光学系统、单频激光器、光纤注入器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集装置、上位机。
背景技术
传统的超声检测主要研究方法有接触式检测、空间光干涉相干检测，采用压电换能器产生和接收超声信号时，探头要近距离接触被测物，无法实现非接触探伤。而激光超声技术具有极强的抗干扰能力，可以在高温高压、有毒、高辐射等恶劣环境下进行遥控激发和接收的无损检测。此外激光激发超声表面波对表面和亚表面微小缺陷高度敏感，非常适用于表面缺陷的无损检测，因此，进一步研究弱信号环境下高质量检测更具有实际意义。
激光超声无损检测是通过对被测工件表面散射光检测来完成的非接触测量，易受背景光和大气扰动影响，在激光超声实际检测过程中，有用信息往往以某种形式隐藏在所获取的信号中，甚至被噪声完全淹没，用传统的方法难以提取，此时必须借助于某些高灵敏度的检测手段和信号处理技术来实现。
随着激光及光纤技术的飞速发展，使得相干光检测技术不仅在光通信领域得到了广泛的应用，在其他领域如传感、信号处理、无损检测也有很广泛的应用。相干光检测技术具有良好的抗干扰性能、频带利用率好、接收灵敏度高等优势，使其成为满足弱信号检测高要求、解决恶劣环境下应用的有效手段。
但是由于自然界中的噪声具有随机性和波动性，相干光检测技术的检测不可避免地要受到外界各种噪声的干扰，这限制了测量所能达到的精确性和灵敏度，影响信号检测的判决。相干光检测系统中的空间反射信号光功率较微弱，即使利用光学方法进行非干涉或干涉的检测技术，由于受被测材料表面形貌的影响，其反射光的位置、强度及光学特性的微变，现有空间光相干探测方式由多个透镜调整光路，其光学结构复杂，光束的共轴准直、偏振特性和平行传输受光学器件影响较大；加上开放前端进行信号的接收和处理时，受50Hz工频干扰噪声影响，使检测输出信号起伏增加，降低系统信噪比，存在探测条件的一致性和稳定性得不到保证，同时信号检测灵敏度有待进一步的提高。
另外现有的相干光检测技术系统中光电探测器多采用单端探测器，容易出现随机噪声抖动的现象，光电转换输出信号的欠稳定，对弱信号的判决识别能力也有待进一步的提高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是如何解决相干光检测系统在检测过程中存在的探测条件的一致性和稳定性得不到保证，同时信号检测灵敏度有待进一步的提高的问题以及检测过程中光电转换欠稳定，对弱信号的判决识别能力不高问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，包括：
YAG脉冲激光器：可根据介质的结构形状及材料特性，能适当地选择激光输出功率和驱动频率，发出受基频调制且具有一定能量控制的脉冲光并作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号；优选地，YAG脉冲激光器波长为1064nm；
光学系统：为光学透镜，可用于调整发射脉冲激光到达被测工件表面的光斑直径大小，以便获得不同的光声转换效率；
单频激光器：作为探测光源，能产生连续的激光光束；优选地，单频激光器波长为532nm；
分光棱镜：可根据设定的分光比例将单频激光分成信号光和参考光；
光纤注入器：为光学透镜组，可将一定位置范围变化的mm等级的反射激光注入到芯径确定的um等级的光纤中；优选地，光学透镜组为宽口径；
光纤耦合器：为保偏光纤耦合器，对来自光纤注入器的信号光与参考光进行混合相干后送光电探测器进行检测；优选地，光纤耦合器为2*2保偏光纤耦合器；
平衡探测器：具有双光输入端端口, 对来自于光纤耦合器相干后的信号进行混频及光电转换成超声信号；
数据采集装置：对来自于平衡探测器的超声信号检测与转换处理并送上位机进行监测分析；
上位机：对来自于数据采集装置的超声信号监测分析和处理。
YAG脉冲激光激励超声信号系统部分所有光学器件的波长参数必须匹配；作为单频激光器探测激光超声信号系统部分所有光学器件的波长参数也必须匹配。
采用本发明的技术方案可取得以下有益效果：
1、采用宽口径激光注入器，可以减少探测超声的激光因受被测物体表面形貌和大气扰动的影响，其反射光或散射光斑不规则扩散且位置漂移现象，可将携带超声信息及具有一定位置漂移的扩散光斑汇聚，增强信号检测的实用性，扩大系统的使用范围。
2、采用光纤耦合器，将空间光耦合到光纤中传输处理，可减小空间干涉检测时背景光噪声影响，保证相干光探测条件的一致性和稳定性，提高信号检测灵敏度。
3、采用平衡探测器，可减小随机噪声抖动的影响，降低系统噪声基底，保证光电转换输出信号的平滑稳定，提高弱信号的判决识别能力。
附图说明
图1为现有技术的空间相干单端探测激光超声检测系统示意图；
图2为本发明的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统示意图；
图3为现有技术上位机检测波形图；
图4为本发明上位机检测波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1和图2分别示出了现有技术的空间相干单端探测激光超声检测系统示意图和本发明的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统示意图，从图中可以看出区别在于系统结构在探测光路分光棱镜与光电探测之间有所变化。
图2示出了本发明的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统示意图，一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统, 包括：
