CN114018826A - 一种光偏转法激光超声无损检测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光偏转法激光超声无损检测设备，包括：分束器件布置在激光器的出射端，具有两个出射端；振镜布置在分束器件的其中一个出射端；能量衰减器件布置在分束器件的另一个出射端；第一正透镜布置在能量衰减器件的出射端；第二正透镜与第一正透镜同侧布置；第三正透镜布置在第二正透镜的出射端；遮光器件布置在第二正透镜与第三正透镜之间，并用以部分遮挡从第二正透镜射向第三正透镜的光束；光电二极管布置在第三正透镜的出射端；信号处理端分别与激光器、振镜和光电二极管电连接。效果为：利用光学非干涉技术检测超声信号，更容易调试设备，仅一个激光器就可完成激光超声信号激励和超声信号接收，成本极低，且激光激励和激光接收实时同步。
Description
技术领域
本发明涉及激光无损检测技术领域，具体涉及一种光偏转法激光超声无损检测设备及方法。
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,并用信号探测设备探测超声波的传播,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。目前使用的主流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，结构复杂，信号之间的同步存在延时问题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光偏转法激光超声无损检测设备及方法，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：一种光偏转法激光超声无损检测设备，包括：
分束器件，其布置在激光器的出射端，具有两个出射端；
振镜，其布置在分束器件的其中一个出射端；
能量衰减器件，其布置在分束器件的另一个出射端；
第一正透镜，其布置在能量衰减器件的出射端；
第二正透镜，其与第一正透镜同侧布置；
第三正透镜，其布置在第二正透镜的出射端；
遮光器件，其布置在第二正透镜与第三正透镜之间，并用以部分遮挡从第二正透镜射向第三正透镜的光束；
光电二极管，其布置在第三正透镜的出射端；
信号处理端，其分别与激光器、振镜和光电二极管电连接。
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，还包括光开关，其布置在分束器件的出射端与振镜的入射端之间。
进一步，分束器件包括：
分束棱镜，其布置在激光器的出射端，具有两个出射端；
反光镜，其布置在分束棱镜的其中一个出射端；
振镜及能量衰减器件分别布置在分束棱镜的另一个出射端和反光镜的反射端。
进一步，还包括扩束镜，其布置在能量衰减器件的出射端与第一正透镜的入射端之间。
进一步，扩束镜的倍数为4～10倍。
进一步，工件上的探测点在第一正透镜和第二正透镜的焦平面上，光电二极管在第三正透镜的焦平面上。
进一步，能量衰减器件为衰减片。
进一步，激光器采用高能量连续激光器，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。
一种光偏转法激光超声无损检测方法，包括如下步骤：
S100、激光器发射脉冲激光，并通过分束棱镜分为两束；
S200、由分束棱镜所分的一束脉冲激光发射至光开关，并通过光开关控制出光为点间隔出光，出光时间按照振镜扫描的频率同步，通过光开关的光出射到达振镜上，并在振镜的作用下于工件上形成面阵扫描；
S300、由分束棱镜所分的另一束脉冲激光经反光镜改变方向，通过扩束镜扩束后变为一束直径为D的激光光束，并被焦距为F1的第一正透镜聚焦至工件上，受声扰动的工件表面上有因连续波引起的波纹，或因脉冲波影响而引起的局部倾斜；
当入射于表面的探测光斑的尺寸比待探测的最短声波波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会使反射光偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲的信息，通过焦距为F2的第二正透镜后变为平行光，出射光一半被遮光器件挡住，另一半被焦距为F3的第三正透镜聚焦至光电二极管上进行测定；
当脉冲激光在工件表面激发瑞利波,激发的瑞利波沿表面传播到达探测点时,引起表面发生微小形变,假定表面形变的倾斜角为θ,则反射光束相对于原反射光束偏离2θ,将影响进入光电二极管的光强度,光强变化信号转变为电信号,并由信号处理端进行记录、分析。
本发明的有益效果是：
1)利用光偏转法测量光通量以进行缺陷检测；
2)利用光学非干涉技术检测超声信号，更容易调试设备；
3)只需要一个激光器就可完成激光超声信号激励和超声信号接收，成本极低，且激光激励和激光接收实时同步；
4)以测量光通量的方法来测超声信号，更加简便，设备更加便携；
5)结构简单、对环境振动不敏感。
附图说明
图1为本发明所述光偏转法激光超声无损检测设备的光路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、分束器件，210、分束棱镜，220、反光镜，3、振镜，4、能量衰减器件，5、第一正透镜，6、第二正透镜，7、第三正透镜，8、遮光器件，9、光电二极管，10、信号处理端，11、扩束镜，12、光开关。
