CN215931767U - 一种激光与电磁相结合的超声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光与电磁相结合的超声换能器，包括：外壳内部中空、下端开口，上端具有入光口；能量吸收晶片密封外壳下端端口；光学聚焦镜布置于入光口内；光学约束镜按预设角度布置于外壳内，并位于光学聚焦镜的下方；能量吸收层以镀膜的方式镀在能量吸收晶片的底部；电磁声换能器布置于外壳内；光纤的一端与电磁声换能器相连，另一端与上位机相连。有益效果是：将激光技术和电磁技术相结合的超声信号收发换能器，无需耦合剂，无需与被检查表面接触，有效的弥补了传统压电超声换能器技术的短板；解决了高温、高压、强腐蚀和辐射等恶劣环境下远距离危险环境的检测、高温状态检测，具有非接触、抗干扰、无需耦合剂、超声信号收发效果好等特点。

Description

一种激光与电磁相结合的超声换能器

技术领域

本实用新型涉及激光无损检测技术领域，具体涉及一种激光与电磁相结合的超声换能器。

背景技术

传统超声无损检测设备，超声信号收发端使用的大多是压电超声换能器，使用时需要在压电超声换能器接触端涂抹耦合剂，再将压电超声换能器紧紧贴在被检测工件表面，才能产生效果，而在对蒸汽管道、高压电网、化工设备、锅炉等进行超声无损检测时，大多是在高温、高压、强腐蚀和辐射恶劣环境中，耦合剂会迅速挥发，压电超声换能器无法与被检测表面紧贴，从而达不到效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种激光与电磁相结合的超声换能器，以克服上述现有技术中的不足。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光与电磁相结合的超声换能器，包括：

外壳，其内部中空、下端开口，上端具有入光口；

能量吸收晶片，其密封外壳下端端口；

光学聚焦镜，其布置于入光口内；

光学约束镜，其按预设角度倾斜布置于外壳内，并位于光学聚焦镜的下方；

能量吸收层，其以镀膜的方式全覆盖在能量吸收晶片的底部；

电磁声换能器，其布置于外壳；

光纤，其一端与电磁声换能器相连，另一端与上位机相连。

本实用新型的有益效果是：

1)将激光技术和电磁技术相结合的超声信号收发换能器，无需耦合剂，无需与被检查表面接触，有效的弥补了传统压电超声换能器技术的短板；

2)解决了高温、高压、强腐蚀和辐射等恶劣环境下远距离危险环境的检测、高温状态检测，具有非接触、抗干扰、无需耦合剂、超声信号收发效果好等特点；

3)装置满足自动、高速检测。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，外壳的材质为高强度铝合金材料，且其表面具有防腐抗氧化镀层。

采用上述进一步的有益效果为：可以有效的对内部器件进行保护。

进一步，光学聚焦镜为高精度光学聚焦透镜。

采用上述进一步的有益效果为：使得激光光束能够有效聚焦后照射于光学约束镜上。

进一步，光学约束镜为石英玻璃。

采用上述进一步的有益效果为：光学约束镜的作用分为两点，分别为：一、通过光学手段将激光引导至能量吸收晶片，使其进行激光超声的激发；二、通过光学固件将能量吸收层固定在约束层，使得激光激发出的超声波信号由于机械装置的约束，将其信号全部向试件中传播，减小信号的损耗；因此在选择光学约束镜的材质时应主要考虑材料的光学折射率以及机械特性，基于上述两个因素，所以选择石英玻璃作为光学约束镜。

进一步，石英玻璃的尺寸为

进一步，光学约束镜布置于外壳内的倾斜角度为15°～35°。

进一步，能量吸收层为金属铬层。

采用上述进一步的有益效果为：能量吸收晶片的作用主要是吸收激光能量，并激发出超声波信号，考虑到材料对激光能量的吸收率以及热膨胀系数，金属铬具有极强的能量传导属性，能量转换损耗微小，所以选取金属铬层作为能量吸收层。

进一步，金属铬层的厚度为1nm～200nm。

采用上述进一步的有益效果为：金属铬层的厚度会影响激光激发出超声波形信号的幅值，膜层的厚度超过μm级后，会影响信号的传播，金属膜层过薄时，会造成金属铬的流失，不适于重复检测，因此，最终选择金属铬层的厚度为1nm～200nm。

附图说明

图1为本实用新型所述激光与电磁相结合的超声换能器的电路图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、外壳，110、入光口，2、能量吸收晶片，3、光学聚焦镜，4、光学约束镜，5、电磁声换能器，6、光纤，7、能量吸收层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，一种激光与电磁相结合的超声换能器，包括：

