专利名称：一种流-固耦合光偏转探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光偏转探测装置，特别是一种用于测量流-固界面上激光超声波 的流-固耦合光偏转探测装置。
背景技术：
从20世纪30年代开始发展起来的流-固界面上超声波的研究，对超声无损探伤 技术的发展产生了重要的推动作用。现有在流-固界面上激发和接收超声波的方法是采用 声换能器作为超声波的激发和接收装置，这种方法虽然极为简单，但激发出的超声波频率 较低，声换能器必须通过耦合剂紧贴在流-固界面上，无法实现非接触探测，并且声换能器 处于超声波场中往往干扰着超声波的探测。随着激光超声理论及技术的发展，1997年C. Desmet等人在OpticsLetters， 22(2),69中报道了一种流-固界面上超声波的全光系统。该系统采用短脉冲激光作为 流-固界面上超声波的激发源，并采用光偏转技术探测流-固界面上超声波的表面速度信 号。该系统中的光偏转技术是利用流-固界面上超声波沿界面传播时，界面的形状改变，导 致经界面反射的探测光束位置或强度变化来实现的。这种探测技术常用于探测沿处于真 空中的固体材料表面传播的声表面波，对比上述解决方案有明显的优点，但由于该系统中 流体的存在，流-固界面上超声波的传播往往引起流体中折射率的变化，这也将导致穿过 流体的探测光束的位置或强度发生变化，因此这种光偏转技术探测到的超声波信号包括两 部分界面形变和探测光路上超声波引起流体折射率的变化，因而测量存在比较大的误差。 同时该系统只能得到流-固界面上超声波传播到某一点的时域信号，而不能对界面进行扫 描，也不能得到流-固界面上超声波沿界面传播过程中不同位置的时域信号，另外该系统 的缺点是低频灵敏度低，要求流-固界面是镜面反射，且实践中又无法实现，所以不利于该 系统的推广应用。2000年C. Mattei等人报道了另一种系统。该系统采用声换能器在流-固 界面上激发超声波，并采用光学干涉仪探测超声波信号。该系统虽然克服了上述测量不准 确的缺点，但由于容易受到环境影响，不能对界面进行扫描，同时用于探测的光学干涉仪灵 敏度低、成本很高，所以不利于该系统的推广应用。如何解决现有技术存在的缺点已成为现 有光偏转探测技术领域亟待解决的重大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点而提供一种测量精度高、扫描速度 快，能够对流-固界面上激光激发的超声波进行一维扫描探测，而且造价低的流-固耦合光 偏转探测装置。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种流-固耦合光偏转探测装置， 它包括脉冲激光器、分光镜、电控平移架、三棱镜、柱面凸透镜、固体材料、透明容器、光电二 极管、数字示波器、电子计算机，脉冲激光器发出的激光束经分光镜反射部分光到光电二极 管上，其余的光经三棱镜、柱面凸透镜入射到透明容器中的固体材料表面，光电二极管输出端与数字示波器的接收端相连，数字示波器的输出端与电子计算机相连，其特征在于由 He-Ne激光器、聚焦透镜、位置敏感器组成接收传感器，He-Ne激光器出射的探测光束平行 于柱面凸透镜穿过固体材料表面，由聚焦透镜聚焦至位置敏感器上，位置敏感器的输出端 与数字示波器的另一个接收端相连，三棱镜和柱面凸透镜固定在由电子计算机控制的电控 平移架上。 本发明是利用短脉冲激光器在流-固界面上激发出高频率超声波，用由He-Ne激 光器、聚焦透镜、位置敏感器组成的接收传感器来接收超声波，采用固定接收传感器，激发 源移动扫描的方式，实现在流-固界面上的快速一维扫描，探测到的超声波信号传输至电 子计算机中。