CN107091877A - 激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法 - Google Patents

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王明鹏
赵中华
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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方法，包括以下步骤：(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；(3)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；(4)平衡探测器对相干后的信号进行混频及光电转换；(5)数据采集装置对超声信号检测处理；(6)上位机对超声信号检测处理进行监测分析，得出检测结果。采用本发明的技术方案具有检测灵敏度更高、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方法
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方法。
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方法，包括以下步骤：
(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；
(3)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；
(4)平衡探测器对相干后的信号进行混频及光电转换；
(5)数据采集装置对超声信号检测处理；
(6)上位机对超声信号检测处理进行监测分析，得出检测结果。
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2为本发明的检测流程图；
图3为使用现有技术检测方法得出的上位机检测波形图；
图4为使用本发明得出的上位机检测波形图。
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方法, 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60:40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。
图2示出了本发明的具体检测流程，包括以下步骤：
(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；依据被测工件表面形貌对激光的吸收与反射条件，适当控制激光发射光功率，并通过光学系统调整到达工件表面激光光斑直径，以便获得最佳激励超声信号的光声转换效果。
(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；探测激光选择窄线宽单频激光器，可减小因激光频率波动引起的噪声影响，有利于提高系统信噪比；激光器输出稳定的光功率，由于进行相干探测的信号光是经工件表面的散射光较弱，所以选择分光比为60:40的分光棱镜经分光后提供相干探测所需的信号光和参考光。
(3)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；信号光和反射光的注入采用透镜组实现，由于信号光经工件反射后的光斑大小及能量扩散且不规则，在信号光注入前先采用直径为38.1mm，焦距为75mm的单透镜将散射光聚焦为小于4mm的园型光斑，再由13mm宽口径激光注入器把入射信号光耦合到与探测激光波长532nm匹配的4um的光纤芯径中，允许入射信号光在8mm范围内移动；经分光后的本振光光学特性单一，可直接由激光注入器注入光纤中；适当调整激光注入器接收激光的入射角使激光耦合效率达到最大，使注入损耗最小。选择2*2保偏光纤耦合器可保证参与相干探测信号光和参考光的偏振态、光传输准直等相干条件。
(4)平衡探测器对相干后的信号进行光电转换；将激光注入到保偏光纤传输相干处理后的混合光与平衡探测器的两个光端口连接，通过探测器完成混频处理和光电转换，由电信号输出端口送数据采集装置处理；平衡探测器采用双探测器结构，对抑制信号的抖动有利，使输出信号噪声基底降低、信号平滑。
(5)数据采集装置对超声信号检测处理；数据采集装置对光电探测器送达的信号进行模/数转换和信号调理，适当选择数据采集装置的单端输入或差分输入模式，以得到适合上位机处理的电平信号。
(6)上位机对超声信号检测处理进行监测分析，得出检测结果。通过设计的上位机人机交互界面系统，可对激光超声信号以图形和数据形式进行观测分析处理，通过一定测试模式和边界条件选择设定，完成对数据和图形的观测和存储。经与传统空间相干测试系统的方法实验对比，其系统的光学系统构成简单、信号测试快捷稳定，激光超声信号观测直观，噪声抑制明显，信噪比提高了近10dB。
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。
图3、图4分别示出使用现有技术上位机检测波形图和使用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为使用现有技术检测方法得出的上位机检测波形图，波形基底噪声明显有起伏。
图4为使用本发明得出的上位机检测波形图，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方法，其特征在于：包括以下步骤：
(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；
(3)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；
(4)平衡探测器对相干后的信号进行混频及光电转换；
(5)数据采集装置对超声信号检测处理；
(6)上位机对超声信号检测处理进行监测分析，得出检测结果。
2.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中，选择分光比为60:40的分光棱镜对激光信号进行分光后提供相干探测所需的信号光和参考光。
3.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中, 在信号光注入前先采用直径为38.1mm，焦距为75mm的单透镜将散射光聚焦为小于4mm的园型光斑，再由13mm宽口径激光注入器把入射信号光耦合到与探测激光波长532nm匹配的4um的光纤芯径中。
4.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中, 选择2*2保偏光纤耦合器可保证参与相干探测信号光和参考光的偏振态、光传输准直的相干条件。
5.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（4）中, 将激光注入到保偏光纤传输相干处理后的混合光与平衡探测器的两个光端口连接，通过探测器完成混频处理和光电转换，由电信号输出端口送数据端采集处理。
6.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（5）中,数据采集装置对光电探测器送达的信号进行模/数转换和信号调理，适当选择数据采集装置的单端输入或差分输入模式，以得到适合上位机处理的电平信号。
7.根据权利要求1所述的激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法，其特征在于：所述步骤（6）中, 通过设计的上位机人机交互界面系统，可对激光超声信号以图形和数据形式进行观测分析处理，通过一定测试模式和边界条件选择设定，完成对数据和图形的观测和存储。
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