CN114018825B - 一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，包括：分束镜布置在激光器的出射端，且其具有两个出射端；振镜布置在分束镜的其中一个出射端；1/2波片布置在分束镜的另一个出射端；偏振分光镜布置在1/2波片的出射端；第一1/4波片布置在偏振分光镜的出射端；第一场镜布置在第一1/4波片的出射端；光折变晶体布置在偏振分光镜的出射端；反光器件布置在偏振分光镜的出射端；第二1/4波片布置在反光器件的出射端与光折变晶体的入射端之间；光电探测器布置在光折变晶体的出射端；信号处理器分别与激光器、振镜和光电探测器电连接。有益效果是：激光激励和激光干涉仪用同一个光源；设备灵敏度高；能测量粗糙平面的振动信号。

Description

一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备及方法
技术领域
本发明涉及激光无损检测技术领域，具体涉及一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备及方法。
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、内部及表面缺陷，材料参数等等。目前使用的激光超声设备包含激光激励和激光干涉接收两个部分，设备体积大，且设备之间存在干扰问题，影响激光超声探伤信号强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备及方法，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，包括：
分束镜，其布置在激光器的出射端，且其具有两个出射端；
振镜，其布置在分束镜的反射光出射端；
1/2波片，其布置在分束镜的透射光出射端；
偏振分光镜，其布置在1/2波片的出射端；
第一1/4波片，其布置在偏振分光镜的反射光出射端；
第一场镜，其布置在第一1/4波片的出射端；
光折变晶体，其布置在偏振分光镜的水平透射光出射端；
反光器件，其布置在偏振分光镜的垂直透射光出射端；
第二1/4波片，其布置在反光器件的出射端与光折变晶体的入射端之间；
光电探测器，其布置在光折变晶体的出射端；
信号处理器，其分别与激光器、振镜和光电探测器电连接。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括第二场镜，其布置在振镜的出射端。
进一步，还包括光开关，其布置在分束镜的反射光出射端与振镜的入射端之间。
进一步，还包括第一反光镜，其布置在分束镜的反射光出射端与光开关的入射端之间。
进一步，还包括扩束镜，其布置在分束镜的透射光出射端与1/2波片的入射端之间。
进一步，反光器件包括：
第二反光镜，其布置在偏振分光镜的垂直透射光出射端；
第三反光镜，其布置在第二反光镜的出射端与第二1/4波片之间。
进一步，激光器为高能量连续激光器。
进一步，激光器发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
进一步，激光器所发射脉冲激光的能量密度大于500uJ/cm2。
一种高精度光折变晶体干涉无损探伤方法，包括如下步骤：
S100、激光器发射脉冲激光，通过分束镜被分为两束；
S200、由分束镜所分的两束脉冲激光中的透射光经扩束镜准直扩束后，再经过1/2波片，然后被偏振分光镜分为两束，由分束镜所分的两束脉冲激光中的反射光进入振镜，以使点激光转化为面阵激光并作用在被测振动物体上；
S300、由偏振分光镜所分的两束脉冲激光中的反射光经第一1/4波片、第一场镜后作用在被测振动物体上，被测振动物体表面所反射的信号光通过第一场镜、第一1/4波片后进入偏振分光镜，并由偏振分光镜出射至光折变晶体内；
S400、由偏振分光镜所分的两束脉冲激光中的透射光经反光器件反射至第二1/4波片，并由第二1/4波片出射至光折变晶体内，记为参考光；
S500、信号光与参考光在光折变晶体内发生干涉，并生成动态光栅；
S600、参考光经过该动态光栅被衍射到与信号光相同的方向上，信号光的衍射光部分仍然沿着原方向传播，该方向上的衍射将会在光电探测器内发生干涉，产生干涉信号；
S700、信号处理器采集干涉信号，并进行解调即可得到被测振动物体的振动信号。
本发明的有益效果是：
1)激光激励和激光干涉仪用同一个光源；
2)将光折变晶体作为反射式的全息光栅系统，使得设备灵敏度高；
3)使用连续激光器加上光开关实现激光超声点阵激励；
4)运用非线性干涉原理可用来测量高频、离面微小振动，并且能测量粗糙平面的振动信号；
5)能对环境如空气流动引起的低频噪声自动滤除；
6)参考光路和信号光路不要求有稳定的路径长度，光路调节更加容易；
7)激光激励和激光接收实时同步；
8)可远距离进行表面无损检测。
附图说明
图1为本发明所述高精度光折变晶体干涉无损探伤设备的光路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、分束镜，3、振镜，4、1/2波片，5、偏振分光镜，6、第一1/4波片，7、第一场镜，8、光折变晶体，9、反光器件，910、第二反光镜，920、第三反光镜，10、第二1/4波片，11、光电探测器，12、信号处理器，13、第二场镜，14、光开关，15、第一反光镜，16、扩束镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，包括：
