CN116359179A - 一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置 - Google Patents

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康仁科
焦彦淞
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Abstract

本发明公开了一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置，包括激光器、光路盒、光电检测器、移动平台和计算机控制系统；所述的光路盒包括扩束镜、偏振片、偏振分光镜、四分之一波片、格兰镜和塑料盒；所述的计算机控制系统包括数据采集卡、计算机和运动控制器，用于采集和分析信号并对移动平台进行控制。本发明对光学元件进行了集成，使用光路盒即可产生用于检测的光径可调的P偏振光，并可实现对包含损伤信息的散射激光进行分离和增强，便于检测装置的使用和安装。本发明采用扩束镜，简单实现了对检测速度和检测精度的小范围调节。本发明可实现对金属基复材表面损伤的高效检测，并可应用于金属基复材表面损伤的在线检测。

Description

一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体为一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置。
背景技术
金属基复材是以金属或合金为基体，与一种或几种增强材料混合制成的复合材料，主要包括纤维增强金属基复材、晶须增强金属基复材和颗粒增强金属基复材，其材质具有异质、不连续的特点。因其材料特质，一些常规的金属无损检测方法无法应用于金属基复材表面损伤的检测。
目前，应用于金属基复材的无损检测技术主要有超声波检测法、X射线检测法、工业CT法(计算机断层扫描)、涡流检测法、红外热成像法和荧光渗透法。超声检测法是利用超声波由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的原理来检测零件缺陷的一种方法，如一种金属件超声波检测装置(权公布号：CN210572121U)和一种用于金属零件的超声波检测装置(授权公布号：CN210572122U)，具有适用材质多、易实现自动化、检测精度高和危害小等优点，但该方法只能检测金属基复材内部的损伤，难以检测金属基复材表面损伤。X射线检测法原理为基体材料与内部损伤对X射线的吸收和散射的作用效果不同，从而在底片上形成黑度不同的影像，进而观测材料内部损伤的一种检测方法，如一种提高检测精度的金属管道X射线探伤装置(授权公布号：CN215678173U)，但不适用于检测金属基复材表面的损伤。工业CT法将X射线检测法从二维扩展到三维，但其检测原理与X射线检测法基本相同，同样不适用于检测金属基复材表面的损伤。涡流检测法利用金属的涡流效应进行检测，无法检测异质、非连续的金属基复材表面损伤。红外热成像法通过测量物体表面的红外线辐射能量来判断金属的内部缺陷，难以对金属基复材进行准确检测。荧光渗透法是利用毛细现象检查材料表面开口损伤的一种无损检测方法，如一种荧光渗透检测方法及其应用(公开号：CN115372253 A)，可应用于检测金属基复材表面的开放式损伤，但该方法需要检测人员在暗室中观察缺陷，检测效率低，易产生视觉疲劳从而造成错检。此前，偏振激光散射检测方法被应用于检测石英玻璃等半导体材料的亚表面损伤(一种高效检测石英玻璃加工亚表面损伤的装置，公布号：CN115356263 A)，尚未有应用于金属基复材检测的报道。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置，能实现对金属基复材表面损伤的高效检测。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置，包括激光器、光路盒、光电检测器、移动平台和计算机控制系统；所述的激光器安装于光路盒的一侧，所述的移动平台安装于光路盒的下侧、所述的光电检测器和计算机控制系统位于光路盒的外侧；
所述的激光器提供检测信号源；
