CN113953271B - 一种激光清洗和无损检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光清洗和无损检测系统，包括：激光器用以发射脉冲激光；振镜布置在激光器的出射端，以将激光器所发射的点状脉冲激光转换为面光源或体光源；激光能量调节组件布置在振镜的出射端，以调整由振镜所发射的面光源或体光源的能量；超声波信号接收器用以接收工件在面光源或体光源的激励下所产生的超声波信号；信号处理器分别与激光器、振镜、激光能量调节组件和超声波信号接收器电连接。脉冲激光同时能满足，激光清洗(能量高)和激光超声检测(能量低)的要求；振镜进行扫描时，仅扫描一次，在同一个点位先完成激光清洗的，再进行激光超声检测，从而实现快速清洗和检测的目的。

Description

一种激光清洗和无损检测系统及方法
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种激光清洗和无损检测系统及方法。
背景技术
工业、铁路和船舶等行业有大量金属和非金属材料，这些材料服役时间一般都很长，这其中会有局部发生腐蚀和裂纹等现象，存在明显的安全隐患，一般定期都会对这些材料进行检测，提前预防风险，但是这些材料表面可能有保护层，如防腐层和隔热层等，也有可能表面产生大量锈蚀，这些都会明显干扰对于内部材料的检测，影响最后的分析结果，导致错判或者误判。
目前，一般都是采用人工进行清洗去除表面的保护层或者锈蚀，再进行无损检测，但是这种检测方式效率很低，并且成本很高，降低了检测频率，增加了事故的风险。
发明内容
发明所要解决的技术问题是提供一种激光清洗和无损检测系统及方法，以克服上述现有技术中的不足。
发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光清洗和无损检测系统，包括：
激光器，其用以发射脉冲激光；
振镜，其布置在激光器的出射端，以将激光器所发射的点状脉冲激光转换为面光源或体光源；
激光能量调节组件，其布置在振镜的出射端，以调整由振镜所发射的面光源或体光源的能量；
超声波信号接收器，其用以接收工件在面光源或体光源的激励下所产生的超声波信号；
信号处理器，其分别与激光器、振镜、激光能量调节组件和超声波信号接收器电连接，用以进行信号处理和控制指令发送。
本发明的有益效果是：
1）设计新型的光路，使得脉冲激光同时能满足，激光清洗（能量高）和激光超声检测（能量低）的要求；
2）振镜进行扫描时，仅扫描一次，在同一个点位先完成激光清洗的，再进行激光超声检测，从而实现快速清洗和检测的目的；
3）清洗及检测方式效率高，成本得到降低，提高了检测频率，减少了事故的风险。
在上述技术方案的基础上，发明还可以做如下改进。
进一步，激光能量调节组件包括：旋转机构和拨片/滤光片，旋转机构与拨片/滤光片相连。
采用上述进一步的有益效果为：通过选择不挡光或挡光，可以实现清洗和检测的快速切换。
进一步，旋转机构为电机。
进一步，振镜为二维振镜或三维振镜。
进一步，超声波信号接收器为超声波压电探头或电磁探头。
进一步，信号处理器包括：放大器、数据采集卡和电脑，放大器、数据采集卡和电脑依次电连接，超声波信号接收器与放大器电连接，激光器、振镜和激光能量调节组件分别与电脑电连接。
采用上述进一步的有益效果为：通过进行信号处理，提取有用信号，避免相互信号发生干扰。
一种激光清洗和无损检测方法，包括如下步骤：
S100、确定工件的基材及其表面的保护层或锈蚀层材料特性；
S200、激光器根据当前所确定的保护层或锈蚀材料特性，发射对应能量的脉冲激光；
S300、脉冲激光通过振镜扫描为面光源或体光源，并照射在工件表面的保护层或锈蚀层上，以局部清除工件表面的保护层或锈蚀层，直至清洗时间达到预设参数阈值 ；
S400、再根据当前工件的基材材料特性，激光能量调节组件调节振镜所发射出的面光源或体光源的能量，使其降至基材材料损伤阈值 以内；
S500、超声波信号接收器采集工件在受面光源或体光源照射后所产生的超声波信号；
S600、对超声波信号进行处理，以保留对应频段信号，并根据所保留频段信号进行成像处理；
S700、调整激光器、振镜、激光能量调节组件的位置，并重复S200～S600，实现对工件整个区域的清洗和检测。
进一步，S600中，对超声波信号进行处理包含：滤波降噪。
更进一步，滤波包含：高通滤波和低通滤波。
采用上述进一步的有益效果为：
结合了激光器脉冲发射时序、光路设计以及数据处理等方面优化，实现了同时完成激光清洗和激光无损检测，避免了以往需要首先通过人工去除保护层等，再完成无损检测的方式；