激光器1、分束镜2、振镜3、1/2波片4、偏振分光镜5、第一1/4波片6、第一场镜7、光折变晶体8、反光器件9、第二1/4波片10、光电探测器11和信号处理器12；
激光器1用以发射脉冲激光；
分束镜2布置在激光器1的出射端，且分束镜2具有两个出射端，分束镜2用以将激光器1所发射脉冲激光分为两束，并分别由两个出射端出射，其中一束用于干涉，另一束作为激光超声激励源；
振镜3布置在分束镜2的其中一个出射端，由分束镜2所分出的一束脉冲激光将进入振镜3，以使点激光转化为面阵激光；
1/2波片4布置在分束镜2的另一个出射端；
偏振分光镜5布置在1/2波片4的出射端，配合1/2波片4调整激光能量，偏振分光镜5用以按照偏振态不同将从1/2波片4入射的光分为两束；
第一1/4波片6布置在偏振分光镜5的出射端，用以改变从偏振分光镜5所射出的脉冲激光的偏振态；
第一场镜7布置在第一1/4波片6的出射端，用于对从第一1/4波片6所射出的激光进行定场和聚焦；
光折变晶体8布置在偏振分光镜5的出射端，从第一场镜7中所射出的脉冲激光作用在被测振动物体上，以使被测振动物体表面产生反射信号，反射信号通过第一场镜7、第一1/4波片6后进入偏振分光镜5，并由偏振分光镜5出射至光折变晶体8，该光束作为信号光；
反光器件9布置在偏振分光镜5的出射端，从偏振分光镜5所分出的一束脉冲激光将射入反光器件9；
第二1/4波片10布置在反光器件9的出射端与光折变晶体8的入射端之间，第二1/4波片10用以改变从反光器件9射向光折变晶体8的激光的偏振态；
光电探测器11布置在光折变晶体8的出射端；
信号处理器12的信号输出端与激光器1的信号输入端电连接；
信号处理器12的信号输出端与振镜3的信号输入端电连接；
信号处理器12的信号输入端与光电探测器11的信号输出端电连接。
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：
高精度光折变晶体干涉无损探伤设备还包括第二场镜13，第二场镜13布置在振镜3的出射端，用于对从振镜3所射出的激光进行定场和聚焦。
实施例3
如图1所示，本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
高精度光折变晶体干涉无损探伤设备还包括光开关14，光开关14布置在分束镜2的出射端与振镜3的入射端之间，用以实现光的通断，灵敏度达到1ms以上。
实施例4
如图1所示，本实施例为在实施例3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
高精度光折变晶体干涉无损探伤设备还包括第一反光镜15，第一反光镜15布置在分束镜2的出射端与光开关14的入射端之间，第一反光镜15用以改变光路方向，以便激光从分束镜2导入光开关14。
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：
高精度光折变晶体干涉无损探伤设备还包括扩束镜16，扩束镜16布置在分束镜2的出射端与1/2波片4的入射端之间，扩束镜16用以对从分束镜2射出的激光进行扩束准直，然后再射入1/2波片4。
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：
反光器件9包括：第二反光镜910和第三反光镜920；
第二反光镜910布置在偏振分光镜5的出射端，从偏振分光镜5所射出的脉冲激光将射向第二反光镜910，并通过第二反光镜910改变光路方向；第三反光镜920布置在第二反光镜910的出射端与第二1/4波片10之间，从第二反光镜910所射出的脉冲激光将射向第三反光镜920，并通过第三反光镜920改变光路方向后射向第二1/4波片10。
实施例7
如图1所示，本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光器1为高能量连续激光器，发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光，此类波段脉冲激光能较好的在被测振动物体上产生强度合适的超声信号。
实施例8
如图1所示，本实施例为在实施例1～7任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光器1所发射脉冲激光的能量密度大于500uJ/cm2，平均功率为1W～100W，重复频率满足1Hz-100KHz可调范围。
一种高精度光折变晶体干涉无损探伤方法，包括如下步骤：
S100、激光器1发射脉冲激光，激光器1所发射脉冲激光通过分束镜2被分为两束；
S200、由分束镜2所分的两束脉冲激光中的一束经扩束镜16准直扩束后再经过1/2波片4，然后被偏振分光镜5分为两束；
S300、由偏振分光镜5所分的两束脉冲激光中的一束经第一1/4波片6、第一场镜7后作用在被测振动物体上，该束光记为信号光，被测振动物体表面所反射的信号光通过第一场镜7、第一1/4波片6后进入偏振分光镜5，并由偏振分光镜5出射至光折变晶体8；
