CN107796549A - 一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置 - Google Patents

一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，包括检测头、导光系统及压电传感器；检测头包括壳体、供水系统、信号处理器、综合控制系统及蓄水槽，其中，蓄水槽位于壳体内；供水系统与蓄水槽相连通，压电传感器位于待测材料上，压电传感器的表面覆盖有吸收保护层，蓄水槽的顶部设有玻璃隔片，导光系统传输过来的激光束依次穿入壳体、穿过玻璃隔片、穿过蓄水槽、穿出壳体作用于吸收保护层上，压电传感器的输出端经信号处理器与综合控制系统相连接，综合控制系统与激光源系统的控制端相连接，该装置测试难度小，并且结构简单，集成化程度高。

Description

一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置
技术领域
本发明属于激光技术应用领域，涉及一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置。
背景技术
激光冲击波结合力检测技术(Laser bond Inspection,LBI)，是指利用高功率密度纳秒脉冲辐照在材料表面，材料表面贴覆的吸收保护层(铝箔、黑胶带等)会吸收激光能量并快速发生爆炸性气化蒸发，形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量膨胀，在水流的约束作用下形成向材料内部传播的高压冲击波，冲击波首先以压缩波形式传播，但在背面反射后转变为拉伸波，当拉伸波应力值超过材料粘接或界面等结构的结合强度，即会在该处发生层裂现象，从而根据拉伸波应力值和层裂现象判断材料结合力是否满足设计标准。该技术既可以检测复合材料层间以及异种材料间的结合力，还可以检测涂层/薄膜的界面结合力。
利用激光冲击波检测结合力的原理很简单，但目前实际检测过程却十分复杂，首先检测系统就包括纳秒激光器及其控制系统、水约束层系统、材料背面自由面速度测试系统等装置；其次还需要利用冲击波传播理论对获得的背面粒子速度曲线进行分析才能判断材料的粘接力/结合力是否满足标准。由于整个检测过程不但涉及装置/系统多、检测程序多、操作复杂难度大，所以该检测技术仍处于试验研究阶段，不适合材料和结构的现场检测，因此需要对整个激光冲击波结合力检测装置进行简单化、集成化和系统化设计。
目前，在激光冲击波结合力检测过程中，一般利用激光速度干涉仪(VelocityInterferometer System For Any Reflector,VISAR)或光子多普勒测速仪(PhotonicDoppler Velocimeter,PDV)等装置对材料背面自由面速度进行测试，通过背面粒子速度反映冲击波压力变化情况，但这种背面粒子速度测试方式在实际构件上很难实现，且测试程序多、难度大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，该装置测试难度小，并且结构简单，集成化程度高。
为达到上述目的，本发明所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置包括检测头、激光器、导光系统及压电传感器；检测头包括壳体、供水系统、信号处理器、综合控制系统及蓄水槽，其中，蓄水槽位于壳体内；
供水系统与蓄水槽相连通，压电传感器位于待测材料上，压电传感器的表面覆盖有吸收保护层，蓄水槽的顶部设有玻璃隔片，激光器输出的脉冲激光束经导光系统依次穿入壳体、穿过玻璃隔片、穿过蓄水槽、穿出壳体作用于吸收保护层上，压电传感器的输出端经信号处理器与综合控制系统相连接，综合控制系统与激光器的控制端相连接。
供水系统包括真空泵、压力水泵、第一水管路、第二水管路、第一电磁活门及第二电磁活门，其中，真空泵通过第一水管路及第一电磁活门与蓄水槽相连通，压力水泵通过第二水管路及第二电磁活门与蓄水槽相连通，第一电磁活门的控制端及第二电磁活门的控制端均与综合控制系统相连接。
导光系统包括硬光路导管、柔性转接头及反射镜，硬光路导管上设置有柔性转接头，柔性转接头内设置有反射镜，激光器输出的脉冲激光束在硬光路导管中进行传递，并通过柔性转接头中的反射镜改变传递的方向。
所述压力传感器包括压电晶片及压电传感器接触区，其中，吸收保护层位于压电晶片上，压电晶片与压电传感器接触区相连通，信号处理器通过伸缩探针与压电传感器接触区相连接。
压电传感器上设有用于确定检测头位置的定位线。
壳体上设置有把手。
把手上设置有检测按钮，检测按钮与综合控制系统相连接。
壳体上设置有指示灯，指示灯与综合控制系统相连接。
所述吸收保护层为铝箔或黑胶带。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置在具体操作时，通过供水系统向蓄水槽中注水，从而在蓄水槽中形成水约束层，施加较为方便；在检测时，高功率脉冲激光穿过水约束层后照射到吸收保护层上，吸收保护层吸收激光能量后产生的激光冲击波传播到压电传感器内，压电传感器将冲击波压力信号转换为电压信息，并传输至信号处理器中。同时本发明可以通过综合控制系统对高功率脉冲激光的参数进行设定，因此可以通过信号处理器获得不同激光参数下的电压信号，进而通过对比获知待测材料内部结合力是否满足设计标准。需要说明的是，本发明通过对比的方式即可获知待测材料内部结合力是否满足设计标准，避免需要获取背面粒子速度曲线而带来的技术难度，从而降低检测头装置的测试难度、设计难度及操作难度，并且结构简单，集成化程度高。
