CN117288315A - 一种激光超声检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声检测技术领域，具体为一种激光超声检测装置，所述光学平台上设置有脉冲激光器，所述脉冲激光器的激光出射方向依次设置有空间光调制器和光纤准直器，所述光纤准直器通过高功率光纤与光纤透镜相连，所述光纤透镜位于检测模型上方，靠近检测模型表面设置有光纤超声传感器；所述光学平台上依次设置有可调谐激光器、光纤环形器、光电探测器，所述光纤超声传感器和可调谐激光器及光电探测器通过光纤与光纤环形器相连接，所述光电探测器通过同轴电缆与数据采集卡相连，所述数据采集卡通过数据线与计算机相连；其结构合理，在使用的过程中，具有非接触、高精度、宽带、多模式、无损伤的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，具体为一种激光超声检测装置。
背景技术
近年来，随着工业自动化程度的不断提高，人们对无损检测技术，尤其是非接触无损检测技术的需求越来越追切。激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。目前，激光超声技术已成为无损检测领域中的一种重要技术和手段。由于激光超声具有非接触，时间和空间分辨率高，对样品的形状和尺寸没有特殊要求、实时在线等优点，已被广泛地应用于工业无损检测、材料的表征、以及复合材料和各向异性材料的声传播规律研究等领域。
在地震物理模型成像领域，目前常用的超声波检测方法一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收，发射探头和接收探头紧贴被测模型表面，发射头将窄脉冲的电信号转换为超声波信号，而接收头则将超声波信号转换为电信号。另外，压电式超声波探头只能进行窄带发射或接收,因此测量不能反映野外施工宽频发射和接收的实际情况；声波接收定向性强，具有较小的方位角，空间分辨率差；适合于目标的单点探测，复用性差；易受电磁干扰，信号远距离传输能力差，不利于实现远程监测。
基于上述问题，我们提出一种新型的激光超声检测装置。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有的技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种激光超声检测装置，在使用的过程中，具有非接触、高精度、宽带、多模式、无损伤的优点。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种激光超声检测装置，其包括可调谐激光器、脉冲激光器、空间光调制器、光纤准直器、光纤透镜、光纤超声传感器、计算机、光纤环形器、数据采集卡、光电探测器、光学平台：
其中，
所述光学平台上设置有脉冲激光器，所述脉冲激光器的激光出射方向依次设置有空间光调制器和光纤准直器，所述光纤准直器通过高功率光纤与光纤透镜相连，所述光纤透镜位于检测模型上方，靠近检测模型表面设置有光纤超声传感器；
所述光学平台上依次设置有可调谐激光器、光纤环形器、光电探测器，所述光纤超声传感器和可调谐激光器及光电探测器通过光纤与光纤环形器相连接，所述光电探测器通过同轴电缆与数据采集卡相连，所述数据采集卡通过数据线与计算机相连。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述的光纤透镜为圆锥形或球形光纤透镜。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：圆锥形所述的光纤透镜的直径为125～400μm、锥角为30°～60°；球形所述的光纤透镜的直径为125～400μm。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述检测模型表面涂有光声功能涂层。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述检测模型表面的光声功能涂层的材料为金箔或石墨烯或二硫化钨。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述脉冲激光器位于空间光调制器的上方，所述空间光调制器位于光纤准直器的上方。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述光学平台的顶部设置有与检测模型相配合的夹持装置。
作为本发明所述的一种激光超声检测装置的一种优选方案，其中：所述光学平台的底部设置有独立电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在使用的过程中，具有非接触、高精度、宽带、多模式、无损伤的优点，作为一种全光型的超声成像系统，可以用于地震物理模型超声成像，用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗等技术领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明探测物理模型上下反射面反射的超声信号时域谱。
