CN116678950A - 一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，由太赫兹时域光谱模块、可调制声激励发生模块、二维移动平台以及计算机组成；太赫兹时域光谱模块由太赫兹主机、传感器和太赫兹探头组成，用于产生和探测太赫兹信号；二维移动平台携带太赫兹探头，对待测样品进行全覆盖二维扫描；可调制声激励发生模块用于调整声激励场频率，使待测样件中缺陷区域产生共振现象；计算机用于控制二维移动平台，同时存储、显示、处理和分析由传感器传入的太赫兹时域光谱数据。本发明针对复合材料，使用可调制声激励装置作为激励源对样品激励，并使用太赫兹无损检测成像技术检测缺陷对应共振频率下的振动信号，实现复合材料内部结构微小缺陷检测。

Description

一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置
技术领域
本发明属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，尤其适用于复合材料内部微小缺陷的检测和识别。
背景技术
现有的基于声激励的复合材料缺陷检测领域，大都采用电子散斑和激光散斑技术捕捉材料受到声激励后产生的振动，但这种方法受限于激光散斑、电子散斑的物理特性[于长淞.基于电子散斑剪切干涉技术的振动检测研究[J].长春理工大学学报(自然科学版)，2011，34(03):10-12+18]，无法穿透复合材料，直接检测缺陷位置处的共振情况，只能采用时间平均法或者频闪法测量材料内部缺陷导致的表面位移、变形所形成的散斑干涉条纹光强变化，导致最终识别出来的缺陷边缘较为模糊，无法根据复合材料缺陷位置处的共振频率实现更准确的识别。
太赫兹波谱在远红外与亚毫米波之间，是介于宏观电子学和微观光子学之间的频段，在电磁波频谱中占有独特地位具备辐射能量低、高信噪比、宽频带等特点，可应用于大多数非金属材料的检测分析，目前已在航空航天复合材料，工业涂层材料，陶瓷基复合材料等多类非金属材料的检测方面得到了广泛应用。太赫兹能够测出物体在振动过程中各个位置的详细振动情况包括中心振动频率，二次谐波以及频率失真情况。复合材料缺陷的边缘对太赫兹波的散射效应，会影响太赫兹波的强度分布。通过对不同深度太赫兹回波进行分析获得材料内部的能量场分布，从而得出材料内部脱粘、弱粘、分层等缺陷的形状、大小及空间位置。相对于传统的太赫兹检测，将太赫兹与声激励结合使用，可通过对加载声激励前后的太赫兹时域光谱数据进行对比，突出缺陷区域数据，特别适用于微小缺陷。这些优势使得太赫兹波在缺陷探测和振动感知领域有着广阔的应用前景。
发明内容
针对复合材料样件缺陷检测问题，本发明提供了一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，针对复合材料，使用可调制声激励装置作为激励源，基于连续变化的声激励源，对样品激励，并使用太赫兹无损检测成像技术检测复合材料缺陷对应共振频率下的振动信号，实现复合材料内部结构微小缺陷太赫兹无损检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，由太赫兹时域光谱模块、可调制声激励发生模块、二维移动平台以及计算机组成；太赫兹时域光谱模块由太赫兹主机、传感器和太赫兹探头组成，太赫兹时域光谱模块用于产生和探测太赫兹信号；二维移动平台携带太赫兹探头，对待测样品进行全覆盖二维扫描；可调制声激励发生模块用于调整声激励场频率，使待测样件中缺陷区域产生共振现象；计算机用于控制二维移动平台，同时存储、显示、处理和分析由传感器传入的太赫兹时域光谱数据。
进一步地，所述太赫兹主机由激光光源、时间延迟线、分束器、反射镜组成，用于产生泵浦光和探测光；所述太赫兹探头由光电导探测天线、光电导发射天线和太赫兹分束器组成，将太赫兹光线照射到样品表面，并收集样品太赫兹回波信号，通过光电导探测天线传入传感器中；所述传感器获取太赫兹光谱原始数据，并将原始数据传入计算机中。