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，一种光偏转法激光超声无损检测设备，包括：
激光器1、分束器件2、振镜3、能量衰减器件4、第一正透镜5、第二正透镜6、第三正透镜7、遮光器件8、光电二极管9和信号处理端10；
激光器1用于发射脉冲激光；
分束器件2布置在激光器1的出射端，分束器件2具有两个出射端，激光器1所发射的脉冲激光进入分束器件2，并由分束器件2分为两束，然后分别由两个出射端射出；
振镜3布置在分束器件2的其中一个出射端，而由分束器件2的其中一个出射端所射出的脉冲激光将进入振镜3内，然后振镜3则将进入的点激光转化为面阵激光后照射在工件上，以使工件产生超声波；
能量衰减器件4布置在分束器件2的另一个出射端，由分束器件2的另一个出射端所射出的脉冲激光将进入能量衰减器件4内，并由能量衰减器件4将光束能量均匀衰减一定比例；
第一正透镜5布置在能量衰减器件4的出射端，由能量衰减器件4衰减后的光束将进入第一正透镜5，并通过第一正透镜5将平行入射光束聚焦后照射在工件上；
第二正透镜6与第一正透镜5同侧布置，第二正透镜6用于将焦平面上的光线收集并调整为平行出射；
第三正透镜7布置在第二正透镜6的出射端，并用于将平行入射光束聚焦；
遮光器件8布置在第二正透镜6与第三正透镜7之间，并用以部分遮挡从第二正透镜6射向第三正透镜7的光束，通常情况下，遮光器件8用来挡住一半光，当被测工件表面被扰动时，过来的光就不是被挡住一半，据此差值检测光信号能量变化；遮光器件8可以选用刀刃；
光电二极管9布置在第三正透镜7的出射端，光电二极管9用以探测光信号能量转换为电信号；
信号处理端10的信号输出端与激光器1的信号输入端电连接；
信号处理端10的信号输出端与振镜3的信号输入端电连接；
信号处理端10的信号输入端与光电二极管9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：
光偏转法激光超声无损检测设备还包括光开关12，
光开关12布置在分束器件2的出射端与振镜3的入射端之间，光开关12用以实现光的通断，从而控制出光为点间隔出光，光开关12的灵敏度应达到1ms以上。
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：
分束器件2包括：分束棱镜210和反光镜220；
分束棱镜210布置在激光器1的出射端，分束棱镜210具有两个出射端；
激光器1所发射的脉冲激光进入分束棱镜210，并由分束棱镜210分为两束，然后分别由两个出射端射出；
反光镜220，其布置在分束棱镜210的其中一个出射端；
振镜3及能量衰减器件4分别布置在分束棱镜210的另一个出射端和反光镜220的反射端。
由分束棱镜210的其中一个出射端所射出的脉冲激光经反光镜220改变方向后进入振镜3内，然后振镜3则将进入的点激光转化为面阵激光后照射在工件上，以使工件产生超声波；
或，由分束棱镜210的其中一个出射端所射出的脉冲激光经反光镜220改变方向后经光开关12后将进入振镜3内。
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：
光偏转法激光超声无损检测设备还包括扩束镜11，扩束镜11布置在能量衰减器件4的出射端与第一正透镜5的入射端之间，扩束镜11用以将由能量衰减器件4射向第一正透镜5的光束直径扩大，通常情况下，扩束镜11的倍数为4～10倍。
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：
工件上的探测点在第一正透镜5和第二正透镜6的焦平面上，光电二极管9在第三正透镜7的焦平面上。
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：
能量衰减器件4优选为衰减片，衰减片光衰减效果达到90％以上。
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采用高能量连续激光器，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工件上产生强度合适的超声信号，激光器1所发射脉冲激光的能量密度大于500uJ/cm2，激光器1平均功率需在1W-100W。
实施例8
一种光偏转法激光超声无损检测方法，包括如下步骤：
S100、激光器1发射脉冲激光，并通过分束棱镜210分为两束；
S200、由分束棱镜210所分的一束脉冲激光发射至光开关12，并通过光开关12控制出光为点间隔出光，出光时间按照振镜3扫描的频率同步，通过光开关12的光出射到达振镜3上，并在振镜3的作用下于工件上形成面阵扫描；
S300、由分束棱镜210所分的另一束脉冲激光经反光镜220改变方向，通过扩束镜11扩束后变为一束直径为D的激光光束，并被焦距为F1的第一正透镜5聚焦至工件上，受声扰动的工件表面上有因连续波引起的波纹，或因脉冲波影响而引起的局部倾斜；