图3是计算机成像算法对采集的数据反演成像图。
图中；1可调谐激光器、2脉冲激光器、3空间光调制器、4光纤准直器、5光纤透镜、6光声功能涂层、7检测模型、8光纤超声传感器、9计算机、10光纤环形器、11数据采集卡、12光电探测器、13光学平台。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供如下技术方案：一种激光超声检测装置，在使用的过程中，具有非接触、高精度、宽带、多模式、无损伤的优点；
实施例1
在图1中，本实施例的检测模型光纤激光超声成像系统由可调谐激光器1、脉冲激光器2、空间光调制器3、光纤准直器4、光纤透镜5、光纤超声传感器8、计算机9、光纤环形器10、数据采集卡11、光电探测器12、光学平台13连接构成。
在光学平台13上脉冲激光器2的激光出射方向依次安装有空间光调制器3和光纤准直器4，光纤准直器4通过高功率光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5位于检测模型7上方，检测模型7表面涂有光声功能涂层6，光声功能涂层6为金箔涂层，脉冲激光器2发射的激光入射到空间光调制器3进行调制，空间光调制器3调制后的激光入射到光纤准直器4，光纤准直器4将激光耦合到光纤中，光纤准直器4通过高功率光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5为圆锥形光纤透镜，圆锥形光纤透镜的直径为250μm、锥角为45°,光纤透镜5将输入的激光聚焦后输出，输出的激光照射到位于检测模型7表面的金箔涂层6上，利用光声效应产生超声波输到检测模型7内部，聚焦的激光束在检测模型7表面扫描，形成连续的线型声源，光纤超声传感器8靠近检测模型7表面，用于采集检测模型7表面及内部超声回波信号，光学平台13上依次设置有可调谐激光器1、光纤环形器10、光电探测器12，可调谐激光器1出射的窄带激光通过光纤环形器10到达光纤超声传感器8，光纤超声传感器8反射的光信号再通过光纤环形器10进入光电探测器12，光电探测器12将输入的光信号转换成电信号并输入到数据采集卡11，光电探测器12通过同轴电缆与数据采集卡11相连，数据采集卡11与计算机9通信，计算机9对输入的数据进行处理得到地震数据的反演成像。
实施例2
在光学平台13上脉冲激光器2的激光出射方向依次安装有空间光调制器3和光纤准直器4，光纤准直器4通过高功率光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5位于检测模型7上方，检测模型7表面涂有光声功能涂层6，光声功能涂层6为金箔涂层，脉冲激光器2发射的激光照射到空间光调制器3进行调制，空间光调制器3调制后的激光入射到光纤准直器4，光纤准直器4将激光耦合到光纤中，光纤准直器4通过光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5为圆锥形光纤透镜，圆锥形光纤透镜的直径为125μm、锥角为30°。光纤透镜5将激光聚焦后输出，输出的激光照射到位于检测模型7表面的金箔涂层上，利用光声效应产生超声波输到检测模型7内部。聚焦的激光束在检测模型7表面扫描，形成连续的线型声源,光纤超声传感器8靠近检测模型7表面，用于采集检测模型7表面及内部超声回波信号。光学平台13上依次设置有可调谐激光器1、光纤环形器10、光电探测器12，可调谐激光器1出射的窄带激光通过光纤环形器10到达光纤超声传感器8，光纤超声传感器8反射的光信号再通过光纤环形器10进入光电探测器12，光电探测器12将输入的光信号转换成电信号并输入到数据采集卡11，光电探测器12通过同轴电缆与数据采集卡11相连，数据采集卡11与计算机9通信，计算机9对输入的数据进行处理，得到地震数据的反演成像。
实施例3
在光学平台13上脉冲激光器2的激光出射方向依次安装有空间光调制器3和光纤准直器4，光纤准直器4通过高功率光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5位于检测模型7上方，检测模型7表面涂有光声功能涂层6，光声功能涂层6为金箔涂层，脉冲激光器2发射的激光照射到空间光调制器3进行调制，空间光调制器3调制后的激光入射到光纤准直器4，光纤准直器4将激光耦合到光纤中，光纤准直器4通过光纤与光纤透镜5相连，光纤透镜5为圆锥形光纤透镜，圆锥形光纤透镜的直径为400μm、锥角为60°。光纤透镜5将激光聚焦后输出，输出的激光照射到位于检测模型7表面的金箔涂层上，利用光声效应产生超声波输到检测模型7内部，聚焦的激光束在检测模型7表面扫描，形成连续的线型声源,光纤超声传感器8靠近检测模型7表面，用于采集检测模型7表面及内部超声回波信号。光学平台13上依次设置有可调谐激光器1、光纤环形器10、光电探测器12，可调谐激光器1出射的窄带激光通过光纤环形器10到达光纤超声传感器8，光纤超声传感器8反射的光信号再通过光纤环形器10进入光电探测器12，光电探测器12将输入的光信号转换成电信号并输入到数据采集卡11，光电探测器12通过同轴电缆与数据采集卡11相连，数据采集卡11与计算机9通信，计算机9对输入的数据进行处理，并通过成像算法实现地震数据的反演成像。