所述的光路盒包括扩束镜、偏振片、偏振分光镜、四分之一波片、格兰镜和塑料盒；所述扩束镜、偏振片和偏振分光镜从左到右依次放置于塑料盒的底层且中心对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒中；
所述的扩束镜用于调节检测激光的直径；
所述的偏振片将检测激光变为P偏振光；
所述的偏振分光镜将P偏振光反射到金属基复材样品表面上，并分离从金属基复材样品表面散射产生的部分偏振光和S偏振光；
所述的四分之一波片和格兰镜分别放置于塑料盒的中层和顶层，且中心与偏振分光镜对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒中；
所述的四分之一波片将部分偏振光增强为S偏振光；
所述的格兰镜过滤掉除S偏振光外的其他光线；
所述的塑料盒在扩束镜左侧、偏振分光镜下侧和格兰镜上侧开口；
所述的光电检测器放置于格兰镜上侧，用于检测S偏振光的强度；
所述的计算机控制系统包括数据采集卡、计算机和运动控制器，用于采集和分析信号并对移动平台进行控制；
所述的数据采集卡将光电检测器接收到的电信号转化为数字信号，并将数字信号传送到计算机；
所述的计算机对数据采集卡采集到的数字信号进行分析处理；
所述的运动控制器接收计算机的指令，控制移动平台移动；
所述的移动平台在运动控制器的控制下沿X轴、Y轴按照S型路线进行移动，直至金属基复材样品检测完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明对光学元件进行了集成，使用光路盒即可产生用于检测的光径可调的P偏振光，并可实现对包含损伤信息的散射激光进行分离和增强，便于检测装置的使用和安装。
2、本发明采用扩束镜，简单实现了对检测速度和检测精度的小范围调节。
3、本发明可实现对金属基复材表面损伤的高效检测，并可应用于金属基复材表面损伤的在线检测，相较于现有检测方法更具有工业价值。
附图说明
图1表示本发明的结构示意图。
图2表示本发明所述光路盒的作用示意图。
图3表示本发明扫描检测的路径示意图。
图中：1、激光器，2、检测激光，3、扩束镜，4、偏振片，5、P偏振光，6、偏振分光镜，7、金属基复材样品，8、移动平台，9、部分偏振光，10、四分之一波片，11、格兰镜，12、塑料盒，13、S偏振光，14、光电检测器，15、数据采集卡，16、计算机，17、运动控制器，18、S型路线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置，包括激光器1、光路盒、光电检测器14和计算机控制系统；
所述的激光器1提供检测信号源；
所述的光路盒包括扩束镜3、偏振片4、偏振分光镜6、四分之一波片10、格兰镜11和塑料盒12；扩束镜3、偏振片4和偏振分光镜6从左到右依次放置于塑料盒12的底层且中心对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒12中；
所述的扩束镜3可调节检测激光2的直径；
所述的偏振片4将检测激光2变为P偏振光5；
所述的偏振分光镜6将P偏振光5反射到金属基复材样品7表面上，并分离从金属基复材样品7表面散射产生的部分偏振光9和S偏振光13；
所述的四分之一波片10和格兰镜11分别放置于塑料盒12的中层和顶层，且中心与偏振分光镜6对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒12中；
所述的四分之一波片10将部分偏振光9增强为S偏振光13；
所述的格兰镜11过滤掉除S偏振光13外的其他光线；
所述的塑料盒12在扩束镜3左侧、偏振分光镜6下侧和格兰镜11上侧开口；
所述的光电检测器14放置于格兰镜11上侧，用于检测S偏振光13的强度；
所述的计算机控制系统包括数据采集卡15、计算机16、运动控制器17和移动平台8，用于采集和分析信号并对移动平台进行控制；
所述的数据采集卡15将光电检测器14接收到的电信号转化为数字信号，并将数字信号传送到计算机16；
所述的计算机16对数据采集卡15采集到的数字信号进行分析处理；
所述的运动控制器17接收计算机16的指令，控制移动平台8移动；
所述的移动平台8在运动控制器17的控制下沿X轴、Y轴按照S型路线18进行移动，直至金属基复材样品7检测完成。