外壳1、能量吸收晶片2、光学聚焦镜3、光学约束镜4、能量吸收层7、电磁声换能器5和光纤6；

外壳1为内部中空、下端开口的结构，外壳1的上端具有入光口110；

能量吸收晶片2密封外壳1下端端口；

光学聚焦镜3布置于入光口110内；

光学约束镜4按预设角度倾斜布置于外壳1内，并且光学约束镜4位于光学聚焦镜3的下方；

能量吸收层7则以镀膜的方式全覆盖镀在能量吸收晶片2的底部；

电磁声换能器5布置于外壳1内；

光纤6的一端与电磁声换能器5相连，光纤6的另一端与上位机相连。

超声换能器工作原理为：激光光束经由入光口110上照射在光学聚焦镜3上，通过光学聚焦镜3聚焦，聚焦光源通过光学约束镜4折射后照射到能量吸收晶片2上，激发产生超声波，超声波透过能量吸收晶片2传输到试件内部，进行检测，从试件中反射回的信号透过能量吸收晶片2在光学约束镜4中进行传播，并被电磁声换能器5接收，然后通过光纤6传送到上位机上进行信号的采集以及后续处理。

电磁声换能器5在接收超声波时，响应于声压作用力使体积元在恒磁场中振动，因此受力为振动速度，此力使带电质点运动产生电流密度的交变电流即涡流，该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势(感应的交变电流)作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频率，其大小则随磁场的增大而增加。

实施例2

如图1所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：

外壳1的材质为高强度铝合金材料，且其表面具有防腐抗氧化镀层，可以有效的对内部器件进行保护。

实施例3

如图1所示，本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：

光学聚焦镜3为高精度光学聚焦透镜，表面镀膜符合激光超声无损检测波长，激光入射聚焦后的光斑直径可达到微米级。

实施例4

如图1所示，本实施例为在实施例1或2或3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：

光学约束镜4的作用分为两点，分别为：

一、通过光学手段将激光引导至能量吸收晶片2，使其进行激光超声的激发；

二、通过光学固件将能量吸收晶片2固定在外壳1底部，使得激光激发出的超声波信号由于机械装置的约束，将其信号全部向试件中传播，减小信号的损耗；

因此在考虑光学约束层材质的选择时，主要考虑的是材料的光学折射率以及机械特性，基于上述两个因素，选择石英玻璃作为光学约束镜4。

石英玻璃的尺寸为

(直径X厚度)。

通常情况下，光学约束镜4布置于外壳1内的倾斜角度为15°～35°。

实施例5

如图1所示，本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：

能量吸收晶片2的作用主要是吸收激光能量，并激发出超声波信号，考虑到材料对激光能量的吸收率以及热膨胀系数，金属铬具有极强的能量传导属性，能量转换损耗微小，所以选取金属铬层作为能量吸收层7，金属铬层的厚度会影响激光激发出超声波形信号的幅值，膜层的厚度超过μm级后，会影响信号的传播，金属膜层过薄时，会造成金属铬的流失，不适于重复检测，因此，最终选择1nm～200nm的金属铬层作为能量吸收层7，并通过镀膜的方式将金属铬全镀覆盖镀在能量吸收晶片2的底部。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，包括：

外壳(1)，其内部中空、下端开口，上端具有入光口(110)；

能量吸收晶片(2)，其密封所述外壳(1)下端端口；

光学聚焦镜(3)，其布置于入光口(110)内；

光学约束镜(4)，其按预设角度倾斜布置于外壳(1)内，并位于光学聚焦镜(3)的下方；

能量吸收层(7)，其以镀膜的方式全覆盖镀在能量吸收晶片(2)的底部；

电磁声换能器(5)，其布置于所述外壳(1)内；

光纤(6)，其一端与电磁声换能器(5)相连，另一端与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述外壳(1)的材质为高强度铝合金材料，且其表面具有防腐抗氧化镀层。

3.根据权利要求1所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述光学聚焦镜(3)为高精度光学聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述光学约束镜(4)为石英玻璃。

5.根据权利要求4所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述石英玻璃的尺寸为

6.根据权利要求4或5所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述光学约束镜(4)布置于外壳(1)内的倾斜角度为15°～35°。

7.根据权利要求1所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述能量吸收层(7)为金属铬层。

8.根据权利要求7所述的一种激光与电磁相结合的超声换能器，其特征在于，所述金属铬层的厚度为1nm～200nm。

Images