RU2653123C1

RU2653123C1 - Method of repetitively-pulsed laser-ultrasonic check of solid materials and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2653123C1
Application number: RU2017123111A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Карабутов; Елена Борисовна Черепецкая; Антон Сергеевич Бычков; Елена Александровна Миронова; Николай Андреевич Морозов; Павел Николаевич Иванов; Иван Александрович Шибаев; Иван Евгеньевич Сас; Василий Павлович Зарубин
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2018-05-07

Abstract

FIELD: defectoscopy.

SUBSTANCE: using for non-destructive material testing by ultrasonic methods. Summary of the invention is that are carried out generation of a series of optical pulses, converting them into acoustic signals, radiation of the received signals into the material under study, excitation of longitudinal and shear waves in a near-surface layer of the material under study, reception of echoed signals by a receiver made in the form of an array assembled from local piezoelectric elements, processing the received signals in real time in digital form with maintaining their phases, while generating a series of optical pulses in the range from 10 Hz to 100 kHz, and scanning is performed through the array of optically transparent piezoelectric elements, an acoustic impedance of which is matched to an acoustic impedance of an optical-acoustic generator.

EFFECT: providing the possibility of carrying out with a unilateral access mode to a sample of reliable laser-ultrasonick check, which possesses high resolution and high sensitivity.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковыми методами и может быть использовано для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и определения их геометрических размеров.The present invention relates to the field of non-destructive testing of materials by ultrasonic methods and can be used to identify structural heterogeneities in the studied objects and determine their geometric dimensions.

Известен «ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП», принцип работы которого основан на генерации лазерного импульса, преобразовании его в пластине оптико-акустического генератора в акустический сигнал, излучении акустического сигнала в исследуемую среду и принятии отраженного сигнала пьзоприемником (RU 2381496, опубликовано 10.02.2010 г., бюл. №4). Недостатками данного технического решения являются необходимость перемещения устройства относительно исследуемой поверхности.The well-known "LASER-ULTRASONIC DEFECTOSCOPE", the principle of which is based on the generation of a laser pulse, converting it in the plate of an optical-acoustic generator into an acoustic signal, emitting an acoustic signal into the medium under study and receiving the reflected signal by a piezo detector (RU 2381496, published 02.10.2010, Bulletin No. 4). The disadvantages of this technical solution are the need to move the device relative to the investigated surface.

Наиболее близким к предлагаемому авторами техническому решению является «СПОСОБ ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» (RU 2232983, опубликовано 20.07.204 г., бюл. №20), при котором осуществляют генерацию оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в исследуемую среду и прием отраженного акустического сигнала пьезоэлементом, причем акустический импульс генерируют с помощью двустороннего распределенного оптико-акустического преобразователя, а отраженный сигнал принимают решеткой из локальных пьезоприемников, расположенных либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым материалом, либо с обратной стороны преобразователя, при этом сигнал, поступающий с решетки пьезоприемников, обрабатывают в реальном масштабе времени. Так же предлагается устройство для осуществления данного способа.Closest to the technical solution proposed by the authors is “METHOD OF LASER-ACOUSTIC CONTROL OF SOLID MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION” (RU 2232983, published July 20, 204, Bulletin No. 20), in which an optical pulse is generated and converted into an acoustic pulse signal, the emission of this signal into the test medium and the reception of the reflected acoustic signal by a piezoelectric element, and the acoustic pulse is generated using a two-way distributed optical-acoustic transducer, and the reflected th signal is received from the local grating piezoreceiver disposed either between the optical-acoustic transducer and the test material or with the back side of the transducer, the signal from the piezoelectric lattice is treated in real time. A device for implementing this method is also provided.

Недостатком данного способа является необходимость использования высокоскоростной системы регистрации электрических сигналов с пьезоприемников и высокий уровень шумов за счет наличия переотраженных от элементов решетки сигналов.The disadvantage of this method is the need to use a high-speed system for recording electrical signals from piezoelectric receivers and a high noise level due to the presence of signals reflected from the lattice elements.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости сканирования при повышении его точности. Технический результат достигается за счет того, что генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку, составленную из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора.The technical result of the invention is to increase the scanning speed while increasing its accuracy. The technical result is achieved due to the fact that the generation of a series of optical pulses is carried out in the range from 10 Hz to 100 kHz, and scanning is performed through a grating composed of optically transparent piezoelectric elements, the acoustic impedance of which is consistent with the acoustic impedance of the optical-acoustic generator.