进一步，本发明通过蓄水槽、第一电磁活门、第二电磁活门、压力水泵及真空泵的相配合实现水约束层的施加及撤离，有效防止水流四溅，简化水流回收装置的结构，提高水流质量及约束效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程图。
1为第一电磁活门、2为硬光路导管、3为柔性转接头、4为反射镜、5为玻璃隔片、6为蓄水槽、7为水位传感器、8为第二电磁活门、9为信号处理器、10为指示灯、11为压力水泵、12为真空泵、13为把手、14为检测按钮、15为压电传感器、16为压电晶片、17为压电传感器接触区、18为定位线、19为吸收保护层、20为伸缩探针、21为综合控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置包括检测头、导光系统及压电传感器15；检测头包括壳体、供水系统、信号处理器9、综合控制系统21及蓄水槽6，其中，蓄水槽6位于壳体内；供水系统与蓄水槽6相连通，压电传感器15位于待测材料上，压电传感器15的表面覆盖有吸收保护层19，蓄水槽6的顶部设有玻璃隔片5，激光器输出的脉冲激光束经导光系统依次穿入壳体、穿过玻璃隔片5、穿过蓄水槽6、穿出壳体作用于吸收保护层19上，压电传感器15的输出端经信号处理器9与综合控制系统21相连接，综合控制系统21与激光器的控制端相连接。
供水系统包括真空泵12、压力水泵11、第一水管路、第二水管路、第一电磁活门1及第二电磁活门8，其中，真空泵12通过第一水管路及第一电磁活门1与蓄水槽6相连通，压力水泵11通过第二水管路及第二电磁活门8与蓄水槽6相连通，第一电磁活门1的控制端及第二电磁活门8的控制端均与综合控制系统21相连接。
导光系统包括硬光路导管2、柔性转接头3及反射镜4，硬光路导管2上设置有柔性转接头3，柔性转接头内设置有反射镜，激光器输出的脉冲激光束在硬光路导管2中进行传递，并通过柔性转接头中的反射镜4改变传递的方向。
所述压力传感器包括压电晶片16及压电传感器接触区17，其中，吸收保护层19位于压电晶片16上，压电晶片16与压电传感器接触区17相连通，信号处理器9通过伸缩探针20与压电传感器接触区17相连接。
压电传感器15上设有用于确定检测头位置的定位线18；壳体上设置有把手13；把手13上设置有检测按钮14，检测按钮14与综合控制系统21相连接。
壳体上设置有指示灯10，指示灯10与综合控制系统21相连接；所述吸收保护层19为铝箔或黑胶带。
本发明的具体工作过程为：
1)在综合控制系统21设置激光束能量、脉宽及光斑的参数，再通过显示屏显示激光束的能量、脉宽及光斑参数；
2)在待测材料表面贴覆压电传感器15，再在压电传感器15上贴覆吸收保护层19，并通过壳体对齐定位线18将检测头压紧在待测材料的表面上，其中，伸缩探针20对齐压电传感器接触区17，然后将伸缩探针20通过压电传感器接触区17连接压电晶片16，从而将压电晶片16产生的电压信号经压电传感器接触区17及伸缩探针20传递至信号处理器9中；
3)同时按压两边检测按钮14，此时指示灯10闪烁，综合控制系统21控制第二电磁活门8开启，压力水泵11将水压入蓄水槽6中，水位传感器7实时检测蓄水槽6中水的水位信息，并将蓄水槽6中水的水位信息发送至综合控制系统21中，当蓄水槽6中水的水位信息大于等于预设值时，则关闭第二电磁活门8；
4)综合控制系统21控制激光器工作，激光器产生的高功率脉冲激光通过硬光路导管2及柔性转接头3导入至检测头中，并使脉冲激光照射在吸收保护层19上，吸收保护层19吸收激光能量，产生激光冲击波；
5)激光冲击波在待测材料内部反复反射，并传播至压电传感器15处，压电传感器15将冲击波压力信号转换为电压信号，并通过伸缩探针20传输至信号处理器9中；
6)信号处理器9获得不同激光参数下的电压信号，并通过对比分析电压信号表征激光冲击波压力特征的变化情况，判定待测材料内部结合力是否满足设计标准，并将判定的结果发送至综合控制系统21中；当满足设计标准时，则综合控制系统21控制指示灯10发出绿光，当不满足设计标准时，则综合控制系统21控制指示灯10发出红光；
7)综合控制系统21打开第一电磁活门1，通过真空泵12将蓄水槽6的水流吸出。
本发明通过硬光路导管2和柔性转接头3进行高功率脉冲激光的空间多自由度飞行导光，实现检测头对不同结构不同空间位置的检测；利用电磁活门和水泵实现水约束层的施加和去除；采用压电传感器15将材料表面激光冲击波压力信号转换为电压信号；通过信号处理器9对比分析不同激光参数条件下电压信号特征，判定待测材料的结合力是否满足设计标准，并通过指示灯10表明检测结果。本发明可实现多自由度空间移动、原理结构简单、易操作、通用性强，可用于一般复合材料粘接结构、异种材料粘接结构和具有薄膜/涂层的材料或结构。

