CN111829958A - 基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，包括：探测光产生模块，用于在样品表面产生探测光；表面扰动激发模块，用于激发样品表面产生表面扰动；扰动探测模块，用于探测扰动信息；扫描模块，用于实现样品表面的扫描扰动及探测。连续光纤激光器发出的探测光，经环形器传输到探测头，再聚焦到样品表面。当样品表面由于外部作用产生形变时，从样品表面反射的探测光发生偏转，耦合进探测头的光强减小，从而实现表面扰动探测。本发明利用光纤组成探测系统，降低了环境噪声的影响，且结构更简单，方便移动；在光纤耦合处实现探测光偏转情况的检测，相较自由空间光偏转技术，可以探测各种方向的偏转。

Description

基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统
技术领域
本发明属于表面扰动探测领域，特别涉及一种基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统。
背景技术
目前，表面扰动探测多见于五大无损检测技术中的超声检测，超声检测方法通过压电换能器或激光等方式在物体表面激发超声波，而后通过探测携带物体信息表面扰动，实现对物体的检测，其中表面扰动探测对实现物体检测至关重要，直接影响检测的准确性。
光偏转技术最先由Alder提出，又称刀刃法，用来探测表面声波，即用来探测表面扰动。Alder提出的探测系统探测光斜辐照样品，并采用透镜将探测激光光束聚焦到样品表面，反射光束经透镜后利用刀刃挡住一半，另一半通过透镜聚焦到光电二极管上。若表面受到扰动，扰动传播到探测区导致探测区表面切斜，反射光方向发生偏转，进入光电二极管的光通量发生相应的变化，因此光电管输出电流携带表面扰动的信息。
中国专利CN201120394802.7公开了一种基于光偏转技术的激光超声检测系统，该设计采用光偏转技术，使用直角棱镜代替刀刃，将反射的探测光分成对称角度的两束光。通过调节反射镜和聚焦镜使得两束光等光程聚焦到平衡接收器的光敏面上。当表面扰动使得反射光发生偏转，通过平衡接收器输出获得样品表面扰动信息。该方法能远距离操作、可检测不规则表面、快速实时，但是该方案仍存在以下不足：1、探测方位单一，仅当光偏转方向与直角棱镜的棱柱方向垂直时，探测灵敏度最高，当光偏转方向与直角棱镜的棱柱方向平行时，无法探测；2、多次使用透镜聚焦，需要精调，调试复杂；3、整体结构体积大。
为了解决空间式光偏转技术的体积大及调试复杂的问题，之前有学者(倪晓武,陈笑,许伯强,等.激光激发瞬态Lamb波的实验检测与数值模拟％Study of Laser-generatedTransient Lamb Wave by Experiment and Numerical Simulation(J).南京理工大学学报(自然科学版),2003,027(005):588-594.)提出了采用光纤耦合反射式光束偏转技术进行探测的方法，利用五维光纤微调架收集反射探测光耦合进单模光纤输入端。该装置结构简单、灵活，但其采取了倾斜入射的方式，增加了耦合对应反射光的调试难度。另外五维光纤微调架的使用，进一步增加了调试的复杂度，而五维微调架的体积大，不利于进一步减小探测系统的体积，妨碍后期探测系统的集成化和便携化。如何解决现有的体积大及调试难度高等缺点已成为光偏转探测技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有成本低、体积小、调试难度低、便携化和集成化程度高等特点的表面扰动探测系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，所述系统包括探测光激发模块、表面扰动激发模块、扰动探测模块以及扫描模块；
所述探测光产生模块，用于在样品表面产生探测光；
所述表面扰动激发模块，用于激发样品表面产生表面扰动；
所述扰动探测模块，用于基于所述探测光探测样品表面的扰动信息；
所述扫描模块，用于带动样品运动，实现对样品表面的扫描扰动及探测；
所述表面扰动激发模块、扰动探测模块均采用光纤耦合式。
进一步地，所述探测光产生模块包括：沿光路依次设置的连续光纤激光器、光纤环形器以及探测头，所述探测头置于样品前；所述连续光纤激光器发射连续探测激光，经光纤环形器后耦合至探测头，探测头将探测光聚焦在样品上。
进一步地，在所述连续光纤激光器不具备防反射功能时，所述探测光产生模块还包括设置于连续光纤激光器与光纤环形器之间的光纤隔离器。
进一步地，所述探测头包括非球面镜。
进一步地，所述表面扰动激发模块包括第一光电探测器，还包括沿光路依次设置的脉冲激光器、分光镜、直角棱镜和透镜，所述直角棱镜、第一光电探测器分别位于分光镜的透射方向、反射方向；所述脉冲激光器发射激发光至分光镜，少部分激光经分光镜反射后进入第一光电探测器，第一光电探测器将输入的光信号转变为电信号，大部分激光经分光镜透射后再经直角棱镜反射，之后通过透镜聚焦至样品表面，产生表面扰动。