Реализация предлагаемого изобретения показана на Фиг. 1, где 1 - лазер, 2 - система доставки луча, 3 - линза, 4 - оптические лучи, 5 - решетка, оптико-акустический преобразователь, 7 - исследуемый образец, 8 - пьезоприемники, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - проводная связь, 11 - вычислительное устройство, и осуществляется следующим образом. Лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме с изменяющейся частотой следования импульсов от 10 Гц до 100 кГц, связан посредством системы доставки луча, например, оптико-волоконным кабелем с линзой, генерирует оптические импульсы. Оптические лучи прошедшие через решетку, составленную из оптически прозрачных пьезоэлементов, попадают на оптико-акустический преобразователь. Преобразование оптических сигналов в акустические сигналы, которые поступают в исследуемый образец, осуществляется в оптико-акустическом преобразователе. Обертоны полученных с его помощью акустических волн с сохранением их фазы принимают пьзоприемники 8, из которых составлена решетка.The implementation of the invention is shown in FIG. 1, where 1 is a laser, 2 is a beam delivery system, 3 is a lens, 4 is an optical beam, 5 is a grating, an optical-acoustic transducer, 7 is a test sample, 8 is a piezo receiver, 9 is an analog-to-digital transducer, 10 is a wire communication, 11 - computing device, and is as follows. A laser operating in a pulsed-periodic mode with a changing pulse repetition rate from 10 Hz to 100 kHz is connected by means of a beam delivery system, for example, an optical fiber cable with a lens, generates optical pulses. Optical rays transmitted through a grating composed of optically transparent piezoelectric elements fall on an optical-acoustic transducer. The conversion of optical signals into acoustic signals that enter the test sample is carried out in an optical-acoustic transducer. The overtones of the acoustic waves obtained with its help, while maintaining their phase, are received by the piezoelectric detectors 8 of which the lattice is composed.

Данные элементы связаны с аналого-цифровым преобразователем при помощи проводной связи, которая обеспечивает надежное соединение с минимальным уровнем потерь мощности электрических сигналов, полученных при взаимодействии акустических волн с пьезоприемниками. Преобразованные в цифровую форму сигналы передаются на вычислительное устройство, например, персональный компьютер, для построения двухмерной модели структуры исследуемого материала.These elements are connected to an analog-to-digital converter using a wired connection, which provides a reliable connection with a minimum level of power loss of electrical signals obtained by the interaction of acoustic waves with piezoelectric receivers. The signals converted to digital form are transmitted to a computing device, for example, a personal computer, to build a two-dimensional model of the structure of the material under study.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из импульсного лазера, системы доставки луча, например, оптико-волоконного кабеля, фокусирующей линзы, решетки, составленной из оптически прозрачных пьезоэлементов, совмещенной с оптико-акустическим преобразователем. Преобразователь представляет собой пластину из материала с подходящими акустическими свойствами, толщина которой определяется из выражения В=3α^-1, где α^-1 - коэффициент поглощения лазерного излучения, и составляет примерно 1 мм. Часть устройства, включающая фокусирующую линзу, решетку и оптико-акустический преобразователь помещается на поверхность исследуемого материала и фиксируется относительно известного местоположения, для чего в его составе могут быть использованы дополнительные приспособления.A device for implementing the proposed method consists of a pulsed laser, a beam delivery system, for example, an optical fiber cable, a focusing lens, an array composed of optically transparent piezoelectric elements combined with an optical-acoustic transducer. The transducer is a plate made of a material with suitable acoustic properties, the thickness of which is determined from the expression B = 3α ^-1 , where α ^-1 is the absorption coefficient of laser radiation, and is approximately 1 mm. A part of the device, including a focusing lens, a grating, and an optical-acoustic transducer is placed on the surface of the material under study and is fixed relative to a known location, for which additional devices can be used in its composition.

