CN111983018B - 一种便携式激光超声测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式激光超声测量装置，包括：半导体激光器出射激光通过第一1*2耦合器分成两束光，一束经声光调制器被调制成脉冲激光入射到被检材料表面，被检材料吸收激光能量，在材料中激发出超声波；另一束作为探测光经1*n耦合器耦合入基于斐索干涉探测技术的探测光纤阵列，探测光纤阵列接收被检材料中不同位置处的超声波，得到激光在被检材料中激发的超声波场，根据探测得到的激光超声波数据可以进行材料检测。本发明中一个激光器同时提供激发光源和探测光源，采用光纤阵列实现多点探测，并可调整成不同形状的阵列以适应于不同形状的被检材料测量，本发明具有体积小，重量轻，易于携带，检测速度快等特点。
Description
技术领域
本发明属于激光超声测量装置领域，具体为一种便携式激光超声测量装置。
背景技术
相较于传统超声测量技术，激光超声测量技术具有无可比拟的优点，如：非接触激发和探测超声、可一次性激发多种超声模式、能激发出宽频带超声波、激光源和激光接收系统可远离样品并能在酸、碱、高温高压、以及辐射等恶劣环境下进行检测。因此，激光超声检测测量技术受到了国内外学者的广泛关注。目前，常采用脉冲激光器发射激光脉冲照射材料表面激发超声波，再用光学方法点探测被检材料某一点的激光超声波。但其检测设备较为复杂，体积大，重量重，且易受环境震动影响，只能在实验室中进行操作，无法应用到实际生产生活中。更为重要的是，这些光学测量方法都无法实现超声波的多点探测，同时设备庞大使得无法结合扫描技术实现材料整体检测。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种便携式激光超声测量装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种便携式激光超声测量装置，包括：
半导体激光器，用于出射连续激光；
第一1*2耦合器，其输入端口与半导体激光器的输出端连接；
声光调制器，其输入端与第一1*2耦合器的第一输出端口连接；
第二1*2耦合器，其输入端口与声光调制器的输出端连接；
第一1*n耦合器，其输入端口与第二1*2耦合器的第一输出端口连接；
激发光源光纤阵列，其与第一1*n耦合器的n个输出端口对应连接；
环形器，其第一端口a与第一1*2耦合器的第二输出端口连接；
第二1*n耦合器，其输入端口与环形器的第二端口b连接；
探测光纤阵列，其与第二1*n耦合器的n个输出端口对应连接；
示波器，其与第二1*2耦合器的第二输出端口以及环形器的第三端口c连接。
优选地，所述半导体激光器输出波长为1550nm，功率为400mW的连续激光。
优选地，所述第一1*2耦合器的分光比为2：8。
优选地，所述声光调制器将连续激光调制成脉宽为10ns的脉冲激光。
优选地，所述第二1*2耦合器的分光比为1:99。
优选地，所述激发光源光纤阵列包括n个单模光纤。
优选地，所述激发光源光纤阵列为点光源或者一字型。
优选地，所述探测光纤阵列包括n个光纤斐索干涉探测器，第二1*n耦合器和n个光纤斐索干涉探测器通过长度不同的光纤延长线连接。
优选地，光纤延长线的长度依次递增，变化量为
c为光速，τ为激光脉宽，n为单模光纤的折射率。
优选地，探测光纤阵列排列为一字型或矩阵。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明便携性强，激发光源和探测光源共用一个半导体激光器，因而体积小、重量轻，方便携带；
(2)本发明普适性强，可以根据被检材料不同情形而调整激发光源光纤阵列和探测光源阵列；
(3)本发明基于斐索干涉技术的超声波探测具有很高的灵敏度和分辨率；
(4)本发明测量速度快。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
图2为本发明的激发光源光纤阵列示意图。
图3为光纤斐索干涉探测器原理图。
图4为本发明的光纤探测器阵列示意图。
图5为激发光源光纤阵列和探测光纤阵列排列情形示意图。
具体实施方式
一种便携式激光超声测量装置，包括：
半导体激光器1，用于出射连续激光；
第一1*2耦合器2，其输入端口与半导体激光器1的输出端连接；
声光调制器3，其输入端与第一1*2耦合器2的第一输出端口连接；
第二1*2耦合器4，其输入端口与声光调制器3的输出端连接；
第一1*n耦合器5，其输入端口与第二1*2耦合器4的第一输出端口连接；
激发光源光纤阵列6，其与第一1*n耦合器5的n个输出端口对应连接；
环形器7，其第一端口a与第一1*2耦合器2的第二输出端口连接；
第二1*n耦合器8，其输入端口与环形器7的第二端口b连接；
探测光纤阵列9，其与第二1*n耦合器8的n个输出端口对应连接；
示波器10，其与第二1*2耦合器4的第二输出端口以及环形器7的第三端口c连接。
半导体激光器1出射的连续激光经第一1*2耦合器2分成两束激光，一束作为激发光源用于在被检侧料中激发出超声波，另一束作为探测光源用于探测超声波。激发光源经声光调制器3调制成激光脉冲，然后由第二1*2耦合器4分出一小部分光作为示波器的触发信号，其余光束经激发光纤阵列入射到被检材料表面激发超声波，通过调节声光调制器重复频率，得到一系列的超声波脉冲。探测光束经环形器7通道a入，由通道b出，再经第二1*n耦合器8入射到探测光纤阵列9，探测光纤阵列9接收被检材料不同位置处的超声波信号，由第二1*n耦合器8、环形器7通道c输入到示波器10上。
进一步的实施例中，所述半导体激光器1输出波长为1550nm，功率为400mW的连续激光。
进一步的实施例中，所述第一1*2耦合器2的分光比为2：8。
进一步的实施例中，所述声光调制器3将连续激光调制成脉宽为10ns的脉冲激光，重复频率可根据实际需要调节。