提高了激光清洗和无损检测的检测效率，降低了费用；
提高了激光超声波的信号的信噪比，优化了成像质量。
附图说明
图1为发明所述激光清洗和无损检测系统的结构示意图；
图2为发明所述激光清洗和无损检测方法的流程图；
图3为应用例1所对应时序示意图；
图4为应用例2所对应时序示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、振镜，3、激光能量调节组件，310、旋转机构，320、拨片/滤光片，4、超声波信号接收器，5、信号处理器，510、放大器，520、数据采集卡，530、电脑。
具体实施方式
以下结合附图对发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释发明，并非用于限定发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种激光清洗和无损检测系统，包括：
激光器1、振镜2、激光能量调节组件3、超声波信号接收器4和信号处理器5；
激光器1用以发射脉冲激光，其所发射的脉冲激光为点状光源；
振镜2布置在激光器1的出射端，振镜2用以将激光器1所发射的点状脉冲激光转换为面光源或体光源；
激光能量调节组件3布置在振镜2的出射端，激光能量调节组件3用以调整由振镜2所发射的面光源或体光源的能量；
超声波信号接收器4用以接收工件在面光源或体光源的激励下所产生的超声波信号；
激光器1的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接，振镜2的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接，激光能量调节组件3的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接，超声波信号接收器4的信号输出端与信号处理器5的信号输入端电连接，激光器1用以进行信号处理和控制指令发送。
实施例2
如图1所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光能量调节组件3包括：旋转机构310和拨片/滤光片320，旋转机构310与拨片/滤光片320相连；
当需要调整由振镜2所发射的面光源或体光源的能量时，旋转机构310驱动拨片/滤光片320转动，以使拨片/滤光片320对振镜2所发射出的面光源或体光源进行挡光，以降低照射在工件上的面光源或体光源的能量；
而当不需要调整由振镜2所发射的面光源或体光源的能量时，旋转机构310驱动拨片/滤光片320转动，以使拨片/滤光片320不对振镜2所发射出的面光源或体光源进行挡光；
通常情况下，在清洗工作时，无需挡光，而在进行无损检测时，则需要进行挡光，因为，清洗时面光源或体光源所需能量要大于无损检测时面光源或体光源所需能量。
实施例3
如图1所示，本实施例为在实施例2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
旋转机构310优选为电机，当然并不排除采用其他结构，在实际应用中只要满足能受控驱动拨片/滤光片320转动的装置均可以满足使用需求。
实施例4
如图1所示，本实施例为在实施例1～3任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
振镜2为二维振镜或三维振镜，具体为二维振镜，还是三维振镜，则根据实际需求进行确定。
实施例5
如图1所示，本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
超声波信号接收器4为超声波压电探头或电磁探头，超声波压电探头或电磁探头均可接收超声波信号，并转换为电信号。
实施例6
如图1所示，本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
信号处理器5包括：放大器510、数据采集卡520和电脑530；
超声波信号接收器4的信号输出端与放大器510的信号输入端电连接，放大器510的信号输出端与数据采集卡520电连接，而数据采集卡520则与电脑530电连接；
激光器1的信号输入端与电脑530的信号输出端电连接，振镜2的信号输入端与电脑530的信号输出端电连接，激光能量调节组件3的信号输入端与电脑530的信号输出端电连接，超声波信号接收器4的信号输出端与电脑530的信号输入端电连接；
放大器510，主要是对电信号进行放大，从而提高信号的信噪比；
