CN215931652U - 一种时分复用的超声检测网络 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种时分复用的超声检测网络，包括激光器、环形器、1×N光开关、光电探测器、N个光学麦克风、压电超声探头及控制模块；环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，环形器的第一端口与激光器的输出端相连，第二端口与1×N光开关的输入端相连，第三端口与光电探测器的输入端相连；1×N光开关的输出端与N个光学麦克风相连；光电探测器的输出端与控制模块相连，控制模块分别与激光器、1×N光开关及压电超声探头电连接；其中，N≥1且N为整数。本实用新型采用压电超声探头与光学麦克风结合的方案，结构小巧，占用空间小，可以适应恶劣的电磁环境；基于时分复用方式，仅需要一个激光器，即实现较大范围的超声检测。

Description

一种时分复用的超声检测网络
技术领域
本实用新型涉及超声检测领域，具体涉及一种时分复用的超声检测网络。
背景技术
超声波是频率高于20kHz的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.5MHz～10MHz。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面(如缺陷或被测物件的底面等)就会产生反射、折射和波形转换。这种现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲反射法，探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上(用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件)，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质(如机油或水等)进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度(与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较)，即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除反射法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法以及使用连续脉冲信号进行检测的连续法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。
超声探伤的传统方式为接触式超声探伤，该方式采用超声探头来激发及接收超声，为保证超声有效耦合到材料当中，需要超声探头与材料紧密接触，甚至需要加以涂抹耦合剂。针对传统超声探伤方式的不足，当前比较热门的超声探伤方式是激光超声探伤，通过高能量的脉冲激光在材料表面激发超声，随后利用光干涉仪测量材料表面的超声，实现材料的探伤。激光超声可以实现无接触高精度探伤。但存在体积庞大价格昂贵的问题。
对于电磁环境恶劣、可能于材料表面漏电情况的特殊应用场景(如发电场所)下的材料损伤监测，传统的接触式探测方式，存在探测干扰大，探测不准确的问题，而激光超声探测方式难以配置于狭小空间，且其价格过于昂贵。
实用新型内容
针对背景技术中的问题，本实用新型的目的在于面向电磁环境恶劣的带电场所的探伤检测需求，针对现有的超声探伤系统的不足，结合光学麦克风与压电超声探头相结合的方式，实现恶劣电磁环境下的超声检测，通过时分复用方式构建超声检测网络实现范围探伤检测。
为了解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：
一种时分复用的超声检测网络，包括激光器、环形器、1×N光开关、光电探测器、N个光学麦克风、压电超声探头及控制模块；
所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，环形器的第一端口与所述激光器的输出端相连，第二端口与1×N光开关的输入端相连，第三端口与光电探测器的输入端相连；
所述1×N光开关的输出端与N个光学麦克风相连；
所述光电探测器的输出端与所述控制模块相连，所述控制模块分别与激光器、1×N光开关及压电超声探头电连接；
其中，N≥1且N为整数；
工作时，压电超声探头紧贴在被检测件表面，用于在被检测件表面周期性激发出脉冲型超声波，然后再通过空气耦合到N个光学麦克风中；
激光器用于发射激光，并从环形器的第一端口进入环形器，然后再从环形器的第二端口射出到1×N光开关中；
1×N光开关用于在控制模块的控制下，从N个光学麦克风中选择一个，使环形器第二端口射出的激光进入到其中；
光学麦克风用于根据压电超声探头在被检测件表面激发出的脉冲型超声波来调制从1×N光开关第二端口射出的激光，然后再将经调制后的激光反射回1×N光开关，接着再经1×N光开关射出到环形器的第二端口，最后再从环形器的第三端口射出到光电探测器中；
光电探测器用于探测从环形器的第三端口传输来的激光信号，并将激光信号转换为电信号后，发送至控制模块中进行分析处理。