本发明的检测原理为偏振激光散射理论，具体实施方式如下：激光器1发射检测激光2，检测激光2经过扩束镜3放大光束，再经偏振片4变为P偏振光5，P偏振光5经过偏振分光镜6反射，入射到金属基复材样品7上；P偏振光5在金属基复材样品7表面发生单次散射和反射，出射光的偏振状态几乎与P偏振光5保持一致，而在表面损伤处，P偏振光5发生多次散射变成了部分偏振光9和S偏振光13，通过偏振分光镜6将部分偏振光9和S偏振光13从散射光线中分离出来，部分偏振光9再经过四分之一波片10变为S偏振光13，经格兰镜11过滤掉除S偏振光13的其他光线，S偏振光13由光电检测器14将检测的光信号转化为电信号，电信号经过数据采集卡15转化为数字信号，然后将数字信号传送给计算机16；使用计算机16通过运动控制器17控制移动平台8，使P偏振光5照射在金属基复材样品7表面上；控制移动平台8沿X轴、Y轴按照S型路线18进行移动，使P偏振光5完成金属基复材样品7表面的检测；通过计算机16分析处理数据采集卡15采集到的数字信号，准确获得金属基复材样品7表面损伤的位置信息；
本发明的工作方法，包括如下步骤：
A、将待测金属基复材样品7放置于移动平台8上；
B、启动激光器1发射检测激光2，检测激光2经扩束镜3放大光束，再经偏振片4变为P偏振光5，P偏振光5经过偏振分光镜6反射，入射到金属基复材样品7上。
经待测金属基复材样品7散射的包含有表面损伤信息的部分偏振光9和S偏振光13依次透过偏振分光镜6、四分之一波片10和格兰镜11，四分之一波片10将部分偏振光9转化为S偏振光13，经格兰镜11过滤掉除S偏振光13的其他光线；
C、启动光电检测器14检测S偏振光13的强度；
D、使用计算机16控制移动平台8使P偏振光5照射在待测金属基复材样品7表面上；控制移动平台8沿X轴、Y轴按照S型路线18进行移动，使P偏振光5完成待测金属基复材样品7表面的检测；
F、计算机16分析处理数据采集卡15采集到的数字信号，得到表面损伤的位置信息。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用偏振激光散射检测金属基复材表面损伤的装置，其特征在于：包括激光器(1)、光路盒、光电检测器(14)、移动平台(8)和计算机控制系统；所述的激光器(1)安装于光路盒的一侧，所述的移动平台(8)安装于光路盒的下侧、所述的光电检测器(14)和计算机控制系统位于光路盒的外侧；
所述的激光器(1)提供检测信号源；
所述的光路盒包括扩束镜(3)、偏振片(4)、偏振分光镜(6)、四分之一波片(10)、格兰镜(11)和塑料盒(12)；所述扩束镜(3)、偏振片(4)和偏振分光镜(6)从左到右依次放置于塑料盒(12)的底层且中心对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒(12)中；
所述的扩束镜(3)用于调节检测激光(2)的直径；
所述的偏振片(4)将检测激光(2)变为P偏振光(5)；
所述的偏振分光镜(6)将P偏振光(5)反射到金属基复材样品(7)表面上，并分离从金属基复材样品(7)表面散射产生的部分偏振光(9)和S偏振光(13)；
所述的四分之一波片(10)和格兰镜(11)分别放置于塑料盒(12)的中层和顶层，且中心与偏振分光镜(6)对齐，通过塑料卡槽固定在塑料盒(12)中；
所述的四分之一波片(10)将部分偏振光(9)增强为S偏振光(13)；
所述的格兰镜(11)过滤掉除S偏振光(13)外的其他光线；
所述的塑料盒(12)在扩束镜(3)左侧、偏振分光镜(6)下侧和格兰镜(11)上侧开口；
所述的光电检测器(14)放置于格兰镜(11)上侧，用于检测S偏振光(13)的强度；
所述的计算机控制系统包括数据采集卡(15)、计算机(16)和运动控制器(17)，用于采集和分析信号并对移动平台(8)进行控制；
所述的数据采集卡(15)将光电检测器(14)接收到的电信号转化为数字信号，并将数字信号传送到计算机(16)；
所述的计算机(16)对数据采集卡(15)采集到的数字信号进行分析处理；
所述的运动控制器(17)接收计算机(16)的指令，控制移动平台(8)移动；
所述的移动平台(8)在运动控制器(17)的控制下沿X轴、Y轴按照S型路线(18)进行移动，直至金属基复材样品(7)检测完成。
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