CN211697658U - 一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，具体涉及激光超声无损检领域，激励光导入至光纤准直器中，光纤准直器对光束发散角进行修正得到一束平行光，再通过分束镜将平行光分为两束；平行光可经过凹透镜与第一凸透镜组成的扩束镜对光斑进行扩束，再通过电控马达控制的第二凸透镜，通过出光窗口在待检测的工件上聚焦形成点光斑，点光斑被散射后依次经过第二凸透镜、第一凸透镜、凹透镜再被分束镜反射经过套筒透镜，并被安装在套筒透镜上的高速CCD相机捕捉成像；坐标跟踪摄像头可将更新的聚焦光斑位置传送至控制与信号处理模块；最终通过高性能电脑将捕获的数据重构获得测试结果。本实用新型可提高检测效率，检测更加人性化。

Description

一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统

技术领域

本实用新型属于激光超声无损检领域，具体涉及一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统。

背景技术

无损检测技术(NDT)指在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件表面及内部结构、性质、状态等性能参数进行检测和测试的方法。目前常规的检测方法主要包括：1、目视法。2、断裂疲劳拉伸试验。3、X 射线检测以及4、超声检测这四类方法。

目视法虽然是指人工观察工件表面的缺陷裂纹情况，该方法虽然可以看到表面一些较大(相对于激光超声而言)的裂纹，但是无法获取工件内部的缺陷。而且获取的信息也比较单一，无法对工件的应力应变等物理特性进行预判。断裂疲劳拉伸试验顾名思义是一种破坏性实验，对于一些“贵重”的工件，无法满足无损的要求。X射线检测虽然可以看到工件内部的一些裂纹情况，但其达不到激光超声的检测精度，对于一些微小的裂纹孔洞不敏感。与此同时，X射线具有一定的辐射性，难以实现在线集成。超声法是目前无损检测的主流方法，其基本思想是通过超声发射超声接收。当超声波在异性介质间传播时产生反射，透射，散射等现象，人们对超声波与物质相互作用后的信号进行分析处理，最终提取出缺陷的相关特征。超声波检测具有可以检测不同种类材料的缺陷，对缺陷的深度容忍度高，可以准确定位缺陷的位置，检测灵敏度高，且该技术使用方便，检测速度快，对人体无害，便于在故障场地实施等特点。然而该技术为接触式检测，无法在一些极端条件下应用(比如，高温，高压，有毒等恶劣环境)。

激光超声作为一种非接触式的无损检测技术越来越受到人们关注，其基本思路是通过脉冲激光激励产生超声信号再通过测振仪或换能器来接收超声信号，该方法不必接触试件表面即可实现对被测工件进行大面积地、快速地扫描检测，其检测的信号无论在时间上还是在空间上都具有很高的分辨率。但该方法都需要额外的配置一套扫描振镜系统，而且扫描路径比较单一，此外若对于一些复杂工件，扫描一侧后如果再想扫描其它面就不得不将工件翻转，平移等，这样一来扫描效率会大大降低，而且整个实验环境 (定位，设备的稳定性等)也会有微小的变化。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型的目的是提供一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，该系统除了能够对在高温高压等环境中的工件进行实时在线监测，而且由于其手持式激光探头的便捷性，可大大提高检测效率，更加人性化。

本实用新型提供了如下的技术方案：

一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，包括激光超声无损检测探头、纳秒脉冲激光器、高速信号采集卡、光电探测器、光纤耦合器、上位机软件、多模光纤、坐标跟踪摄像头和测振仪；

激光超声无损检测探头包括壳体、以及集成在壳体里的可变焦长焦距组合透镜、光电探测器、分束镜、电控马达、高速CCD相机、光纤准直器、双凸透镜、套筒透镜、丝杠；可变焦长焦距组合透镜包括凹透镜、第一凸透镜和第二凸透镜；

其光电探测器和高速CCD相机位于分束镜两侧，且光电探测器和分束镜之间设有双凸透镜，高速CCD相机和分束镜之间设有套筒透镜；分束镜的两端分别设有光纤准直器和依次设置的凹透镜、第一凸透镜和第二凸透镜；第二凸透镜的外侧在壳体上设有出光窗口；

