CN210755921U - 基于低相干干涉测量的熔深检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于低相干干涉测量的熔深检测设备，检测光源的尾纤通过第一法兰盘与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过第二法兰盘与光纤耦合器连接，光纤环形器的第三端口与光谱分析单元连接；光纤耦合器为1*2光纤耦合器，光纤耦合器的双纤端分别为参考光光纤和测量光光纤，参考光光纤的末端设置有参考光接头，测量光光纤的末端设置有测量光接头；参考光接头、参考光准直镜与第二光路折返单元依次排列，第二光路折返单元为直角棱镜、平面反射镜或者角锥棱镜；测量光接头连接测量单元。本实用新型光谱分析单元能接收到约1.2a的干涉信号强度，是现有技术的2倍多，大大提高了光谱分析单元的分析灵敏度和准确度。

Description

基于低相干干涉测量的熔深检测设备

技术领域

本发明涉及激光深熔焊时同轴检测激光加工区深度信息的设备，具体涉及一种基于低相干干涉测量的熔深检测设备。

背景技术

在激光焊接的工业应用中，实时检测激光加工区的位置信息是确保焊接质量的可追溯性的基本要求。然而，受到从熔池中溢出的金属蒸气、等离子体、辐射光等工艺因素的影响，传统的测量技术，如基于光电传感器的光学方法、或基于声音图像算法的声学方法、或基于CCD的视觉传感方法等都是对加工区内现象的间接检测，只能在非常有限的范围内用于在线过程监控，不能连续实时获取加工过程的准确信息。

光学相干断层成像(OCT)是一种基于低相干光干涉的成像技术，在激光加工深熔焊熔深检测方面有一定的应用。

美国专利US20180178320A1描述了基于干涉法测量激光加工熔池信息去表征激光加工特性的设备，该设备使用50:50的2*2光纤耦合器作为干涉方案，参考臂使用光纤光学延迟线和反射镜，测量臂使用二维扫描振镜将测量光偏转，二维扫描激光加工面，干涉信号经光谱分析处理后实时确定焊缝的空间和时间特征。

中国专利CN107076546描述了一种基于光学相干断层成像检测原理的在借助射束焊接或结合工件时实时测量焊缝深度的设备。这种设备的测量光经过准直模块安装在焊接头上，准直模块包括法拉第旋转器、场透镜和准直透镜，通过机械设计可调整准直模块内部光学镜片的位置及角度，测量光射束的焦点也能够就加工射束而言在前运行和在后运行中进行校正。

中国专利CN109219496A描述了一种激光加工时工艺监控的具有光学距离测量装置和棱镜偏转单元的装置及具有其的激光加工头。该设备的光学距离测量装置是通过光学相干断层成像实现，包含用于产生测量光束的测量光源，和将测量光源聚焦到工件表面形成测量光点的棱镜偏转单元，所述棱镜单元使测量光点横向的偏转于所述工件表面上定位。

但是，上述分光比为50:50的2*2光纤耦合器的干涉方案有以下两个缺点：

1、参考光和测量光在从光纤耦合器输出时两者是相等的(都为a)，参考臂回路的反射光强为a·99％(参考臂的反射率一般接近于100％)，测量臂回路的反射光强为a·45％(常规未抛光工件的规则反射率不超过50％)，为了使光纤耦合器形成最理想的干涉信号(参考臂回路的反射光强＝测量臂回路的反射光强)，则在参考臂加上衰减器，减去约54％的参考臂反射光强，检测光源的有效利用率非常低。

2、从2*2光纤耦合器输出的干涉信号是两路相等输出的，一路向检测光源输出，另一路向光谱分析单元输出，也就是说，光谱分析单元只能接收到约2·a·45％·0.5＝0.45a的干涉信号强度，大大降低了光谱分析单元的分析灵敏度和准确度。

并且，从2*2光纤耦合器输出向检测光源输出的那一路干涉信号会影响检测光源的稳定性，需要在光源上加上反向传输隔离装置，用于消除干涉信号对光源造成的干扰，增加了设备成本和设备体积。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于低相干干涉测量的熔深检测设备，光谱分析单元能接收到约1.2a的干涉信号强度，是现有技术的2倍多，大大提高了光谱分析单元的分析灵敏度和准确度。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

基于低相干干涉测量的熔深检测设备，包括检测光源、光纤环形器、光谱分析单元、光纤耦合器、参考光准直镜、第二光路折返单元、测量单元和激光加工头，

所述检测光源的尾纤通过第一法兰盘与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过第二法兰盘与光纤耦合器连接，光纤环形器的第三端口与光谱分析单元连接；