数据采集卡520主要是用于实时采集数据，便于后续分析、处理和成像。
对于以上各实施例而言，超声波信号接收器4可以为压电探头，在使用过程中需要涂抹耦合剂配合进行采集；
也可以为电磁探头，应用时提离距离一般10mm以下，不需要耦合剂；
也可以为电磁探头激光干涉仪或者激光测振仪，可以实现远距离的超声波检测，也无需涂抹耦合剂，从发射到接收都是以光学形式完成，实现了远距离非接触的检测。实施例7
一种激光清洗和无损检测方法，包括如下步骤：
S100、确定工件的基材及其表面的保护层或锈蚀层材料特性；
S200、激光器1根据当前所确定的保护层或锈蚀材料特性，发射对应能量的脉冲激光；
S300、脉冲激光通过振镜2扫描为面光源或体光源，并照射在工件表面的保护层或锈蚀层上，以局部清除工件表面的保护层或锈蚀层，直至清洗时间达到预设参数阈值 ；
S400、在该处清洗完毕后，再根据当前工件的基材材料特性，激光能量调节组件3调节振镜2所发射出的面光源或体光源的能量，使其降至基材材料损伤阈值 以内；
S500、超声波信号接收器4采集工件在受面光源或体光源照射后所产生的超声波信号；
S600、对超声波信号进行处理，以保留对应频段信号，并根据所保留频段信号进行成像处理；
S700、调整激光器1、振镜2、激光能量调节组件3的位置，并重复S200～S600，实现对工件整个区域的清洗和检测。
在进行清洗及无损检测之前，可以先进行实验，以获得相关数据，比如：
通过对于不同基材和保护层的材料特性，以及表面锈蚀情况，进行大量实验，收集得到原始数据库，在应用时，根据现场的材质状况，激光器可以智能选择最优能量配置。
清洗时间的参数阈值，同样也是根据大量实验获知。
通过前期对于不同基材和保护层的材料特性，以及表面锈蚀情况，进行大量实验，收集得到原始数据库，激光能量调节组件3的启动时间点可智能调节，使得脉冲激光能量的选择最优。
应用例1
如图3所示，以激光器重复频率为1kHz为例对方案进行说明，但实际使用并不需要限定激光器的频率；
1）0s时，激光器1发射束脉冲激光，通过振镜2扫描到工件的第一个点位上；
2）此时通过调节电机，使得拨片/滤光片320不挡光，也就是使得激光直接照射到被测工件上，由于此时的脉冲激光能量高，所以工件表面的保护层和/或锈蚀层可以被充分去除掉,具体的脉冲激光能量设定可以根据保护层和锈蚀层材料状况而定，合理调节脉冲激光能量；
3）通过超声波信号接收器4接收超声波信号，再通过放大器510、数据采集卡520，将数据传输到电脑530上，此时通过软件程序直接将此阶段接收的数据丢弃，不进行后续成像等处理，在清洗过程中工件同样也会产生超声波信号，但该信号无参考价值，故舍弃；
4）1ms后（由于假定激光器频率为1kHz），激光器1再发射脉冲激光，此时振镜2仍然扫描到第一个点位上
5）此时通过调节电机，使得拨片/滤光片320进行挡光，降低此时的脉冲激光能量，使得激光不会损伤被测工件的基材，但是激光的能量又足够让工件产生超声信号，从而实现无损检测；
6）通过超声波信号接收器4接收超声波信号，再通过放大器510、数据采集卡520，将数据传输到电脑530上，此时通过软件程序直接将此阶段的数据保留，作为第一个点的信息，然后进行滤波降噪等处理，如高通滤波和低通滤波，只保留我们所需要的超声波频段，去掉其他频段的噪声信号，然后再进行后续成像处理，这样清洗完后，立即进行激光超声检测，可以大大提高信噪比和成像质量，而清洗和检测分开的方式，在中间阶段，材料表面可能重新形成新的锈蚀或者沾上其他材料，这样不利于激光清洗的效果；
7）随后调整激光器1、振镜2、激光能量调节组件3的位置，移动到第二个点位，重复1-6的步骤，实现整个区域的清洗和检测。
应用例2
如图4所示，主要差别：应用例1，在激光脉冲的不同周期内，分别完成激光清洗和激光超声无损检测；而应用例2，在同一个周期内，先后完成激光清洗和激光超声无损检测，这样可以明显提高作业的效率，缩短时间；
下面以激光器重复频率为1k Hz，脉冲宽度10ns为例对方案进行说明，但实际使用并不需要限定激光器的频率
1）0s时，激光器1发射束脉冲激光，通过振镜2扫描到工件的第一个点位上；
2）此时通过调节电机，使得拨片/滤光片320不挡光，也就是使得激光直接照射到被测工件上，由于此时的脉冲激光能量高，所以工件表面的保护层和/或锈蚀层可以被充分去除掉,具体的脉冲激光能量设定可以根据保护层和锈蚀层材料状况而定，合理调节脉冲激光能量；
3）通过超声波信号接收器4接收超声波信号，再通过放大器510、数据采集卡520，将数据传输到电脑530上，此时通过软件程序直接将此阶段接收的数据丢弃，不进行后续成像等处理，在清洗过程中工件同样也会产生超声波信号，但该信号无参考价值，故舍弃；