优选地，所述激光光源为飞秒激光器。
优选地，所述飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲，经分束器被分为泵浦光和探测光；其中，泵浦光经信号延迟线和分束器入射到光电导发射天线上，在外加偏置电压的作用下，光电导发射天线产生太赫兹时域脉冲；探测光经反射镜入射到光电导探测天线。在光电导发射天线中产生太赫兹信号，经太赫兹分束器照射到待测样品，待测样品的太赫兹回波由太赫兹分束器传入光电导探测天线，再传入传感器中；传感器接收光电导探测天线的太赫兹时域光谱原始数据，将其转化为电压信号并进行放大，再将放大后的电压信号转换为数字信号送入计算机中。
进一步地，所述可调制声激励发生模块由信号发生器、功率放大器和扬声器组成；所述信号发生器用于产生任意频率的波形信号(可以是正弦波、三角波或方波等)；所述功率放大器用于接收来自信号发生器的频率信号，并放大信号的功率，输出到扬声器；所述扬声器用于接受来自功率放大器的电压信号并产生声激励场。
更进一步地，所述信号发生器产生的正弦波的表达式为：
F(t)＝Asin(2πft+θ)
式中，A为正弦信号的幅值，f为正弦信号的频率，θ为初相位；
将正弦波信号F(t)传入功率放大器，β为功率放大器增益，经放大后信号变为G(t)：
G(t)＝βAsin(2πft+θ)
将放大后的正弦波信号传入扬声器，扬声器作为声源摆放在样件的两侧，使产生的声激励场更加均匀。
优选地，所述二维移动平台包括电机以及导轨，通过计算机设定导轨的初始位置、移动速度、扫描步长和扫描范围，电机驱动导轨移动，实现二维空间上的移动，导轨上固定所述太赫兹探头，对待测样品进行二维逐点扫描，采集待测样品的太赫兹回波信号传入太赫兹探头，并由太赫兹探头将信号传入传感器中。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，可应用于太赫兹无损检测领域，以飞行时间为特征对缺陷样件进行分析，确定缺陷共振频率点，并可在此频率下对样件加载声激励进行相关分析。相较于正常环境下的复合材料样件太赫兹检测，对样件加载声激励后，材料缺陷区域会产生微小离面位移，太赫兹波能穿透材料表面探知物体内部的细微机械振动，且物体振动越强烈，产生的能量场就越高。通过对太赫兹回波分析，可得出物体内部脱粘、弱粘、分层等缺陷的形状、大小及空间位置，提高了太赫兹无损检测对微小缺陷的识别能力。
附图说明
图1为本发明实施例所述一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置图；
图中：
1-飞秒激光器；2-一号分束器；3-二号分束器；4-延迟线；5-反射镜；6-光电导探测天线；7-光电导发射天线；8-太赫兹分束器；9-传感器；10-待测样件；11-金属板；12-二维移动平台；13-计算机；14-信号发生器；15-功率放大器；16-扬声器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步描述本发明的技术方案：
一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，由太赫兹时域光谱模块、可调制声激励发生模块、二维移动平台以及计算机组成；太赫兹时域光谱模块由太赫兹主机、传感器和太赫兹探头组成，太赫兹时域光谱模块用于产生和探测太赫兹信号；二维移动平台携带太赫兹探头，对待测样品进行全覆盖二维扫描；可调制声激励发生模块用于调整声激励场频率，使待测样件中缺陷区域产生共振现象；计算机用于控制二维移动平台，同时存储、显示、处理和分析由传感器传入的太赫兹时域光谱数据。
进一步地，所述太赫兹主机由激光光源、时间延迟线、分束器、反射镜组成，用于产生泵浦光和探测光；所述太赫兹探头由光电导探测天线、光电导发射天线和太赫兹分束器组成，将太赫兹光线照射到样品表面，并收集样品太赫兹回波信号，通过光电导探测天线传入传感器中；所述传感器获取太赫兹光谱原始数据，并将原始数据传入计算机中。
