CN109682759B - 一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。本发明通过控制光纤阵列各光纤间距实现激光超声信号增强方向的转向和定点聚焦，来实现对被测样品的快速扫描和获得被检特征的进一步形貌特征，显著提高了检测效率和探伤精度。

Description

一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系 统及方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法。

背景技术

激光超声是一种非接触，高精度，无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波，并用激光束探测超声波的传播，从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面被检特征，材料参数等等。在材料被检特征检测、加工检测、以及高温、腐蚀、辐射等恶劣的环境下设备的监测中具有广阔的应用前景。

相比于其他无损检测技术，激光超声检测技术具有成本低、易操作、精度高等优势，在未来无损探伤领域有很大的发展潜力。然而，现有的激光超声激发与检测方法一般采用单点源或者线源照射被测样品，受限于脉冲激光器的能量和重复频率，激发效果和信号的强度以及检测速率有限，不利于对样品内部被检特征的检测，因而很有必要通过相控阵列激光激发的方法来增强超声波强度以实现内部被检特征的检测。但是目前已有的阵列激光方法多不能实现超声信号增强方向的快速转向和定点聚焦，其效率低下，精度不高。

发明内容

发明目的：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实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法，通过控制光纤阵列各光纤间距实现激光超声信号增强方向的转向和定点聚焦，来实现对被测样品的快速扫描和获得被检特征的进一步形貌特征，显著提高了检测效率和探伤精度。

技术方案：为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。

可选的，激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根(n≥2)型号相同，长度成等差排列的光纤，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距。

可选的，精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，使竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布。

可选的，激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪。

可选的，控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。

可选的，该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。

本发明另一实施例中，还提供了一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，包括以下步骤：

(1)系统对被测样品进行快速扫描；

(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测，获取被检特征初始形貌特征；

(3)系统对被检特征位置进行定点聚焦，获取被检特征清晰形貌特征。

进一步的，步骤(1)中系统对被测样品进行快速扫描的方法为：

利用精密移动装置控制调整各光纤的间距d等间距变化，实现激光超声信号的增强方向θ的变化，进而完成对整个x-z二维探测平面的快速扫描，θ与d之间的关系为

式中c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔；再利用步进电机控制电控位移台实现被测样品在x-y平面的移动，从而完成对被测样品的三维快速扫描。

进一步的，步骤(2)具体为：

在快速扫描阶段，当计算机分析出激光超声信号检测装置接收到非样品边界反射回来的超声信号，则认定被测样品中存在被检特征，通过控制精密移动装置和步进电机来改变超声信号在被测样品中传播路径，然后实现对被检特征位置和形貌的初步检测。

进一步的，步骤(3)具体为：

为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，需满足以下方程：

式中，r₁，r₂，r_i和r_n分别是第一根光纤，第二根光纤，第i根光纤和第n根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔，x为第一根光纤出射激光光斑到被检特征边缘聚焦点正上方的距离，d₁为精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤的间距，d₂为第三根光纤与第二根光纤间距，d_i-1为第i根光纤与第i-1根光纤的间距，d_n-1为第n根光纤与第n-1根光纤的间距，h为被检特征深度；

求解上述2n-1个方程式组成的方程组，得出d₁，d₂…d_i-1…d_n-1，计算机将d₁，d₂…d_i-1…d_n-1的值反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距d₁和第三根光纤与第二根光纤间距d₂，…，第i根光纤与第i-1根光纤的间距d_i-1，…，第n根光纤与第n-1根光纤的间距d_n-1，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，由计算机分析接收的超声信号进而获得被检特征的清晰形貌特征。

有益效果：与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明采用精密移动装置控制光纤阵列各光纤输出端等间距变化来完成激光超声信号增强方向的转向，配合步进电机移动被测样品实现了系统对其的快速扫描，显著提高了探测效率；在快速扫描获得被检特征位置信息之后，再次由精密移动装置改变光纤阵列各光纤输出端间距实现激光超声对被检特征边缘的定点聚焦，获得被检特征的更进一步形貌特征，显著提高了信号的强度和探伤精度。

附图说明

图1为本发明系统一个实施例的结构示意图；

图2为图1实施例中系统在进行对被测样品进行快速扫描的示意图；

图3为图1实施例中系统在进行对被测样品中被检特征进行定点聚焦的示意图；

图4为本发明方法的步骤流程图。

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。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。