激光超声无损检测探头与纳秒脉冲激光器通过多模光纤连接，光纤两端分别连接光纤准直器和光纤耦合器；脉冲激光器的激励光通过光纤耦合器耦合到熔石英光纤，将激励光导入至光纤准直器中，光纤准直器对光束发散角进行修正得到一束平行光，再通过分束镜将平行光分为两束；

其中，通过分束镜的部分平行光，经双凸透镜聚焦后被光电探测器接收、用于信号进行触发和用于单个脉冲激光能量的校准；

通过分束镜的另一部分平行光，可经过凹透镜与第一凸透镜组成的扩束镜对光斑进行扩束，再通过电控马达控制的第二凸透镜，第二凸透镜可在传动导轨中前后平移进而实现对焦点位置的控制，再通过出光窗口在待检测的工件上聚焦形成点光斑，点光斑被散射后依次经过第二凸透镜、第一凸透镜、凹透镜再被分束镜反射经过套筒透镜，并被安装在套筒透镜上的高速CCD相机捕捉成像；

其中，CCD相机可将捕捉到的聚焦光斑大小反馈给控制与信号处理模块，控制与信号处理模块发送命令至电控马达；坐标跟踪摄像头可将更新的聚焦光斑位置传送至控制与信号处理模块；最终通过高性能电脑将捕获的数据重构获得测试结果。

优选的，第二凸透镜的外围设有传动导轨，传动导轨侧部连接有传动轮，传动轮的中心贯穿有丝杆，丝杠的端部与电控马达的驱动轴连接；传动轮与传动导轨之间的键合方式为精密的齿轮咬合，其传动误差小于300微米。

优选的，高速信号采集卡带宽达数百MHz，采样率达GSa/S，可高保真的还原原始信号。

优选的，上位机软件为MATLAB，所用的图像可视化算法原理基于激发与接收超声波之间的互易性特点。测振仪为双玻混合干涉仪，灵敏度优于10纳米。

优选的，多模光纤为熔石英光纤，其纤径为200微米，两端连接方式为SMA接口。

优选的，根据在扫描过程中手实际上下抖动的幅度大小，传动导轨前后移动的最大距离为±20mm。

优选的，坐标跟踪摄像头被安装在坚固稳定的三脚架上，以防止其晃动等不稳定因素对激光聚焦光斑坐标带来的误差。

优选的，出光窗口在点光源激发时窗口内安装有一高透射率的平面镜用于保护外壳内部的光学元件，在用线光源激发时只需将镜头换成圆形平凸柱面透镜即可，操作非常便捷。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型涉及到“光-声-光”即通过光激发产生超声波，再通过“光”探测超声波检测技术，故可对在高温高压下的工件进行无损检测。

(2)本实用新型不需要振镜扫描系统，只需手持激光激发探头即可对工件进行全方位多角度扫描，操作便捷。

(3)本实用新型扫描过程中由于手的抖动所带来的焦斑偏移通过CCD相机和控制马达组成的反馈修正电路实时进行补偿，使得实验结果更加准确。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为本发明激光超声无损检测探头结构示意图；

图3为本发明结构框图；

附图标记：1、纳秒激光器；2、光纤耦合器；3、熔石英多模光纤；4、激光超声无损检测探头；5、工件；6、滤光片；7、测振仪；8、高速采集卡；9、坐标跟踪摄像头； 10、三角支架；11、高性能电脑；12、激光器模块；13、坐标跟踪模块；14、手持探头模块；15、探测模块；16、控制信号处理模块；17、外壳；18、光纤准直器；19、双凸透镜；20、光电探测器；21、分束镜；22、套筒透镜；23、高速CCD相机；24、电控马达；25、丝杠；26、凹透镜；27、第一凸透镜；28、传动轮；29、传动导轨；30、第二凸透镜；31、出光窗口；32、圆形平凸柱面透镜。

具体实施方式

实例例1：

参见本申请附图1和图2，本装置系统包括纳秒激光器1、光纤耦合器2、熔石英多模光纤3、激光超声无损检测探头4、工件5、滤光片6、测振仪7、高速采集卡8、坐标跟踪摄像头9、三角支架10、高性能电脑11；纳秒脉冲激光器脉冲1脉冲宽度为8ns，单脉冲能量小于5mJ，重复频率小于50Hz。熔石英多模光纤3两端为SMA接头分别与光纤耦合器2和光纤准直器18相连。激光超声无损检测探头4后端有三根导线，其中连接高速CCD相机23和电控马达24的两根导线与高性能电脑11相连。另外一根导线连接光电探测器20与高速采集卡8相连用于触发信号。坐标跟踪摄像头9固定于三角支架上。测振仪7正前方放置一532nm滤光片6，防止纳秒脉冲激光器脉冲1中的激励光漏出进入到测振仪7中，从而对测量信号造成干扰及对测振仪7本身造成损伤；