S400、由偏振分光镜5所分的两束脉冲激光中的另一束经反光器件9反射至第二1/4波片10，该束光记为参考光，并由第二1/4波片10出射至光折变晶体8内，记为参考光；
S500、信号光与参考光在光折变晶体8内发生干涉，并生成动态光栅；
S600、参考光经过该动态光栅被衍射到与信号光相同的方向上，信号光的衍射光部分仍然沿着原方向传播，该方向上的衍射将会在光电探测器11内发生干涉，产生干涉信号；
S700、信号处理器12采集干涉信号，并进行解调即可得到被测振动物体的振动信号。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本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 (10)

1.一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于，包括：
分束镜(2)，其布置在激光器(1)的出射端，且其具有两个出射端；
振镜(3)，其布置在分束镜(2)的反射光出射端；
1/2波片(4)，其布置在分束镜(2)的透射光出射端；
偏振分光镜(5)，其布置在1/2波片(4)的出射端；
第一1/4波片(6)，其布置在偏振分光镜(5)的反射光出射端；
第一场镜(7)，其布置在第一1/4波片(6)的出射端；
光折变晶体(8)，其布置在偏振分光镜(5)的水平透射光出射端；
反光器件(9)，其布置在偏振分光镜(5)的垂直透射光出射端；
第二1/4波片(10)，其布置在反光器件(9)的出射端与光折变晶体(8)的入射端之间；
光电探测器(11)，其布置在光折变晶体(8)的出射端；
信号处理器(12)，其分别与激光器(1)、振镜(3)和光电探测器(11)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
还包括第二场镜(13)，其布置在振镜(3)的出射端。
3.根据权利要求2所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
还包括光开关(14)，其布置在分束镜(2)的反射光出射端与振镜(3)的入射端之间。
4.根据权利要求3所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
还包括第一反光镜(15)，其布置在分束镜(2)的反射光出射端与光开关(14)的入射端之间。
5.根据权利要求1所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
还包括扩束镜(16)，其布置在分束镜(2)的透射光出射端与1/2波片(4)的入射端之间。
6.根据权利要求1所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：所述反光器件(9)包括：
第二反光镜(910)，其布置在偏振分光镜(5)的垂直透射光出射端；
第三反光镜(920)，其布置在第二反光镜(910)的出射端与第二1/4波片(10)之间。
7.根据权利要求1所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
所述激光器(1)为高能量连续激光器。
8.根据权利要求7所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：所述激光器(1)发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
9.根据权利要求1所述的一种高精度光折变晶体干涉无损探伤设备，其特征在于：
所述激光器(1)所发射脉冲激光的能量密度大于500uJ/cm2。
10.一种高精度光折变晶体干涉无损探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、激光器(1)发射脉冲激光，通过分束镜(2)被分为两束；
S200、由分束镜(2)所分的两束脉冲激光中的透射光经扩束镜(16)准直扩束后，再经过1/2波片(4)，然后被偏振分光镜(5)分为两束，由分束镜(2)所分的两束脉冲激光中的反射光进入振镜(3)，以使点激光转化为面阵激光并作用在被测振动物体上；
S300、由偏振分光镜(5)所分的两束脉冲激光中的反射光经第一1/4波片(6)、第一场镜(7)后作用在被测振动物体上，被测振动物体表面所反射的信号光通过第一场镜(7)、第一1/4波片(6)后进入偏振分光镜(5)，并由偏振分光镜(5)出射至光折变晶体(8)内；
S400、由偏振分光镜(5)所分的两束脉冲激光中的透射光经反光器件(9)反射至第二1/4波片(10)，并由第二1/4波片(10)出射至光折变晶体(8)内，记为参考光；
S500、信号光与参考光在光折变晶体(8)内发生干涉，并生成动态光栅；
S600、参考光经过该动态光栅被衍射到与信号光相同的方向上，信号光的衍射光部分仍然沿着原方向传播，该方向上的衍射将会在光电探测器(11)内发生干涉，产生干涉信号；
S700、信号处理器(12)采集干涉信号，并进行解调即可得到被测振动物体的振动信号。
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