优选地，所述激光光源为飞秒激光器。
优选地，所述飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲，经分束器被分为泵浦光和探测光；其中，泵浦光经信号延迟线和分束器入射到光电导发射天线上，在外加偏置电压的作用下，光电导发射天线产生太赫兹时域脉冲；探测光经反射镜入射到光电导探测天线。在光电导发射天线中产生太赫兹信号，经过太赫兹分束器照射到待测样品，待测样品的太赫兹回波由太赫兹分束器传入光电导探测天线，再传入传感器中；传感器接收光电导探测天线的太赫兹时域光谱原始数据，将其转化为电压信号并进行放大，再将放大后的电压信号转换为数字信号送入计算机中。
进一步地，所述可调制声激励发生模块由信号发生器、功率放大器和扬声器组成；所述信号发生器用于产生任意频率的波形信号(可以是正弦波、三角波或方波等)；所述功率放大器用于接收来自信号发生器的频率信号，并放大信号的功率，输出到扬声器；所述扬声器用于接受来自功率放大器的电压信号并产生声激励场。
更进一步地，所述信号发生器产生的正弦波的表达式为：
F(t)＝Asin(2πft+θ)
式中，A为正弦信号的幅值，f为正弦信号的频率，θ为初相位；
将正弦波信号F(t)传入功率放大器，β为功率放大器增益，经放大后信号变为G(t)：
G(t)＝βAsin(2πft+θ)
将放大后的正弦波信号传入扬声器，扬声器作为声源摆放在样件的两侧，使产生的声激励场更加均匀。
优选地，所述二维移动平台包括电机以及导轨，通过计算机设定导轨的初始位置、移动速度、扫描步长和扫描范围，电机驱动导轨移动，实现二维空间上的移动，导轨上固定所述太赫兹探头，对待测样品进行二维逐点扫描，采集待测样品的太赫兹回波信号传回太赫兹探头，并由太赫兹探头将信号传入传感器中。
实施例
如图1所示，本实施例为一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，包括：飞秒激光器1、一号分束器2、二号分束器3、延迟线4、反射镜5、光电导探测天线6、光电导发射天线7、太赫兹分束器8、传感器9、待测样件10、金属板11，二维移动平台12、计算机13、信号发生器14、功率放大器15、扬声器16。
所述飞秒激光器1、一号分束器2、二号分束器3、延迟线4和反射镜5构成太赫兹主机；光电导探测天线6、光电导发射天线7、太赫兹分束器8构成太赫兹探头，太赫兹探头安装在二维移动平台12上构成二维扫查模块；信号发生器14、功率放大器15和扬声器16构成声激励发生模块。
从飞秒激光器1发出的飞秒激光脉冲，经一号分束器2被分为泵浦光和探测光，其中泵浦光经信号延迟线4和二号分束器3入射到光电导发射天线7上，在外加偏置电压的作用下，光电导发射天线7产生太赫兹时域脉冲；探测光经反射镜5入射到光电导探测天线6。在光电导天线发射7中产生太赫兹信号，经过太赫兹分束器8照射到待测样品10，待测样品10的太赫兹回波由太赫兹分束器8传入光电导探测天线6，再传入传感器9中；传感器9接收光电导探测天线6的太赫兹时域光谱原始数据，将其转化为电压信号并进行放大，再将放大后的电压信号转换为数字信号送入计算机13中；信号发生器14产生任意频率的波形信号(可以是正弦波、三角波或方波等)；功率放大器15接收来自信号发生器的频率信号，并放大信号的功率，输出到扬声器16；扬声器16接受来自功率放大器15的电压信号并产生声波场。
由于太赫兹探头每次只能采集一个点的太赫兹时域光谱数据，故将太赫兹探头安装在二维移动平台12上，由导轨携带太赫兹探头运动，实现二维逐点扫描，完成太赫兹信号的采集。
所述信号发生器14产生的正弦波的表达式为：
F(t)＝Asin(2πft+θ) (1)
其中A为正弦信号的幅值，f为正弦信号的频率，θ为初相位。
将正弦波信号F(t)传入功率放大器15，β为功率放大器增益，经放大后信号变为G(t)：
G(t)＝βAsin(2πft+θ) (2)
将放大后的正弦波信号传入扬声器16，扬声器16作为声源摆放在样件的两侧，使产生的声激励场更加均匀。