实施例4
在上述实施例1～3中，检测模型7表面的光声功能涂层为石墨烯涂层，也可以为二硫化钨涂层。其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。
实施例5
在上述实施例1～3中，光纤透镜5为球形光纤透镜，直径为300μm，也可以为125μm，也可以为400μm。其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同
为了验证本发明的有益效果，发明人根据本发明实施例1的结构进行以下实验：
在水箱内装入水，水箱底部放置一块5cm×4cm×4cm的检测模型7，模型底面有1cm深凹槽，用于探测检测模型7表面及内部层面反射的脉冲超声波信号；测量时将金箔涂敷在检测模型7上表面，放置在本发明系统中，脉冲激光器2发出532nm纳秒激光照射模型表面金箔，激发脉冲超声信号，脉冲超声信号经水传输至检测模型7后，一部分声波信号直接经模型上表面反射，另一部分传输至下表面后再反射，反射的超声波信号由光纤超声传感器8接收；可调激光器作为光源，其线宽和分辨率分别为100kHz和0.1pm；可调谐激光器1发出的窄线宽激光通过光纤环形器10传输至光纤超声传感器8，光纤超声传感器8反射的被调制的光信息传输至光纤环形器10，再传输至光电探测器12，将光信号转换至电压信号,经同轴电缆传输至数据采集卡11，通过计算机9分析。
实验结果：
实验结果如图2、3所示。图2是本发明探测物理模型上下反射面反射的超声信号时域谱。通过光纤超声传感器8扫描成像，再利用计算机9成像算法对采集的数据反演，可以得到图3，图中可以清晰的观察到模型上下表面的成像结果。本发明作为一种全光型的超声成像系统，可以用于地震物理模型超声成像，用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗等技术领域。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (8)
1.一种激光超声检测装置，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、脉冲激光器(2)、空间光调制器(3)、光纤准直器(4)、光纤透镜(5)、光纤超声传感器(8)、计算机(9)、光纤环形器(10)、数据采集卡(11)、光电探测器(12)、光学平台(13)：
其中，
所述光学平台(13)上设置有脉冲激光器(2)，所述脉冲激光器(2)的激光出射方向依次设置有空间光调制器(3)和光纤准直器(4)，所述光纤准直器(4)通过高功率光纤与光纤透镜(5)相连，所述光纤透镜(5)位于检测模型(7)上方，靠近检测模型(7)表面设置有光纤超声传感器(8)；
所述光学平台(13)上依次设置有可调谐激光器(1)、光纤环形器(10)、光电探测器(12)，所述光纤超声传感器(8)和可调谐激光器(1)及光电探测器(12)通过光纤与光纤环形器(10)相连接，所述光电探测器(12)通过同轴电缆与数据采集卡(11)相连，所述数据采集卡(11)通过数据线与计算机(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述的光纤透镜(5)为圆锥形或球形光纤透镜。
3.根据权利要求2所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：圆锥形所述的光纤透镜(5)的直径为125～400μm、锥角为30°～60°；球形所述的光纤透镜(5)的直径为125～400μm。
4.根据权利要求1所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述检测模型(7)表面涂有光声功能涂层(6)。
5.根据权利要求4所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述检测模型(7)表面的光声功能涂层(6)的材料为金箔或石墨烯或二硫化钨。
6.根据权利要求1所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述脉冲激光器(2)位于空间光调制器(3)的上方，所述空间光调制器(3)位于光纤准直器(4)的上方。
7.根据权利要求1所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述光学平台(13)的顶部设置有与检测模型(7)相配合的夹持装置。
8.根据权利要求1所述的一种激光超声检测装置，其特征在于：所述光学平台(13)的底部设置有独立电源。
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