所述光纤耦合器为1*2光纤耦合器，光纤耦合器的双纤端分别为参考光光纤和测量光光纤，参考光光纤的末端设置有参考光接头，测量光光纤的末端设置有测量光接头；

所述参考光接头、参考光准直镜与第二光路折返单元依次排列，第二光路折返单元为直角棱镜、平面反射镜或者角锥棱镜；

所述测量光接头连接测量单元，测量单元内部设置有测量光准直镜，激光加工头内部依次设置有合束镜、聚焦镜和保护镜。

所述参考光准直镜和第二光路折返单元之间设置至少一个第一光路折返单元，第一光路折返单元为直角棱镜、两个互相垂直的平面反射镜或者角锥棱镜。

所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＞b·y，参考光光纤上设置有衰减器，衰减器为光纤可调光衰减器。

所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＞b·y，参考光准直镜后面设置有衰减器，衰减器为圆孔可调光阑、楔形可调光阑或者连续可变中性密度滤光片。

所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＜b·y，测量光光纤上设置有衰减器，衰减器为光纤可调光衰减器。

上述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备的检测方法，包括以下步骤：

(1)所述检测光源通过其尾纤使检测光传输到光纤环行器，后从光纤环行器的第二端口输出，输入到光纤耦合器，检测光在光纤耦合器分成两束，作为参考光和测量光，分别进入参考光光纤和测量光光纤；

(2)参考光通过参考光光纤从参考光接头出射进入空间光路，经过参考光准直镜后准直成平行光，平行光入射到第二光路折返单元产生正向反射，进入参考光准直镜后汇聚到参考光接头，沿参考光光纤传输到光纤耦合器，形成参考臂回路；

测量光通过测量光光纤从测量光接头出射进入空间光路，经过测量单元的测量光准直镜准直成平行光后，在合束镜处与加工激光同轴重叠，随加工激光一起经过聚焦镜和保护镜后直达工件表面的熔池，在熔池的底部正向反射，然后原路返回至光纤耦合器，形成测量臂回路；

(3)经参考臂回路返回的参考光和经测量臂回路返回的测量光在光纤耦合器形成干涉信号，干涉信号输出至光纤环形器，后从第三端口输出至光谱分析单元。

所述参考光准直镜和第二光路折返单元之间设置至少一个第一光路折返单元，平行光入射到若干个第一光路折返单元，每个第一光路折返单元把平行光进行180°改变方向并产生一定距离的平行偏移，然后入射到第二光路折返单元产生正向反射，返回到若干个第一光路折返单元，进入参考光准直镜后汇聚到参考光接头，沿参考光光纤传输到光纤耦合器，形成参考臂回路。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明设计合理的光路：采用带尾纤的检测光源、光纤环形器、光谱分析单元、分光比可调的光纤耦合器(根据实际应用中参考臂反射光强和测量臂反射光强的比例选择合适的分光比)、参考光准直镜、第二光路折返单元、测量单元和激光加工头，不但简化了现有技术的光路设计，而且光谱分析单元能接收到约1.2a的干涉信号强度，是现有技术的2倍多，大大提高了光谱分析单元的分析灵敏度和准确度，检测光源的有效利用率非常高。

2、根据实际检测过程，可选择的加上衰减器进行光强调节，但是本发明的衰减器只是微调，并不像现有技术，对反射光强进行大幅度衰减。

3、采用1*2光纤耦合器，光纤环形器与光纤耦合器之间只有一根光纤，干涉信号全部通过光纤环形器进入光谱分析单元，并无干涉信号对检测光源的干扰，不会影响检测光源的稳定性，提高检测光源的稳定性和寿命，无需在光源上加上反向传输隔离装置，简化了设备结构，降低了设备成本，尤其适用于在激光加工台距离控制工位较远的使用环境。

附图说明

图1是实施例1的基于低相干干涉测量的熔深检测设备的结构示意图。

图2是图1的直角棱镜的光路图。

图3是图1的两个互相垂直的平面反射镜的光路图。

图4是图1的角锥棱镜的光路图。

图5是实施例2的角锥棱镜的光路图。

图6是实施例3的直角棱镜的光路图。

图7是实施例4的圆孔可调光阑的示意图。

图8是实施例5的楔形可调光阑的示意图。

图9是实施例6的连续可变中性密度滤光片的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1-图4所示的基于低相干干涉测量的熔深检测设备，包括检测光源10、光纤环形器20、光谱分析单元60、光纤耦合器30、参考光准直镜408、直角棱镜409(实现光路的180度转折，入射光和反射光之间会分开一定的距离)、两个互相垂直的平面反射镜410(实现光路的180度转折，入射光和反射光之间会分开一定的距离)、角锥棱镜411(实现光路的180度转折)、测量单元51和激光加工头52，