其中，激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根(n≥2)型号相同，长度成等差排列的光纤，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距。精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布。激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪，当激光超声信号检测装置为光学干涉仪时，即可完成无接触地探测。控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。

该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。

一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，包括以下步骤：

(1)系统对被测样品进行快速扫描；

长度成等差排列的光纤阵列将脉冲激光等时间间隔地照射在被测样品上，将在被测样品上激发出的超声信号在设定方向上叠加增强数倍。具体为：

利用精密移动装置控制调整各光纤的间距d等间距变化，实现激光超声信号的增强方向θ的变化，进而完成对整个x-z二维探测平面的快速扫描，θ与d之间的关系为

式中c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔；再利用步进电机控制电控位移台实现被测样品在x-y平面的移动，从而完成对被测样品的三维快速扫描。

(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测，获取被检特征初始形貌特征；具体为：

在快速扫描阶段，当计算机分析出激光超声信号检测装置接收到非样品边界反射回来的超声信号，即可认定样品中存在被检特征。通过控制精密移动装置和步进电机来改变超声信号在被测样品中传播路径，使用现有技术可以实现对被检特征位置和形貌的初步检测。

(3)系统对被检特征位置进行定点聚焦，获取被检特征清晰形貌特征；

在经过系统快速扫描确定被检特征位置之后，由计算机计算并反馈给精密移动装置和步进电机，控制光纤阵列各光纤之间间距再次发生变化，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，以此使超声信号增强数倍，当超声信号在被检特征边缘各点完成定点聚焦，即可由计算机通过现有技术分析接收的超声信号获得被检特征的更进一步形貌特征。具体为：

为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，需满足以下方程：

式中，r₁，r₂，r_i和r_n分别是第一根光纤，第二根光纤，第i根光纤和第n根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔，x为第一根光纤出射激光光斑到被检特征边缘聚焦点正上方的距离，d₁为精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤的间距，d₂为第三根光纤与第二根光纤间距，d_i-1为第i根光纤与第i-1根光纤的间距，d_n-1为第n根光纤与第n-1根光纤的间距，h为被检特征深度；

求解上述2n-1个方程式组成的方程组，得出d₁，d₂…d_i-1…d_n-1，计算机将d₁，d₂…d_i-1…d_n-1的值反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距d₁和第三根光纤与第二根光纤间距d₂，…，第i根光纤与第i-1根光纤的间距d_i-1，…，第n根光纤与第n-1根光纤的间距d_n-1，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，由计算机分析接收的超声信号进而获得被检特征的清晰形貌特征。

实施例：

如图1-3所示，本发明的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，该系统由一个脉冲激光器1、凸透镜2、光纤耦合器3、光纤阵列4、精密移动装置5、激光超声信号检测装置、信号处理电路、示波器、计算机、步进电机和电控位移台6组成；本发明能够实现超声信号对被测样品的快速扫描以及对被检特征的定点聚焦来获得被检特征清晰形貌特征。

首先，在系统对被测样品快速扫描阶段，脉冲激光器1发出一束脉冲激光，经凸透镜2聚焦之后入射到光效耦合器3上，光纤耦合器3连接着长度成等差排列的线性排布的光纤阵列4的输入端，光纤阵列4的输出端将竖直出射阵列线状激光光斑；如图2所示，因为光纤长度成等差排列，各光斑照射到被测样品上激发超声波脉冲也会有一定的时间间隔Δt，精密移动装置5控制光纤阵列4的输出端各光纤间距d相同，将会使得这些超声脉冲在特定方向θ(

式中c是超声波在被测样品中的波速)上达到同相位，信号增强数倍以上；由精密移动装置5控制光纤阵列4的输出端各光纤间距d连续变化，可以实现激光超声信号增强方向θ的变化，进而完成对x-z探测平面的快速扫描；再利用步进电机和电控位移台6实现被测样品在x-y平面的移动，从而能够完成对被测样品的三维快速扫描。