4）5ns后，激光器1再发射束脉冲激光，此时振镜2仍然扫描到第一个点位上，其中激光清洗和激光超声无损检测在脉冲宽度占比并不一定是1：1，可以根据实际需求进行调整；
5）此时通过调节电机，使得拨片/滤光片320进行挡光，降低此时的脉冲激光能量，使得激光不会损伤被测工件的基材，但是激光的能量又足够让工件产生超声信号，从而实现无损检测；
6）通过超声波信号接收器4接收超声波信号，再通过放大器510、数据采集卡520，将数据传输到电脑530上，此时通过软件程序直接将此阶段的数据保留，作为第一个点的信息，然后进行滤波降噪等处理，如高通滤波和低通滤波，只保留我们所需要的超声波频段，去掉其他频段的噪声信号，然后再进行后续成像处理。
7）随后调整激光器1、振镜2、激光能量调节组件3的位置，移动到第二个点位，重复1-6的步骤，实现整个区域的清洗和检测。
尽管上面已经示出和描述了发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，本领域的普通技术人员在发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种激光清洗和无损检测系统，其特征在于，包括：
激光器（1），其用以发射脉冲激光；
振镜（2），其布置在激光器（1）的出射端，以将激光器（1）所发射的点状脉冲激光转换为面光源或体光源；
激光能量调节组件（3），其布置在振镜（2）的出射端，以调整由振镜（2）所发射的面光源或体光源的能量；
超声波信号接收器（4），其用以接收工件在面光源或体光源的激励下所产生的超声波信号；
信号处理器（5），其分别与激光器（1）、振镜（2）、激光能量调节组件（3）和超声波信号接收器（4）电连接，用以进行信号处理和控制指令发送；
所述激光能量调节组件（3）包括：旋转机构（310）和拨片/滤光片（320），所述旋转机构（310）与所述拨片/滤光片（320）相连；
所述信号处理器（5）包括：放大器（510）、数据采集卡（520）和电脑（530），所述放大器（510）、所述数据采集卡（520）和所述电脑（530）依次电连接，所述超声波信号接收器（4）与所述放大器（510）电连接，所述激光器（1）、所述振镜（2）和所述激光能量调节组件（3）分别与所述电脑（530）电连接；
在进行清洗工作时：旋转机构（310）驱动拨片/滤光片（320）转动，以使拨片/滤光片（320）不对振镜（2）所发射出的面光源或体光源进行挡光；
在进行无损检测时：旋转机构（310）驱动拨片/滤光片（320）转动，以使拨片/滤光片（320）对振镜（2）所发射出的面光源或体光源进行挡光。
2.根据权利要求1所述的一种激光清洗和无损检测系统，其特征在于，所述旋转机构（310）为电机。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光清洗和无损检测系统，其特征在于，所述振镜（2）为二维振镜或三维振镜。
4.根据权利要求1所述的一种激光清洗和无损检测系统，其特征在于，所述超声波信号接收器（4）为超声波压电探头或电磁探头。
5.一种激光清洗和无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、确定工件的基材及其表面的保护层或锈蚀层材料特性；
S200、激光器（1）根据当前所确定的保护层或锈蚀材料特性，发射对应能量的脉冲激光；
S300、脉冲激光通过振镜（2）扫描为面光源或体光源，并照射在工件表面的保护层或锈蚀层上，以局部清除工件表面的保护层或锈蚀层，直至清洗时间达到预设参数阈值；
S400、再根据当前工件的基材材料特性，激光能量调节组件（3）调节振镜（2）所发射出的面光源或体光源的能量，使其降至基材材料损伤阈值以内；
S500、超声波信号接收器（4）采集工件在受面光源或体光源照射后所产生的超声波信号；
S600、对超声波信号进行处理，以保留对应频段信号，并根据所保留频段信号进行成像处理；
S700、调整激光器（1）、振镜（2）、激光能量调节组件（3）的位置，并重复S200～S600，实现对工件整个区域的清洗和检测。
6.根据权利要求5所述的一种激光清洗和无损检测方法，其特征在于，所述S600中，对超声波信号进行处理包含：滤波降噪。
7.根据权利要求6所述的一种激光清洗和无损检测方法，其特征在于，滤波包含：高通滤波和低通滤波。
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