检测光源10的尾纤通过第一法兰盘101与光纤环形器20的第一端口201连接，光纤环形器20的第二端口202通过第二法兰盘301与光纤耦合器30连接，光纤环形器20的第三端口203与光谱分析单元60连接；

光纤耦合器30为1*2光纤耦合器，光纤耦合器30的双纤端分别为参考光光纤302和测量光光纤303，参考光光纤302的末端设置有参考光接头407，测量光光纤303的末端设置有测量光接头509；

参考光接头407、参考光准直镜408、直角棱镜409、两个互相垂直的平面反射镜410、角锥棱镜411依次排列，

测量光接头509连接测量单元51(本实施例中，测量光光纤303上设置有衰减器，测量光接头509先连接衰减器，衰减器连接测量单元51)，测量单元51内部设置有测量光准直镜510，激光加工头52内部依次设置有合束镜521、聚焦镜522和保护镜523。

直角棱镜409、两个互相垂直的平面反射镜410和角锥棱镜411能够在其驱动装置的作用下沿光路轴向方向平移，作用是调整参考臂回路的光程，使之与测量臂回路的光程相匹配。

测量光光纤303上设置有衰减器，衰减器为光纤可调光衰减器401，通过调节光纤可调光衰减器401的驱动端口402的加载电压，可以精准控制通过光纤可调光衰减器401的光功率。

参考光准直镜408、测量光准直镜510采用带有消色差功能的会聚透镜。

上述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备的检测方法，包括以下步骤：

(1)检测光源10通过其尾纤使检测光传输到光纤环行器20，后从光纤环行器20的第二端口202输出，输入到光纤耦合器30，检测光在光纤耦合器30分成两束，作为参考光和测量光，分别进入参考光光纤302和测量光光纤303；

(2)参考光通过参考光光纤302从参考光接头407出射进入空间光路，经过参考光准直镜408后准直成平行光，平行光入射到直角棱镜409、两个互相垂直的平面反射镜410，直角棱镜409、两个互相垂直的平面反射镜410分别把平行光进行180°改变方向并产生一定距离的平行偏移，然后入射到角锥棱镜411产生正向反射，返回到两个互相垂直的平面反射镜410、直角棱镜409，进入参考光准直镜408后汇聚到参考光接头407，沿参考光光纤302传输到光纤耦合器30，形成参考臂回路；

测量光通过测量光光纤303从测量光接头509出射进入空间光路，经过测量单元51的测量光准直镜510准直成平行光后，在合束镜521处与加工激光同轴重叠，随加工激光一起经过聚焦镜522和保护镜523后直达工件表面的熔池524，在熔池524的底部正向反射，然后原路返回至光纤耦合器30，形成测量臂回路；

测量光准直镜510可以用其驱动(未画出)控制微调位移及角度，测量光准直镜510可以沿X、Y、Z三轴平移，也可以在xz、yz平面方向上进行角度微调，作用是使测量光能精确的调整到与加工激光同轴重合的位置。

(3)经参考臂回路返回的参考光和经测量臂回路返回的测量光在光纤耦合器30形成干涉信号，干涉信号输出至光纤环形器20(光纤环形器20将检测光源的光信号和干涉信号分开，并将全部的干涉信号输出到光谱分析单元60)，后从其第三端口203输出至光谱分析单元60，光谱分析单元60将干涉信号分解，传输至数据处理系统，分析处理即可得到激光加工区的深度信息。

如图2所示，使用直角棱镜409作为第一光路折返单元，平行光垂直于直角棱镜409的斜面入射，入射点偏离直角棱镜409的斜面中心线a1o，经直角棱镜409的两个直角面反射后垂直于直角棱镜409的斜面出射，出射光和入射光互相平行但方向相反，光路分开的距离是入射位置到直角棱镜409斜面中点线a1o的两倍。

如图3所示，使用两个互相垂直的平面反射镜410作为第一光路折返单元，平行光以45度角入射到第一个平面反射镜上，经两个平面反射镜反射后，以45度角从第二个平面反射镜出射，出射光和入射光互相平行但方向相反，光路分开的距离是两个平面反射镜入射光之间的距离。