进一步地，所述扰动探测模块包括所述光纤环形器、探测头，还包括第二光电探测器、信号采集装置以及计算机；探测光经样品表面反射后通过探测头耦合进入光纤环形器，而后传输至第二光电探测器，第二光电探测器将输入的光信号转变为电信号，并将电信号输出至信号采集装置，计算机读取信号采集装置采集的数据记录表面扰动信息，扰动信号的变化与电信号的变化呈正比关系；所述信号采集装置的触发信号为第一光电探测器输出的电信号。
进一步地，所述扫描模块包括电机控制器、第一控制电机、第一运动单元、第二控制电机、第二运动单元以及移动平台；所述移动平台上设置样品，所述电机控制器接收计算机的命令，分别控制第一控制电机、第二控制电机工作，两电机分别驱动所述第一运动单元、第一运动单元带动所述移动平台进而带动样品在某一水平面进行二维运动，实现对样品表面的扫描。
进一步地，所述第一运动单元包括第一丝杆，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第一移动滑块，所述第二运动单元包括第二丝杆，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第二移动滑块；所述移动平台固连在第二移动滑块上，所述第二丝杆固连在第一移动滑块上；所述第二控制电机控制第二移动滑块沿第二丝杆移动，带动移动平台进而带动样品沿第一维度平移，实现对样品的行扫描；所述第一控制电机控制第一移动滑块沿第一丝杆移动，带动第二运动单元进而带动移动平台以及样品沿第二维度平移，实现对样品的列扫描。
进一步地，所述扫描模块还包括调节单元，用于调节样品的倾斜度，以调节探测光经样品反射后耦合进入光纤环形器的光通量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)与空间式光偏转技术只可探测某一方向光偏转相比，本发明利用探测头作为“刀刃”，无论表面扰动引起任一光偏转方向，都会引起光通量的减少，实现光束偏转的探测，进而可以探测任意方向的光偏转；2)采用少量光学器件实现探测，大大减小系统的体积，增加了系统的便携性；3)使用光纤传输光束，降低了系统的调试难度，增加了系统集成化的可能性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中光纤耦合式表面扰动探测系统的结构示意图。
图2为一个实施例中图1中扫描模块的右视图。
图3为一个实施例中探测头示意图。
图4为一个实施例中光偏转的原理图。
图5为一个实施例中探测系统探测到的沿铝样品表面传播的超声表面波脉冲信号示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，所述系统包括探测光激发模块、表面扰动激发模块、扰动探测模块以及扫描模块；
所述探测光产生模块，用于在样品表面产生探测光；
所述表面扰动激发模块，用于激发样品表面产生表面扰动；
所述扰动探测模块，用于基于所述探测光探测样品表面的扰动信息；
所述扫描模块，用于带动样品运动，实现对样品表面的扫描扰动及探测。
所述表面扰动激发模块、扰动探测模块均采用光纤耦合式。
进一步地，在其中一个实施例中，所述探测光产生模块包括：沿光路依次设置的连续光纤激光器1、光纤环形器3以及探测头4，所述探测头4置于样品6前；所述连续光纤激光器1发射连续探测激光，经光纤环形器3后耦合至探测头4，探测头4将探测光聚焦在样品6上。
进一步地，在其中一个实施例中，在所述连续光纤激光器1不具备防反射功能时，所述探测光产生模块还包括设置于连续光纤激光器1与光纤环形器3之间的光纤隔离器2。避免反射光反射回连续光纤激光器1造成光源损坏。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述探测头4包括非球面镜41。
进一步地，在其中一个实施例中，所述表面扰动激发模块包括第一光电探测器13，还包括沿光路依次设置的脉冲激光器9、分光镜10、直角棱镜11和透镜12，所述直角棱镜11、第一光电探测器13分别位于分光镜10的透射方向、反射方向；所述脉冲激光器9发射激发光至分光镜10，少部分激光经分光镜10反射后进入第一光电探测器13，第一光电探测器13将输入的光信号转变为电信号，大部分激光经分光镜10透射后再经直角棱镜11反射，之后通过透镜12聚焦至样品6表面，产生表面扰动。