在一些实施例中，工作时，所述压电超声探头紧贴在被检测件表面上，所述的N个光学麦克风均匀分布在所述压电超声探头的四周，且每个光学麦克风均距离被检测件表面1mm～10mm。
在一些实施例中，所述激光器为半导体DFB激光器。
在一些实施例中，所述1×N光开关为高速1×N光开关或磁1×N光开关。
在一些实施例中，所述光电探测器为响应带宽大于50MHz的PIN光电二极管。
在一些实施例中，所述光学麦克风为刚性的FP腔光探头。
在一些实施例中，所述控制模块包括计算机、FGPA模块、放大电路、模数转换电路、数模转换电路、激光器驱动电路及压电超声探头驱动电路；
所述计算机与所述FGPA模块电连接，所述FGPA模块分别与所述模数转换电路、数模转换电路及1×N光开关电连接，所述模数转换电路与所述放大电路电连接，所述放大电路与光电探测器电连接，所述数模转换电路分别与所述激光器驱动电路及压电超声探头驱动电路电连接，所述激光器驱动电路与所述激光器电连接，所述压电超声探头驱动电路与所述压电超声探头电连接。
与现有技术相比，本实用新型的优点至少包括：本实用新型提供了一种时分复用的超声检测网络，采用压电超声探头与光学麦克风结合的方案，结构小巧，占用空间小，超声信号由激光进行检测，并通过光纤传输到远处，具有抗电磁干扰的优点，可以适应恶劣的电磁环境；在采用多个光学麦克风后，基于时分复用方式，仅需要一个激光器，即实现较大范围的超声检测。
附图说明
通过下文中参照附图对本实用新型所作的描述，本实用新型的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本实用新型有全面的理解。
图1为本实用新型提供的时分复用的超声检测网络的示意图；
图2为图1中的控制模块及相关结构的示意图。
附图标记说明：
1、激光器；2、环形器；3、1×N光开关；4、光电探测器；5、光学麦克风；6、压电超声探头；10、控制模块；11、计算机；12、FGPA模块；13、放大电路；14、模数转换电路；15、数模转换电路；16、激光器驱动电路；17、压电超声探头驱动电路；21、第一端口；22、第二端口；23、第三端口。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
参照图1，本实用新型提供了一种时分复用的超声检测网络，包括激光器1、环形器2、1×N光开关3、光电探测器4、N个光学麦克风5、压电超声探头6及控制模块10；环形器2包括第一端口21、第二端口22和第三端口23，环形器2的第一端口21与激光器1的输出端相连，第二端口22与1×N光开关3的输入端相连，第三端口23与光电探测器4的输入端相连；1×N光开关3的输出端与N个光学麦克风5相连；光电探测器4的输出端与控制模块10相连，控制模块10分别与激光器1、1×N光开关3及压电超声探头6电连接；其中，N≥1且N为整数。
工作时，压电超声探头6紧贴在被检测件表面，用于在被检测件表面周期性激发出脉冲型超声波，然后再通过空气耦合到N个光学麦克风5中；激光器1用于发射激光，并从环形器2的第一端口21进入环形器2，然后再从环形器2的第二端口22射出到1×N光开关3中；1×N光开关3用于在控制模块10的控制下，从N个光学麦克风5中选择一个，使环形器2第二端口22射出的激光进入到其中；光学麦克风5用于根据压电超声探头6在被检测件表面激发出的脉冲型超声波来调制从1×N光开关3第二端口22射出的激光，然后再将经调制后的激光反射回1×N光开关3，接着再经1×N光开关3射出到环形器2的第二端口22，最后再从环形器2的第三端口23射出到光电探测器4中；光电探测器4用于探测从环形器2的第三端口23传输来的激光信号，并将激光信号转换为电信号后，发送至控制模块10中进行分析处理。
优选地，N个光学麦克风5均匀分布在压电超声探头6的四周，且压电超声探头6紧贴在被检测件表面时，每个光学麦克风5均距离被检测件表面1-10mm，优选5mm。光学麦克风5的个数优选为4个，4个光学麦克风5可均匀分布在压电超声探头6的上、下、左、右。
光学麦克风5为刚性的FP腔光探头，其腔体内沿激光传输方向的两端各设置有一个半反镜，腔体长度约2mm-5mm，优选5mm，该腔体的长度是固定的，且腔体内部材料能够在脉冲型超声波的作用下发生变化，以实现对激光的调制。该光学麦克风采用光纤耦合，故而可通过光纤将FP腔体内的调制信息导出到远处。
优选地，激光器1为半导体DFB激光器，采用光纤耦合输出单频激光，激光波长为1550nm，用于实现干涉探测。
优选地，1×N光开关3为高速1×N光开关或磁1×N光开关；在控制模块10的控制下，1×N光开关3以预设的周期进行切换，以实现将激光传输到不同的光学麦克风5上。
优选地，光电探测器4为PIN光电二极管，其响应带宽大于50MHz，响应波长范围包含DFB激光器的波长。
进一步参照图2，控制模块10包括计算机11、FGPA模块12、放大电路13、模数转换电路14、数模转换电路15、激光器驱动电路16及压电超声探头驱动电路17；光电探测器4通过放大电路13与模数转换电路14连接至FGPA模块12，FGPA模块12与计算机11连接；且FGPA模块12分别与1×N光开关3及数模转换电路15连接，数模转换电路15分别与激光器驱动电路16及压电超声探头驱动电路17连接，激光器驱动电路16与压电超声探头驱动电路17分别用于控制激光器1及压电超声探头6的工作；模数转换电路14实现模拟信号到数字信号的转换，且信号转换速率高于10MSPS。