进一步的实施例中，所述第二1*2耦合器4的分光比为1:99。
进一步的实施例中，所述激发光源光纤阵列6包括n个单模光纤。激发光源光纤阵列6中单模光纤可根据实际情况进行排列。
具体地，单模光纤排列为一字型或点光源。
进一步的实施例中，所述探测光纤阵列9包括n个光纤斐索干涉探测器，第二1*n耦合器8和n个光纤斐索干涉探测器通过长度不同的光纤延长线连接，光纤斐索干涉探测器依次排列成一字型或矩阵，光纤延长线的长度依次递增，变化量为
c为光速，τ为激光脉宽，n为单模光纤的折射率。
具体地，光纤端面以8度抛光，以避免端面的菲涅尔反射。
探测光纤阵列9中，光纤斐索干涉探测器可根据实际情况进行排列。
进一步的实施例中，对于正方形或长方形被检面，激发光源光纤阵列6和探测光纤阵列9可有三种构造方式：
情形一：激发光源光纤阵列6和探测光纤阵列9都为一字型，两者相互平行，沿远离激发光源光纤阵列6的方向，垂直移动探测光纤阵列9实现扫描探测。
情形二：激发光源光纤阵列6和探测光纤阵列9都为一字型，两者相互垂直，沿着激发光源光纤阵列方向移动探测光纤阵列实现扫描探测。
情形三：激发光源光纤阵列6为一字型，探测光纤阵列9为矩阵，不用扫描直接得到整个被检面上的超声波场。
对于圆形被检面，激发光源光纤阵列6和探测光纤阵列9可有以下两种构造方式：
情形一:激发光源光纤阵列6为1*1，即点光源，探测光纤阵列9为一字型，探测光纤阵列9以激发激光为中心扫描探测。
情形二：激发光源光纤阵列6为点光源，探测光纤阵列9为圆形矩阵，不用扫描直接得到整个被检面上的超声波场。
如图1所示，本发明中，半导体激光器出射激光通过1*2耦合器分成两束光，一束经声光调制器被调制成脉冲激光入射到被检材料表面，被检材料吸收激光能量，局部温度迅速上升，产生应力应变，从而在材料中激发出超声波；另一束作为探测光经1*m耦合器耦合入基于斐索干涉探测技术的光纤探测器阵列，光纤探测器阵列接收被检材料中不同位置处的超声波，得到激光在被检材料中激发的超声波场。根据探测得到的激光超声波数据可以进行材料检测。本发明中一个激光器同时提供激发光源和探测光源，采用光纤阵列实现多点探测，并可调整成不同形状的阵列以适应于不同形状的被检材料测量，本发明具有体积小，重量轻，易于携带，检测速度快等特点。
实施例
本发明实施例提供的超声波激发方案激发效率高、可重复，并且巧妙地解决了超声波激光激发中设备复杂、不易调节的问题。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置中的激发光源光纤阵列，其主要包括如下三种情形：
情形一：本发明实施例中，激发光源光纤阵列排成“一”字型，每个光纤延长线相同，通过调节声光调制器的重复率，重复激发超声波。
情形二：本发明实施例中，激发光源光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线依次增加。
情形三：本发明实施例中，激发光源光纤阵列为1*1，即点光源
本发明实施例提供的超声波探测技术具有灵敏度高、分辨率高的特点
如图3所示，为本发明实施例提供的基于斐索干涉技术的探测光纤阵列，其工作过程主要是：
探测光束到达探测光纤末端，将在此发生反射和透射；反射光束作为参考光；透射光束入射到被检材料表面，经表面反射回来的光束作为信号光。当超声波传播到此处，声波引起表面形变，从而引起信号光变化，此时信号光中包含了声波位移量的调制信息。信号光和反射光干涉耦合进入检测光纤中，从而超声波信号被探测接收。
本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置，解决了传统激光超声探测技术中一次激发只能得到一点的超声波信号的探测问题，实现了一次激发同时多点探测。
如图4所示，为本发明实施例提供的探测光纤阵列，其主要包括如下三种情形；
情形一：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线相同。
情形二：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线依次增加。
情形三：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成矩阵。
情形四：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成圆环状。
本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置普适性高，适用于不同形状材料的检测，并且检测速度快。
对于正方形、长方形等被检面，采用激发光源光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列“一”字型，两者光纤延长线相同并平行排列，距离激发光源光纤阵列由近到远移动探测光纤阵列实现扫描探测，如图5中情形一所示构造方式。或者激发光源光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列“一”字型，两者延长线依次递增并垂直排列，移动探测光纤阵列实现扫描探测，如图5中情形二所示构造方式。或者激发光源光纤阵列成“一”字型，探测光纤阵列为矩阵，如图5中情形三所示构造方式。
对于圆形被检面，采用激发光源为点光源，探测光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列围绕激发光源扇面扫描，如图5中情形四所示构造方式。或者激发光源为点光源，探测光纤阵列为圆环，不用扫描直接得到被检面的超声波场。