进一步地，在其中一个实施例中，所述扰动探测模块包括所述光纤环形器3、探测头4，还包括第二光电探测器5、信号采集装置7以及计算机8；探测光经样品6表面反射后通过探测头4耦合进入光纤环形器3，而后传输至第二光电探测器5，第二光电探测器5将输入的光信号转变为电信号，并将电信号输出至信号采集装置7，计算机8读取信号采集装置7采集的数据记录表面扰动信息，扰动信号的变化与电信号的变化呈正比关系，即电信号波动幅度增大，则扰动信号增大，反之同减小；所述信号采集装置7的触发信号为第一光电探测器13输出的电信号。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述扫描模块包括电机控制器14、第一控制电机15、第一运动单元、第二控制电机16、第二运动单元以及移动平台17；所述移动平台17上设置样品6，所述电机控制器14接收计算机8的命令，分别控制第一控制电机15、第二控制电机16工作，两电机分别驱动所述第一运动单元、第一运动单元带动所述移动平台17进而带动样品6在某一水平面进行二维运动，实现对样品6表面的扫描。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一运动单元包括第一丝杆151，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第一移动滑块152，所述第二运动单元包括第二丝杆161，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第二移动滑块162；所述移动平台17固连在第二移动滑块162上，所述第二丝杆161固连在第一移动滑块152上；所述第二控制电机16控制第二移动滑块162沿第二丝杆161移动，带动移动平台17进而带动样品16沿第一维度平移，实现对样品6的行扫描；所述第一控制电机15控制第一移动滑块152沿第一丝杆151移动，带动第二运动单元进而带动移动平台17以及样品16沿第二维度平移，实现对样品6的列扫描。
进一步地，在其中一个实施例中，所述扫描模块还包括调节单元，用于调节样品6的倾斜度，以调节探测光经样品6反射后耦合进入光纤环形器3的光通量。
本发明的原理为：进行表面扰动探测时，激光光束经光纤隔离器传输到光纤环形器中，光纤环形器将入射探测光传导入探测头。探测头通过内部的非球面镜将探测光垂直聚焦到样品表面，并将反射光耦合进光纤中。当样品存在表面扰动时，反射光发生偏转如图4所示，被非球面镜收集的反射光减少，偏转的角度和表面扰动有关，反射的探测光束经环形器传输到光电探测器中，光电探测器检测光通量的减少，并将其转化为电信号，再经示波器传输到计算机上。
作为一种具体示例，在一个实施例中，对本发明的表面扰动探测系统进行验证说明。本实施例装置如图1，各部件具体为：
连续光纤激光器1采用保偏光纤激光器，其输出波长1550nm，功率20mW；
光纤隔离器2工作中心波长为1550nm，保偏型，损伤阈值为300mW，尾纤端口为FC/UPC；
光纤环形器3工作中心波长为1550nm，保偏型，损伤阈值为300mW，尾纤端口为FC/UPC；
探测头4为非球面光纤准直器，FC镜头可调节，工作波长为400nm-1660nm，材质为光学镀膜玻璃，出光口径为5mm，发散角为0.5mrad，外形直径12mm、长度19mm；
第二光电探测器5为含APD雪崩光电二极管的IV转换放大器模块，其带宽为1KHz-150MHz，雪崩光电二极管工作中心波长为1550nm；
样品6为一铝板，规格为100mm×60mm×3.15mm(长*宽*厚)；
数据采集装置7选DS2302A数字示波器；
脉冲激光器9采用脉冲固体激光器，其输出波长1064nm，脉宽1.5ns，最大重复频率200Hz，单个脉冲能量650uJ；
分光镜10选透明玻璃片；
直角棱镜11采用K9直角棱镜；
透镜12为直径20mm，损耗功率500mW/cm2，焦距20mm；
第一光电探测器13选硅基探测器，波长范围320-1100nm，光敏面直径3.6×3.6mm，带宽10MHz；
步进电机控制器14选用SC101步进电机控制器；
第一控制电机15选用精密步进电机56BYG250D；第一丝杆151尺寸为Φ16×600mm，第一移动滑块152尺寸为165×160mm；
第二控制电机16选用精密步进电机42BYG250Bk；第二丝杆161尺寸为Φ12×200mm，第二移动滑块162尺寸为90×90mm；
连续光纤激光器1发出的探测光经保偏光纤传输到光纤隔离器2，接着经保偏光纤传输到光纤环形器3，经光纤环形器3传导，探测光最后经探测头4聚焦到铝样品6表面，此时样品表面无扰动。经铝样品6表面反射的探测光经探测头再次耦合进光纤中，而后经光纤环形器3传导，探测光最终照射在第二光电探测器5上。第二光电探测器5将探测光光强信号转换为电信号，而后传输给数据采集装置7。将数据采集装置7的“mode”改为“auto”，调整铝样品6的倾斜程度，使耦合进光纤中的光通量最大，通过观察采样示波器6的波形位置来判断，即，当数据采集装置7的波形位置处于最高时，即耦合进光纤中的光强最大。
脉冲激光器9发出的光经分光镜10分光后，极少部分进入到光电探测器13中，光电探测器13将光信号转换为电信号，而后传输给数据采集装置7作为触发信号。大部分激光经直角棱镜11、透镜12，聚焦到铝样品6产生超声信号，即引起表面扰动。将采样示波器的“mode”设置为“trigger”。当脉冲激光辐照在铝样品6，产生表面扰动时，同时触发采样示波器进行采样，表面扰动沿铝样品6表面传至探测点位置。由于表面扰动导致铝样品6表面发生倾斜，使反射的探测光发生偏转，从而导致耦合进光纤中的光强减少，光强的变化携带着表面扰动的信息，最终被光电探测器5接收，实现表面扰动的光学探测，所探测到的表面扰动信号如图5所示。