在一个具体实施例中，N＝4，利用本实用新型提供的时分复用的超声检测网络，采用如下步骤实现时分复用的检测：
(1)压电超声驱动电路17以2kHz的周期驱动压电超声探头6，形成2kHz的脉冲超声信号；
(2)DFB激光器1输出单频激光，经环形器2到达1×4光开关3，在FPGA芯片12的控制下，1×4光开关3以2ms进行切换，以实现单频激光传输到不同的光学麦克风5上；
(3)FPGA芯片12存储记录通过1×4光开关3所选的光学麦克风5编号，并将光电探测器4采样得到的对应数据仅处理后传送给计算机11，由计算机11进行进一步数据分析处理；
(4)计算机11基于光学麦克风5的编号得到光学麦克风5所处位置的信息(该信息由布置检测网络时进行测量得到)，并绘制对应的超声信号，于是可以得到超声激发点以及探测点连线的线型范围检测，而多个光学麦克风5可实现多个方向的检测。
综上，本实用新型提供了一种时分复用的超声检测网络，采用压电超声探头与光学麦克风结合的方案，结构小巧，占用空间小，超声信号由激光进行检测，并通过光纤传输到远处，具有抗电磁干扰的优点，可以适应恶劣的电磁环境；在采用多个光学麦克风后，基于时分复用方式，仅需要一个激光器，即实现较大范围的超声检测。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种时分复用的超声检测网络，其特征在于，包括激光器(1)、环形器(2)、1×N光开关(3)、光电探测器(4)、N个光学麦克风(5)、压电超声探头(6)及控制模块(10)；
所述环形器(2)包括第一端口(21)、第二端口(22)和第三端口(23)，环形器(2)的第一端口(21)与所述激光器(1)的输出端相连，第二端口(22)与1×N光开关(3)的输入端相连，第三端口(23)与光电探测器(4)的输入端相连；
所述1×N光开关(3)的输出端与N个光学麦克风(5)相连；
所述光电探测器(4)的输出端与所述控制模块(10)相连，所述控制模块(10)还分别与激光器(1)、1×N光开关(3)及压电超声探头(6)电连接；
其中，N≥1且N为整数。
2.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述压电超声探头(6)用于在工作时紧贴在被检测件表面，以在被检测件表面周期性激发出脉冲型超声波，然后再通过空气耦合到N个光学麦克风(5)中；
激光器(1)用于发射激光，并从环形器(2)的第一端口(21)进入环形器(2)，然后再从环形器(2)的第二端口(22)射出到1×N光开关(3)中；
1×N光开关(3)用于在控制模块(10)的控制下，从N个光学麦克风(5)中选择一个，使环形器(2)第二端口(22)射出的激光进入到其中；
光学麦克风(5)用于根据压电超声探头(6)在被检测件表面激发出的脉冲型超声波来调制从1×N光开关(3)第二端口(22)射出的激光，然后再将经调制后的激光反射回1×N光开关(3)，接着再经1×N光开关(3)射出到环形器(2)的第二端口(22)，最后再从环形器(2)的第三端口(23)射出到光电探测器(4)中；
光电探测器(4)用于探测从环形器(2)的第三端口(23)传输来的激光信号，并将激光信号转换为电信号后，发送至控制模块(10)中进行分析处理。
3.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，工作时，所述压电超声探头(6)紧贴在被检测件表面上，所述的N个光学麦克风(5)均匀分布在所述压电超声探头(6)的四周，且每个光学麦克风(5)均距离被检测件表面1mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述激光器(1)为半导体DFB激光器。
5.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述1×N光开关(3)为高速1×N光开关或磁1×N光开关。
6.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述光电探测器(4)为响应带宽大于50MHz的PIN光电二极管。
7.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述光学麦克风(5)为刚性的FP腔光探头。
8.根据权利要求1所述的时分复用的超声检测网络，其特征在于，所述控制模块(10)包括计算机(11)、FGPA模块(12)、放大电路(13)、模数转换电路(14)、数模转换电路(15)、激光器驱动电路(16)及压电超声探头驱动电路(17)；
所述计算机(11)与所述FGPA模块(12)电连接，所述FGPA模块(12)分别与所述模数转换电路(14)、数模转换电路(15)及1×N光开关(3)电连接，所述模数转换电路(14)与所述放大电路(13)电连接，所述放大电路(13)与光电探测器(4)电连接，所述数模转换电路(15)分别与所述激光器驱动电路(16)及压电超声探头驱动电路(17)电连接，所述激光器驱动电路(16)与所述激光器(1)电连接，所述压电超声探头驱动电路(17)与所述压电超声探头(6)电连接。
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