Claims (9)

1.一种用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，包括检测头、激光器、导光系统及压电传感器(15)；检测头包括壳体、供水系统、信号处理器(9)、综合控制系统(21)及蓄水槽(6)，其中，蓄水槽(6)位于壳体内；
供水系统与蓄水槽(6)相连通，压电传感器(15)位于待测材料上，压电传感器(15)的表面覆盖有吸收保护层(19)，蓄水槽(6)的顶部设有玻璃隔片(5)，激光器输出的脉冲激光束经导光系统依次穿入壳体、穿过玻璃隔片(5)、穿过蓄水槽(6)、穿出壳体作用于吸收保护层(19)上，压电传感器(15)的输出端经信号处理器(9)与综合控制系统(21)相连接，综合控制系统(21)与激光器的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，供水系统包括真空泵(12)、压力水泵(11)、第一水管路、第二水管路、第一电磁活门(1)及第二电磁活门(8)，其中，真空泵(12)通过第一水管路及第一电磁活门(1)与蓄水槽(6)相连通，压力水泵(11)通过第二水管路及第二电磁活门(8)与蓄水槽(6)相连通，第一电磁活门(1)的控制端及第二电磁活门(8)的控制端均与综合控制系统(21)相连接。
3.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，导光系统包括硬光路导管(2)、柔性转接头(3)及反射镜(4)，硬光路导管(2)上设置有柔性转接头(3)，柔性转接头内设置有反射镜，激光器输出的脉冲激光束在硬光路导管(2)中进行传递，并通过柔性转接头中的反射镜(4)改变传递的方向。
4.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，所述压力传感器包括压电晶片(16)及压电传感器接触区(17)，其中，吸收保护层(19)位于压电晶片(16)上，压电晶片(16)与压电传感器接触区(17)相连通，信号处理器(9)通过伸缩探针(20)与压电传感器接触区(17)相连接。
5.根据权利要求4所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，压电传感器(15)上设有用于确定检测头位置的定位线(18)。
6.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，壳体上设置有把手(13)。
7.根据权利要求6所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，把手(13)上设置有检测按钮(14)，检测按钮(14)与综合控制系统(21)相连接。
8.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，壳体上设置有指示灯(10)，指示灯(10)与综合控制系统(21)相连接。
9.根据权利要求1所述的用于激光冲击波结合力检测的检测头装置，其特征在于，所述吸收保护层(19)为铝箔或黑胶带。
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