二维移动平台12由电机、导轨等电子器件组成，通过计算机13设定导轨的初始位置、移动速度、扫描步长和扫描范围，电机驱动导轨移动，实现二维空间上的移动，同时导轨上可固定安装太赫兹探头，对待测样品10进行二维逐点扫描，采集待测样品10的太赫兹回波信号传回太赫兹探头，并由太赫兹探头将信号传入传感器9中。
计算机13可通过上位机软件控制二维移动平台12的初始位置、移动速度、扫描步长和扫描范围，对待测样品10进行检测，并获取传感器9的太赫兹时域光谱数据，对数据进行处理、分析、显示和存储。

Claims (7)

1.一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，由太赫兹时域光谱模块、可调制声激励发生模块、二维移动平台以及计算机组成；太赫兹时域光谱模块由太赫兹主机、传感器和太赫兹探头组成，太赫兹时域光谱模块用于产生和探测太赫兹信号；二维移动平台携带太赫兹探头，对待测样品进行全覆盖二维扫描；可调制声激励发生模块用于调整声激励场频率，使待测样件中缺陷区域产生共振现象；计算机用于控制二维移动平台，同时存储、显示、处理和分析由传感器传入的太赫兹时域光谱数据。
2.如权利要求1所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述太赫兹主机由激光光源、时间延迟线、分束器、反射镜组成，用于产生泵浦光和探测光；所述太赫兹探头由光电导探测天线、光电导发射天线和太赫兹分束器组成，将太赫兹光线照射到样品表面，并收集样品太赫兹回波信号，通过光电导探测天线传入传感器中；所述传感器获取太赫兹光谱原始数据，并将原始数据传入计算机中。
3.如权利要求2所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述激光光源为飞秒激光器。
4.如权利要求2所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述激光光源发出的飞秒激光脉冲，经分束器被分为泵浦光和探测光；其中，泵浦光经信号延迟线和分束器入射到光电导发射天线上，在外加偏置电压的作用下，光电导发射天线产生太赫兹时域脉冲；探测光经反射镜入射到光电导探测天线；在光电导发射天线中产生太赫兹信号，经太赫兹分束器照射到待测样品，待测样品的太赫兹回波由太赫兹分束器传入光电导探测天线，再传入传感器中；传感器接收光电导探测天线的太赫兹时域光谱原始数据，将其转化为电压信号并进行放大，再将放大后的电压信号转换为数字信号送入计算机中。
5.如权利要求1所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述可调制声激励发生模块由信号发生器、功率放大器和扬声器组成；所述信号发生器用于产生任意频率的波形信号；所述功率放大器用于接收来自信号发生器的频率信号，并放大信号的功率，输出到扬声器；所述扬声器用于接受来自功率放大器的电压信号并产生声激励场。
6.如权利要求5所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述信号发生器产生的正弦波的表达式为：
F(t)＝Asin(2πft+θ)
式中，A为正弦信号的幅值，f为正弦信号的频率，θ为初相位；
将正弦波信号F(t)传入功率放大器，β为功率放大器增益，经放大后信号变为G(t)：
G(t)＝βAsin(2πft+θ)
将放大后的正弦波信号传入扬声器，扬声器作为声源摆放在样件的两侧。
7.如权利要求1所述的一种可调制声激励的太赫兹无损检测装置，其特征在于，所述二维移动平台包括电机以及导轨，通过计算机设定导轨的初始位置、移动速度、扫描步长和扫描范围，电机驱动导轨移动，实现二维空间上的移动，导轨上固定所述太赫兹探头，对待测样品进行二维逐点扫描，采集待测样品的太赫兹回波信号传入太赫兹探头，并由太赫兹探头将信号传入传感器中。
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