Кроме того, в состав устройства входит аналого-цифровой преобразователь, провода связи пьезоэлементов, составляющих решетку, и выше указанного преобразователя, а так же связанное с ним вычислительное устройство. Решетка с линзой может быть объединена в общий корпус.In addition, the device includes an analog-to-digital converter, communication wires of the piezoelectric elements making up the grating, and above the specified converter, as well as a computing device associated with it. Lattice with a lens can be combined into a common housing.

Устройство работает следующим образом. Импульсный лазер генерирует световые импульсы определенной энергии с частотой в заданном диапазоне. После их передачи по системе доставки луча на фокусирующую линзу, лучи проходят через оптически прозрачную решетку и попадают на оптико-акустический преобразователь. При поглощении лазерных импульсов за счет нестационарного теплового расширения возбуждаются акустические импульсы. Акустические импульсы, распространяются в глубь исследуемой среды от поверхности исследуемого материала и отражаются от искомых неоднородностей (дефектов), отраженные волны регистрируются решеткой, составленной из пьезоэлементов, преобразуются в электрические импульсы и передаются на аналого-цифровой преобразователь. Усиленные сигналы обрабатываются вычислительным устройством, с получением в итоге двумерного изображения исследуемого материала.The device operates as follows. A pulsed laser generates light pulses of a certain energy with a frequency in a given range. After they are transmitted through the beam delivery system to the focusing lens, the rays pass through an optically transparent grating and fall on an optical-acoustic transducer. When laser pulses are absorbed due to non-stationary thermal expansion, acoustic pulses are excited. Acoustic pulses propagate deep into the medium under study from the surface of the material under study and are reflected from the desired inhomogeneities (defects), reflected waves are detected by a lattice composed of piezoelectric elements, converted into electrical pulses and transmitted to an analog-to-digital converter. Amplified signals are processed by a computing device, resulting in a two-dimensional image of the material under study.

Так как материал, из которого изготовлены пьезоэлементы, составляющие решетку, является оптически прозрачным и согласован по акустическому импедансу с материалом оптико-акустического генератора, то на границе их раздела не возникает переотраженных сигналов. Как следствие этого, не образуются дополнительные шумы и, соответственно, повышается точность определения местоположения дефектных участков.Since the material from which the piezoelectric elements making up the lattice are made is optically transparent and matched in acoustic impedance to the material of the opto-acoustic generator, no reflected signals appear at the interface. As a consequence of this, additional noise is not generated and, accordingly, the accuracy of determining the location of defective areas is increased.

Повышение частоты работы лазера приводит к увеличению числа реализаций, по которым производится усреднение результатов исследования. Это позволяет при той же самой скорости сканирования повысить его точность, либо сохраняя требуемый уровень точности исследования, повышать скорость сканирования.An increase in the frequency of laser operation leads to an increase in the number of realizations by which the research results are averaged. This allows, at the same scanning speed, to increase its accuracy, or while maintaining the required level of research accuracy, to increase the scanning speed.

Таким образом, данное техническое решение позволяет достигнуть заявляемый технический результат, а все признаки, отличающие предлагаемое изобретение необходимы и достаточны для его осуществления.Thus, this technical solution allows to achieve the claimed technical result, and all the features that distinguish the invention are necessary and sufficient for its implementation.

Claims

1. The method of laser-acoustic control of solid materials, including the generation of a series of optical pulses, converting them into acoustic signals, emitting the received signals into the test material, excitation of longitudinal and shear waves in the surface layer of the test material, receiving the reflected signals by a receiver made in the form of a grating, assembled from local piezoelectric elements, processing the received signals in real time in digital form with preserving their phases, characterized in that the generation of the series is optically pulses are carried out in the range from 10 Hz to 100 kHz, and scanning is performed through a grating of optically transparent piezoelectric elements, whose acoustic impedance is matched with the acoustic impedance of the optical-acoustic generator.

2. A device for implementing the method, consisting of a pulsed laser connected via an optical fiber cable with an expanding lens, an optical-acoustic transducer located on the surface of the object under study, a piezoelectric receiver in the form of a lattice of local piezoelectric elements, an analog-to-digital converter and a computing device, characterized the fact that the piezoelectric elements of which the lattice is made are made of optically transparent material matched by acoustic impedance with optical-acoustic kim generator.