当入射于表面的探测光斑的尺寸比待探测的最短声波波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会使反射光偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲的信息，通过焦距为F2的第二正透镜6后变为平行光，出射光一半被遮光器件8挡住，另一半被焦距为F3的第三正透镜7聚焦至光电二极管9上进行测定；
当脉冲激光在工件表面激发瑞利波,激发的瑞利波沿表面传播到达探测点时,引起表面发生微小形变,假定表面形变的倾斜角为θ,此时的反射光束相对于原反射光束偏离2θ,将影响进入光电二极管9的光强度,光强变化信号转变为电信号,并由信号处理端10进行记录、分析。
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)
1.一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于，包括：
分束器件(2)，其布置在激光器(1)的出射端，具有两个出射端；
振镜(3)，其布置在分束器件(2)的其中一个出射端；
能量衰减器件(4)，其布置在分束器件(2)的另一个出射端；
第一正透镜(5)，其布置在能量衰减器件(4)的出射端；
第二正透镜(6)，其与第一正透镜(5)同侧布置；
第三正透镜(7)，其布置在第二正透镜(6)的出射端；
遮光器件(8)，其布置在第二正透镜(6)与第三正透镜(7)之间，并用以部分遮挡从第二正透镜(6)射向第三正透镜(7)的光束；
光电二极管(9)，其布置在第三正透镜(7)的出射端；
信号处理端(10)，其分别与激光器(1)、振镜(3)和光电二极管(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：
还包括光开关(12)，其布置在分束器件(2)的出射端与振镜(3)的入射端之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于，所述分束器件(2)包括：
分束棱镜(210)，其布置在激光器(1)的出射端，具有两个出射端；
反光镜(220)，其布置在分束棱镜(210)的其中一个出射端；
振镜(3)及能量衰减器件(4)分别布置在分束棱镜(210)的另一个出射端和反光镜(220)的反射端。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：
还包括扩束镜(11)，其布置在能量衰减器件(4)的出射端与第一正透镜(5)的入射端之间。
5.根据权利要求4所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：所述扩束镜(11)的倍数为4～10倍。
6.根据权利要求1所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：工件上的探测点在第一正透镜(5)和第二正透镜(6)的焦平面上，所述光电二极管(9)在第三正透镜(7)的焦平面上。
7.根据权利要求1所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：所述能量衰减器件(4)为衰减片。
8.根据权利要求1所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，其特征在于：所述激光器(1)采用高能量连续激光器，发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
9.根据权利要求8所述的一种光偏转法激光超声无损检测设备，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。
10.一种光偏转法激光超声无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、激光器(1)发射脉冲激光，并通过分束棱镜(210)分为两束；
S200、由分束棱镜(210)所分的一束脉冲激光发射至光开关(12)，并通过光开关(12)控制出光为点间隔出光，出光时间按照振镜(3)扫描的频率同步，通过光开关(12)的光出射到达振镜(3)上，并在振镜(3)的作用下于工件上形成面阵扫描；
S300、由分束棱镜(210)所分的另一束脉冲激光经反光镜(220)改变方向，通过扩束镜(11)扩束后变为一束直径为D的激光光束，并被焦距为F1的第一正透镜(5)聚焦至工件上，受声扰动的工件表面上有因连续波引起的波纹，或因脉冲波影响而引起的局部倾斜；
当入射于表面的探测光斑的尺寸比待探测的最短声波波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会使反射光偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲的信息，通过焦距为F2的第二正透镜(6)后变为平行光，出射光一半被遮光器件(8)挡住，另一半被焦距为F3的第三正透镜(7)聚焦至光电二极管(9)上进行测定；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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