系统工作时，纳秒脉冲激光器1发出的激励光经过光纤耦合器2耦合到熔石英多模光纤3中，再将其传输到激光超声无损检测探头4将光斑聚焦到待检测的工件5上，由于纳秒脉冲与工件5表面物质作用时间非常短，此时在工件5的表面局部地方会受热膨胀，局部温度来不及扩散到周围，会产生一个温度梯度，根据应力平衡原理进而会产生超声波。该超声波主要包含声表面波、纵波、横波这三种不同模式的波。超声波在工件 5表面及其内部传播时会引起其表面微小的振动，该振动可被测振仪7感应到，并将振动信号转化为电信号同步传输至高速信号采集卡8中并将信号传输至高性能高性能电脑 11中。同时，坐标跟踪摄像头9实时的记录激励光斑的位置，内置于激光超声无损检测探头4内的自动对焦系统会实时的根据光斑的大小进行自动调焦以确保聚焦光斑在工件 5上。并传输至高性能高性能电脑11中，最后高性能高性能电脑11根据可视化算法对数据及时处理得到三维动态图像，以及判定工件5内部及表面缺陷的位置及大小并给出详细的分析报告。

实施例2：

参见本申请附图3，一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统包括：激光器模块12、坐标跟踪模块13、手持探头模块14、控制与信号处理模块16和探测模块15。其中激光器模块12功能为提供稳定的纳米脉冲光源，坐标跟踪模块13功能为实时最终激励光斑的位置、手持探头模块14功能为关联坐标跟踪模块13和控制与信号处理模块16，对光斑进行自动聚焦并进行信号触发、控制与信号处理模块16功能为控制电控马达24 并对测振仪7和光电探测器反馈的信号进行高速采集，探测模块15功能为捕捉工件5 表面微小振动并将机械信号转化为电信号。

实施例3：

参见本申请图1和图2，激光超声无损检测探头包括外壳17、以及集成在壳体里的可变焦长焦距组合透镜、光电探测器20、分束镜21、电控马达24、高速CCD相机23、光纤准直器18、双凸透镜19、套筒透镜22、丝杠25、传动轮28以及传动导轨29。

可变焦长焦距组合透镜包括凹透镜26、第一凸透镜27、第二凸透镜30。

脉冲激光器发1出的激励光通过光纤耦合器2耦合到熔石英多模光纤3，将激励光导入至光纤准直器18中，光纤准直器18对光束发散角进行修正得到近似于一束平行光，再通过分束镜21将平行光分为两束，一部分反射光经双凸透镜19聚焦后被光电探测器 20接收一方面用于对信号进行触发，另一方面用于单个脉冲激光能量的校准。

另一部分透射光先经过凹透镜26与第一凸透镜27组成的扩束镜对光斑进行扩束，再通过电控马达24控制的第二凸透镜30，第二凸透镜30可在传动导轨29中前后平移进而实现对焦点位置的控制，再通过出光窗口31在待检测的工件上聚焦形成点光斑，点光斑被散射后依次经过第二凸透镜30、第一凸透镜27、凹透镜26再被分束镜21反射经过套筒透镜22，并被安装在套筒透镜上的高速CCD相机23捕捉成像。

高速CCD相机23实时将捕捉到的聚焦光斑大小反馈给控制与信号处理模块16，控制与信号处理16模块立即发送命令到电控马24达，对其做出左旋或右旋的命令控制，进而电控马达24带动丝杠25旋转从何带动传动导轨向前或者向后平移。与此同时，坐标跟踪摄像头9也在不断的跟新聚焦光斑的位置并将其实时的记录下来反馈给控制与信号处理模块16，最终通过特定的算法将捕获的数据快速重构以获取超声波在工件表面及其体内传播的动态变化图像及工件表面及体内缺陷位置及大小情况。