接着，如图1所示，通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测。经计算机确定被检特征位置之后，系统进入定点聚焦阶段，如图3所示，计算机经过计算控制步进电机和光纤阵列4中各光纤之间的间距再次发生变化，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，以此使超声信号再次增强数倍，当在被检特征边缘各点完成定点聚焦即可获得被检特征的更进一步形貌特征。如图三所示，此时光纤阵列中光纤数为3，已由快速扫描过程获得被检特征位置(被检特征深度h已知)，由步进电机和电控位移台控制被测样品移动，使得第一根光纤出射激光光斑在距离被检特征边缘聚焦点正上方x处(距离x已知)，接着，精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤间距为d₁，第三根光纤与第二根光纤间距为d₂，因为三根光纤长度成等差排列，各光纤出射光斑照射到被测样品上激发超声波脉冲会有一定的时间间隔Δt，为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，只要满足以下方程：

式中，r₁，r₂和r₃分别是第一根光线，第二根光纤和第三根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速。

经计算机对五个独立方程的五个未知数(d₁，d₂，r₁，r₂，r₃)，求解，得出d₁和d₂。由计算机反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距为d₁，第三根光纤与第二根光纤间距为d₂，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，当超声信号在被检特征边缘各点完成定点聚焦，即可由计算机通过现有技术分析接收的超声信号获得被检特征的更进一步形貌特征。

本发明的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法，首先，长度成等差排列的光纤阵列将脉冲激光等时间间隔地照射在被测样品上，将使被测样品中激发的超声信号在特定的方向叠加增强；利用精密移动装置调节光纤阵列输出端的间距，使激光超声信号的增强方向按需变化，实现对被测样品二维探测平面(x-z平面)的快速扫描；然后利用步进电机实现被测样品在x-y平面的移动，从而能够完成对被测样品的三维扫描。接着，通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测。最后，通过反馈的被检特征位置信息由精密移动装置重新改变光纤输出端间距，实现激光超声在被检特征位置定点聚焦，使信号再次增强数倍，进而得到被检特征的详细形貌特征。本发明系统采用精密移动装置控制光纤阵列输出端中各光纤间距来完成激光超声信号的转向，配合步进电机和电控位移台移动被测样品实现了系统对其的快速扫描，显著提高了检测系统的精确度与检测效率；在确定被检特征位置后，再次由精密移动装置改变光纤间距实现激光超声对被检特征的定点聚焦，由计算机通过现有技术分析接收的超声信号获得被检特征的更进一步形貌特征，显著提高了信号的强度和探伤精度。

Claims (4)

1.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征；

激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根型号相同，长度成等差排列的光纤，n≥2，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距；

精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，使竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布；

控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。

2.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪。

3.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。

4.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统对被测样品进行快速扫描；具体为：

利用精密移动装置控制调整各光纤的间距d等间距变化，实现激光超声信号的增强方向θ的变化，进而完成对整个x-z二维探测平面的快速扫描，θ与d之间的关系为

式中c是超声波在被测样品中的波速，△t是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔；再利用步进电机控制电控位移台实现被测样品在x-y平面的移动，从而完成对被测样品的三维快速扫描；

(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测，获取被检特征初始形貌特征；具体为：

在快速扫描阶段，当计算机分析出激光超声信号检测装置接收到非样品边界反射回来的超声信号，则认定被测样品中存在被检特征，通过控制精密移动装置和步进电机来改变超声信号在被测样品中传播路径，然后实现对被检特征位置和形貌的初步检测；

(3)系统对被检特征位置进行定点聚焦，获取被检特征清晰形貌特征；具体为：

为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，需满足以下方程：

式中，r₁，r₂，r_i和r_n分别是第一根光纤，第二根光纤，第i根光纤和第n根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速，△t是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔，x为第一根光纤出射激光光斑到被检特征边缘聚焦点正上方的距离，d₁为精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤的间距，d₂为第三根光纤与第二根光纤间距，d_i-1为第i根光纤与第i-1根光纤的间距，d_n-1为第n根光纤与第n-1根光纤的间距，h为被检特征深度；

求解上述公式(1)和公式(2)中的2n-1个方程式组成的方程组，得出d₁，d₂…d_i-1…d_n-1，计算机将d₁，d₂…d_i-1…d_n-1的值反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距d₁和第三根光纤与第二根光纤间距d₂，…，第i根光纤与第i-1根光纤的间距d_i-1，…，第n根光纤与第n-1根光纤的间距d_n-1，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，由计算机分析接收的超声信号进而获得被检特征的清晰形貌特征。

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