YAG脉冲激光器：可根据介质的结构形状及材料特性，能适当地选择激光输出功率和驱动频率，发出受基频调制且具有一定能量控制的脉冲光并作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号；优选地，YAG脉冲激光器波长为1064nm；
光学系统：为光学透镜，可用于调整发射脉冲激光到达被测工件表面的光斑直径大小，以便获得不同的光声转换效率；
单频激光器：作为探测光源，能产生连续的激光光束；优选地，单频激光器波长为532nm；
分光棱镜：可根据设定的分光比例将单频激光分成信号光和参考光；
光纤注入器：为光学透镜组，可将一定位置范围变化的mm等级的反射激光注入到芯径确定的um等级的光纤中；优选地，光学透镜组为宽口径；
光纤耦合器：为保偏光纤耦合器，对来自光纤注入器的信号光与参考光进行混合相干后送光电探测器进行检测；优选地，光纤耦合器为2*2保偏光纤耦合器；
平衡探测器：具有双光输入端端口, 对来自于光纤耦合器相干后的信号进行混频及光电转换成超声信号；
数据采集装置：对来自于平衡探测器的超声信号检测与转换处理并送上位机进行监测分析；
上位机：对来自于数据采集装置的超声信号监测分析和处理。上位机采用由Lab VIEW设计的人机交互界面完成对超声信号的捕获显示及物体缺陷质量的监测分析处理，所使用的上位机人机交互界面是在Lab VIEW环境下设计的，Lab VIEW是一个通用的图形化编程开发工具软件，为现有技术。
需要明确的是系统示意图中作为YAG脉冲激光激励超声信号系统部分所有光学器件的波长参数必须匹配；作为单频激光器探测激光超声信号系统部分所有光学器件的波长参数也必须匹配。
本发明系统的工作过程如下：
1、YAG脉冲激光器发出脉冲激光经光学系统聚焦后作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号；
2、单频激光器发出的激光信号经分光棱镜分成信号光和参考光，信号光经被探测物反射后与参考光分别进入不同的光纤注入器后进入光纤耦合器进行相干，再由平衡探测器对相干后的信号进行混频及光电转换，最后由数据采集装置对超声信号检测处理并送上位机进行监测分析，得出检测结果。
图3、图4分别示出现有技术上位机检测波形图和本发明上位机检测波形图，对比图中图波，可清楚地表明本发明的有益效果。
图3波形显示界面是采用Lab VIEW设计的，由检测原理可知，若工件无缺陷，超声信号直接衰减，没有回波信号，只有一个主峰波形。
图3是现有技术下检测有缺陷工件的波形，当在工件中传输的超声信号遇到裂缝，受到反射后往回传播，使得信号光发生突变，图中第一个幅值为直接到达的主峰，第二个幅值是经工件缺陷反射引起的回波信号，根据两个波峰的时间间隔和超声波在介质中传播速度可计算得到工件中缺陷位置。
图3由现有技术的空间相干单端探测激光超声检测系统中的单端探测的波形基底噪声明显有起伏。
图4是本发明通过激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，波形基底噪声得到稳定性较好的平滑处理，波形结果充分显示本发明的探测优势。
采用本发明的技术方案可使相干光探测系统具有检测灵敏度更高、实用性更强、使用范围更广的效果。
以上结合附图对本发明的实施方式作出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下,对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统, 包括：
YAG脉冲激光器：可发出脉冲光并作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号；
光学系统：为光学透镜，可用于调整发射脉冲激光到达被测工件表面的光斑直径大小，以便获得不同的光声转换效率；
单频激光器：作为探测光源，能产生连续的激光光束；
分光棱镜：可根据设定的分光比例将单频激光分成信号光和参考光；
光纤注入器：为光学透镜组，可将一定位置范围变化的mm等级的反射激光注入到芯径确定的um等级的光纤中；
平衡探测器：对来自于光纤耦合器相干后的信号进行混频及光电转换成超声信号；
数据采集装置：对来自于平衡探测器的超声信号检测与转换处理并送上位机进行监测分析；
上位机：对来自于数据采集装置的超声信号监测分析和处理；
其特征在于：还包括光纤耦合器，所述光纤耦合器为保偏光纤耦合器，对来自光纤注入器的信号光与参考光进行混合相干后送平衡探测器进行检测。
2.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述的YAG脉冲激光器波长为1064nm。
3.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述光学系统为与所述YAG脉冲激光器波长匹配的光学透镜。
4.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述的单频激光器波长为532nm。
5.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述的光纤注入器为宽口径光学透镜组。
6.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述的光纤耦合器为2*2保偏光纤耦合器。
7.如权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，其特征在于：所述平衡探测器具有双光输入端端口。
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