高速信号采集卡带宽达数百MHz，采样率达GSa/S，可高保真的还原原始信号。

上位机软件为MATLAB，所用的图像可视化算法原理基于激发与接收超声波之间的互易性特点。测振仪为双玻混合干涉仪，灵敏度优于10纳米。

多模光纤为熔石英光纤，其纤径为200微米，两端连接方式为SMA接口。

根据在扫描过程中手实际上下抖动的幅度大小，传动导轨前后移动的最大距离为±20mm。

传动轮与传动导轨之间的键合方式为精密的齿轮咬合，其传动误差小于300微米。

坐标跟踪摄像头被安装在坚固稳定的三脚架上，以防止其晃动等不稳定因素对激光聚焦光斑坐标带来的误差。

出光窗口在点光源激发时窗口内安装有一高透射率的平面镜用于保护外壳内部的光学元件，在用线光源激发时只需将镜头换成圆形平凸柱面透镜即可，操作非常便捷。

实施步骤如下：

S1、按照图1组装各个设备，打开各设备，调整测振仪7的信号使其达到最强；

S2、选择所需的镜头(点源激发还是线源激发)，按照实验所需的扫描路径扫描；

S3、扫描结束后对数据进行三维动态可视化重构并获取详细检测报告；

S4、实验结束后依次关闭各个实验设备。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：包括激光超声无损检测探头、纳秒脉冲激光器、高速信号采集卡、光电探测器、光纤耦合器、上位机软件、多模光纤、坐标跟踪摄像头和测振仪；

激光超声无损检测探头包括壳体、以及集成在壳体里的可变焦长焦距组合透镜、光电探测器、分束镜、电控马达、高速CCD相机、光纤准直器、双凸透镜、套筒透镜、丝杠；可变焦长焦距组合透镜包括凹透镜、第一凸透镜和第二凸透镜；

其光电探测器和高速CCD相机位于分束镜两侧，且光电探测器和分束镜之间设有双凸透镜，高速CCD相机和分束镜之间设有套筒透镜；分束镜的两端分别设有光纤准直器和依次设置的凹透镜、第一凸透镜和第二凸透镜；第二凸透镜的外侧在壳体上设有出光窗口；

激光超声无损检测探头与纳秒脉冲激光器通过多模光纤连接，光纤两端分别连接光纤准直器和光纤耦合器；脉冲激光器的激励光通过光纤耦合器耦合到熔石英光纤，将激励光导入至光纤准直器中，光纤准直器对光束发散角进行修正得到一束平行光，再通过分束镜将平行光分为两束；

通过分束镜的部分平行光，经双凸透镜聚焦后被光电探测器接收、用于信号进行触发和用于单个脉冲激光能量的校准；通过分束镜的另一部分平行光，可经过凹透镜与第一凸透镜组成的扩束镜对光斑进行扩束，再通过电控马达控制的第二凸透镜，第二凸透镜可在传动导轨中前后平移进而实现对焦点位置的控制，再通过出光窗口在待检测的工件上聚焦形成点光斑，点光斑被散射后依次经过第二凸透镜、第一凸透镜、凹透镜再被分束镜反射经过套筒透镜，并被安装在套筒透镜上的高速CCD相机捕捉成像；

CCD相机可将捕捉到的聚焦光斑大小反馈给控制与信号处理模块，控制与信号处理模块发送命令至电控马达；坐标跟踪摄像头可将更新的聚焦光斑位置传送至控制与信号处理模块；最终通过高性能电脑将捕获的数据重构获得测试结果。

2.根据权利要求1所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：第二凸透镜的外围设有传动导轨，传动导轨侧部连接有传动轮，传动轮的中心贯穿有丝杆，丝杠的端部与电控马达的驱动轴连接；传动轮与传动导轨之间的键合方式为齿轮齿合。

3.根据权利要求2所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：传动导轨前后移动的距离为±20mm。

4.根据权利要求1所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：高速信号采集卡带宽100至600MHz，采样率为1至10GSa/S；上位机软件为MATLAB，测振仪为双玻混合干涉仪。

5.根据权利要求1所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：多模光纤为熔石英光纤，纤径为200微米，多模光纤两端连接方式为SMA接口。

6.根据权利要求1所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：坐标跟踪摄像头设置在三脚架上。

7.根据权利要求1所述的一种手持式自动对焦激光超声无损检测系统，其特征在于：出光窗口在点光源激发时窗口内安装有一高透射率的平面镜或用线光源激发时则采用圆形平凸柱面透镜。

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