激发效率高、可重复，并且巧妙地解决了超声波激光激发中设备复杂、不易调节的问题。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置中的激发光源光纤阵列，其主要包括如下三种情形：
情形一：本发明实施例中，激发光源光纤阵列排成“一”字型，每个光纤延长线相同，通过调节声光调制器的重复率，重复激发超声波。
情形二：本发明实施例中，激发光源光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线依次增加。
情形三：本发明实施例中，激发光源光纤阵列为1*1，即点光源
本发明实施例提供的超声波探测技术具有灵敏度高、分辨率高的特点
如图3所示，为本发明实施例提供的基于斐索干涉技术的探测光纤阵列，其工作过程主要是：
探测光束到达探测光纤末端，将在此发生反射和透射；反射光束作为参考光；透射光束入射到被检材料表面，经表面反射回来的光束作为信号光。当超声波传播到此处，声波引起表面形变，从而引起信号光变化，此时信号光中包含了声波位移量的调制信息。信号光和反射光干涉耦合进入检测光纤中，从而超声波信号被探测接收。
本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置，解决了传统激光超声探测技术中一次激发只能得到一点的超声波信号的探测问题，实现了一次激发同时多点探测。
如图4所示，为本发明实施例提供的光纤探测光纤阵列，其主要包括如下三种情形；
情形一：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线相同。
情形二：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成“一”字型，光纤延长线依次增加。
情形三：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成矩阵。
情形四：本发明实施例中，探测光纤阵列排列成圆环状。
本发明实施例提供的一种便携式激光超声测量装置普适性高，适用于不同形状材料的检测，并且检测速度快。
对于正方形、长方形等被检面，采用激发光源光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列“一”字型，两者光纤延长线相同并平行排列，距离激发光源光纤阵列由近到远移动探测光纤阵列实现扫描探测，如图5中情形一所示构造方式。或者激发光源光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列“一”字型，两者延长线依次递增并垂直排列，移动探测光纤阵列实现扫描探测，如图5中情形二所示构造方式。或者激发光源光纤阵列成“一”字型，探测光纤阵列为矩阵，如图5中情形三所示构造方式。
对于圆形被检面，采用激发光源为点光源，探测光纤阵列“一”字型，探测光纤阵列围绕激发光源扇面扫描，如图5中情形四所示构造方式。或者激发光源为点光源，探测光纤阵列为圆环，不用扫描直接得到被检面的超声波场。
Claims (10)
1.一种便携式激光超声测量装置，其特征在于，包括：
半导体激光器(1)，用于出射连续激光；
第一1*2耦合器(2)，其输入端口与半导体激光器(1)的输出端连接；
声光调制器(3)，其输入端与第一1*2耦合器(2)的第一输出端口连接；
第二1*2耦合器(4)，其输入端口与声光调制器(3)的输出端连接；
第一1*n耦合器(5)，其输入端口与第二1*2耦合器(4)的第一输出端口连接；
激发光源光纤阵列(6)，其与第一1*n耦合器(5)的n个输出端口对应连接；
环形器(7)，其第一端口a与第一1*2耦合器(2)的第二输出端口连接；
第二1*n耦合器(8)，其输入端口与环形器(7)的第二端口b连接；
探测光纤阵列(9)，其与第二1*n耦合器(8)的n个输出端口对应连接；
示波器(10)，其与第二1*2耦合器(4)的第二输出端口以及环形器(7)的第三端口c连接。
2.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述半导体激光器(1)输出波长为1550nm，功率为400mW的连续激光。
3.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述第一1*2耦合器(2)的分光比为2：8。
4.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述声光调制器(3)将连续激光调制成脉宽为10ns的脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述第二1*2耦合器(4)的分光比为1:99。
6.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述激发光源光纤阵列(6)包括n个单模光纤。
7.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述激发光源光纤阵列(6)为点光源或者一字型。
8.根据权利要求1所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，所述探测光纤阵列(9)包括n个光纤斐索干涉探测器，第二1*n耦合器(8)和n个光纤斐索干涉探测器通过长度不同的光纤延长线连接。
9.根据权利要求7所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，光纤延长线的长度依次递增，变化量为
c为光速，τ为激光脉宽，n为单模光纤的折射率。
10.根据权利要求7所述的便携式激光超声测量装置，其特征在于，探测光纤阵列(9)排列为一字型或矩阵。
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