本发明利用光纤组成探测系统，降低了环境噪声的影响，且结构更简单，方便移动；在光纤耦合处实现探测光偏转情况的检测，相较自由空间光偏转技术，可以探测各种方向的偏转。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述系统包括探测光激发模块、表面扰动激发模块、扰动探测模块以及扫描模块；
所述探测光产生模块，用于在样品表面产生探测光；
所述表面扰动激发模块，用于激发样品表面产生表面扰动；
所述扰动探测模块，用于基于所述探测光探测样品表面的扰动信息；
所述扫描模块，用于带动样品运动，实现对样品表面的扫描扰动及探测；
所述表面扰动激发模块、扰动探测模块均采用光纤耦合式。
2.根据权利要求1所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述探测光产生模块包括：沿光路依次设置的连续光纤激光器(1)、光纤环形器(3)以及探测头(4)，所述探测头(4)置于样品(6)前；所述连续光纤激光器(1)发射连续探测激光，经光纤环形器(3)后耦合至探测头(4)，探测头(4)将探测光聚焦在样品(6)上。
3.根据权利要求2所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，在所述连续光纤激光器(1)不具备防反射功能时，所述探测光产生模块还包括设置于连续光纤激光器(1)与光纤环形器(3)之间的光纤隔离器(2)。
4.根据权利要求2所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述探测头(4)包括非球面镜(41)。
5.根据权利要求1所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述表面扰动激发模块包括第一光电探测器(13)，还包括沿光路依次设置的脉冲激光器(9)、分光镜(10)、直角棱镜(11)和透镜(12)，所述直角棱镜(11)、第一光电探测器(13)分别位于分光镜(10)的透射方向、反射方向；所述脉冲激光器(9)发射激发光至分光镜(10)，少部分激光经分光镜(10)反射后进入第一光电探测器(13)，第一光电探测器(13)将输入的光信号转变为电信号，大部分激光经分光镜(10)透射后再经直角棱镜(11)反射，之后通过透镜(12)聚焦至样品(6)表面，产生表面扰动。
6.根据权利要求1或2或5所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述扰动探测模块包括所述光纤环形器(3)、探测头(4)，还包括第二光电探测器(5)、信号采集装置(7)以及计算机(8)；探测光经样品(6)表面反射后通过探测头(4)耦合进入光纤环形器(3)，而后传输至第二光电探测器(5)，第二光电探测器(5)将输入的光信号转变为电信号，并将电信号输出至信号采集装置(7)，计算机(8)读取信号采集装置(7)采集的数据记录表面扰动信息，扰动信号的变化与电信号的变化呈正比关系；所述信号采集装置(7)的触发信号为第一光电探测器(13)输出的电信号。
7.根据权利要求6所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述扫描模块包括电机控制器(14)、第一控制电机(15)、第一运动单元、第二控制电机(16)、第二运动单元以及移动平台(17)；所述移动平台(17)上设置样品(6)，所述电机控制器(14)接收计算机(8)的命令，分别控制第一控制电机(15)、第二控制电机(16)工作，两电机分别驱动所述第一运动单元、第一运动单元带动所述移动平台(17)进而带动样品(6)在某一水平面进行二维运动，实现对样品(6)表面的扫描。
8.根据权利要求7所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述第一运动单元包括第一丝杆(151)，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第一移动滑块(152)，所述第二运动单元包括第二丝杆(161)，以及设置于该丝杠上可沿丝杠滑动的第二移动滑块(162)；所述移动平台(17)固连在第二移动滑块(162)上，所述第二丝杆(161)固连在第一移动滑块(152)上；所述第二控制电机(16)控制第二移动滑块(162)沿第二丝杆(161)移动，带动移动平台(17)进而带动样品(16)沿第一维度平移，实现对样品(6)的行扫描；所述第一控制电机(15)控制第一移动滑块(152)沿第一丝杆(151)移动，带动第二运动单元进而带动移动平台(17)以及样品(16)沿第二维度平移，实现对样品(6)的列扫描。
9.根据权利要求8所述的基于光偏转原理的光纤耦合式表面扰动探测系统，其特征在于，所述扫描模块还包括调节单元，用于调节样品(6)的倾斜度，以调节探测光经样品(6)反射后耦合进入光纤环形器(3)的光通量。
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