如图4所示，使用角锥棱镜411作为第二光路折返单元，平行光垂直于角锥棱镜411的底面入射在其底面中心点，然后经角锥棱镜411的斜面正交顶点正向反射，从角锥棱镜411的底面出射，出射光和入射光互相重合但方向相反。

本实施例中，光纤耦合器30的分光比为30：70，为了便于与背景技术相对比，分光比等同为：0.6a：1.4a，参考臂回路的反射光强为0.6a·0.99＝0.6a，测量臂回路的反射光强为1.4a·0.45＝0.63a，光纤可调光衰减器401，把测量臂回路的反射光强减弱至0.6a，使两路反射光强相等，使光纤耦合器30形成最理想的干涉信号，并且全部传输到光谱分析单元60，此时光谱分析单元60接收到的干涉信号强度为0.6a+0.6a＝1.2a。

实施例2：

如图5所示，本实施例中，把直角棱镜409替换为角锥棱镜，平行光垂直于角锥棱镜的底面入射，入射点偏离角锥棱镜的底面中心点，经角锥棱镜的三个正交面反射后垂直于角锥棱镜的底面出射，出射光和入射光互相平行但方向相反，光路分开的距离是入射位置到角锥棱镜底面中心点的两倍。

实施例3：

如图6所示，本实施例中，把角锥棱镜411替换为直角棱镜，直角棱镜同样起到产生正向反射的作用，平行光垂直于直角棱镜，入射点在直角棱镜的斜面中心线a1o上，经直角棱镜的两个直角面交叉线反射后垂直于直角棱镜的斜面出射，出射光和入射光互相重合但方向相反。

实施例4：

如图7所示，根据实际加工工况，光纤耦合器30选择不同的分光比，需要在参考臂回路加入衰减器，衰减器为圆孔可调光阑403a，圆孔可调光阑403a在参考光准直镜408后面，圆孔可调光阑403a的控制杆(未画出)可以沿着404a的方向旋转，作用是调整圆孔可调光阑403a开孔的大小，调整传输光路的光功率。

实施例5：

如图8所示，根据实际加工工况，光纤耦合器30选择不同的分光比，需要在参考臂回路加入衰减器，衰减器为楔形可调光阑403b，楔形可调光阑403b在参考光准直镜408后面，楔形可调光阑403b可以沿404b的方向平移，作用是线性调整通光孔径的面积，调整传输光路的光功率。

实施例6：

如图9所示，根据实际加工工况，光纤耦合器30选择不同的分光比，需要在参考臂回路加入衰减器，衰减器为连续可变中性密度滤光片405，连续可变中性密度滤光片405在参考光准直镜408后面，连续可变中性密度滤光片405可以在其控制器(未画出)的作用下沿着406的方向平移，使得传输光路的光功率线性可调。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于低相干干涉测量的熔深检测设备，其特征在于：包括检测光源、光纤环形器、光谱分析单元、光纤耦合器、参考光准直镜、第二光路折返单元、测量单元和激光加工头，

所述检测光源的尾纤通过第一法兰盘与光纤环形器的第一端口连接，光纤环形器的第二端口通过第二法兰盘与光纤耦合器连接，光纤环形器的第三端口与光谱分析单元连接；

所述光纤耦合器为1*2光纤耦合器，光纤耦合器的双纤端分别为参考光光纤和测量光光纤，参考光光纤的末端设置有参考光接头，测量光光纤的末端设置有测量光接头；

所述参考光接头、参考光准直镜与第二光路折返单元依次排列，第二光路折返单元为直角棱镜、平面反射镜或者角锥棱镜；

所述测量光接头连接测量单元，测量单元内部设置有测量光准直镜，激光加工头内部依次设置有合束镜、聚焦镜和保护镜。

2.根据权利要求1所述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备，其特征在于：所述参考光准直镜和第二光路折返单元之间设置至少一个第一光路折返单元，第一光路折返单元为直角棱镜、两个互相垂直的平面反射镜或者角锥棱镜。

3.根据权利要求1所述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＞b·y，参考光光纤上设置有衰减器，衰减器为光纤可调光衰减器。

4.根据权利要求1所述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＞b·y，参考光准直镜后面设置有衰减器，衰减器为圆孔可调光阑、楔形可调光阑或者连续可变中性密度滤光片。

5.根据权利要求1所述的基于低相干干涉测量的熔深检测设备，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为a：b，参考光光纤的反射光强为a·x，测量光光纤的反射光强为b·y，a·x＜b·y，测量光光纤上设置有衰减器，衰减器为光纤可调光衰减器。

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