其具体探测原理是脉冲激光器发出的激光束，经分光镜反射部分光到光电二 极管上，由光电二极管转化为电信号，输入数字示波器中，作为数字示波器的触发信号，其 余的光经三棱镜和柱面凸透镜聚焦成线激发源后，入射到放置在装满流体材料的透明容器 中的固体材料表面上，在固体材料表面激发出超声波，并沿固体材料表面传播至探测点位 置，由于沿固体材料表面传播的超声波会引起周围流体的折射率发生微小变化，折射率的 变化与超声波的压强成正比，此时，垂直超声波传播路径，平行固体材料表面穿过超声波场 的由He-Ne激光器发出的探测光束发生偏转，偏转的角度和折射率的变化有关，那么探测 光束的偏转与超声波的压强有关，探测光束经聚焦透镜聚焦至位置敏感器上，位置敏感器 测定探测光束的偏转，并将其转化为电信号，再经数字示波器传输到电子计算机上。用于固 定三棱镜和柱面凸透镜的电控平移架由计算机控制，可以实现激发线源的一维平移。本发明与现有技术相比其显著的优点是第一，探测精度高，对材料界面的要求不 高，适于探测粗糙界面上超声波；第二，探测灵敏度高；第三，结构简单，成本显著降低(达 70%以上)；第四，通过采用固定三棱镜和柱面凸透镜的电控平移架进行激发源的一维平 移，实现了在流-固界面上的快速一维扫描，得到超声波沿流-固界面传播过程中不同位置 处超声波信号的序列图。本发明可广泛用于流-固界面以及透明材料内超声波的探测。
附图是根据本发明提出的流-固耦合光偏转探测装置的结构原理示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细描述。参照附图，根据本发明提出的流-固耦合光偏转探测装置，由激光器1、分光镜2， 电控平移架3，三棱镜4，柱面凸透镜5，固体材料6、透明容器7、He-Ne激光器8、聚焦透镜 9、位置敏感器10、光电二极管11、数字示波器12、电子计算机13组成。其中，由脉冲激光器 1、分光镜2、电控平移架3、三棱镜4、柱面凸透镜5、固体材料6和透明容器7组成流-固界 面上超声波的激发部分，由He-Ne激光器8、聚焦透镜9、位置敏感器10、光电二极管11、数 字示波器12和电子计算机组成流-固界面上超声波的探测部分。脉冲激光器1采用短脉冲 激光器，其输出波长为1064nm、脉宽10ns、其单脉冲输出能量为70mJ。分光镜2、三棱镜4与 柱面凸透镜5依次设置在同一光路上，在分光镜2的反射光路上设置有光电二极管11。脉 冲激光器1发出的激光束经分光镜2反射的部分光由光电二极管11接收，并转化为电信号 传输至数字示波器12，作为数字示波器12的启动记录的触发信号，数字示波器12的型号是4Tektronix THS730A。其余的光经三棱镜4后，再经柱面凸透镜5聚焦成长10mm、宽300um 的线光源，入射到放置在装满流体材料的透明容器7中的固体材料6表面上，在固体材料6 表面上激发出超声波，柱面凸透镜5的焦距为100mm，固体材料6是长15cm、宽IOcm的金属 板；透明容器7是长40cm、宽40cm的透明玻璃容器。三棱镜4与柱面凸透镜5是固定在一 个精密电控平移架3上，精密电控平移架3为制式成品，是采用超精密滚珠螺杆传动及线性 滑块导轨结构，可以在一维方向高精度移动。精密电控平移架3通过带动三棱镜4与柱面凸 透镜5的整体平移，可以实现激发源的一维扫描。超声波的接收传感器是由He-Ne激光器 8、聚焦透镜9、位置敏感器10组成。He-Ne激光器8的输出波长为632. 8nm、功率为5mW，其 出射的连续He-Ne激光作为探测光束，平行于柱面凸透镜5穿过固体材料6表面。当脉冲激 光器1发出的光在放置于装满流体的透明容器7中的固体材料6表面上激发超声波时，超 声波沿固体材料6表面传播至He-Ne激光器8的探测点，由于超声波导致固体材料附近流 体的折射率发生微小变化，折射率的变化与超声波压强成正比，那么垂直超声波传播路径， 平行固体材料表面穿过超声波场的由He-Ne激光器发出的探测光束发生偏转，偏转的角度 和折射率的变化有关，那么探测光束的偏转与超声波的压强有关，探测光束经聚焦透镜9 聚焦至位置敏感器10上，由位置敏感器10测定偏转的角度，并将其转化为电信号接入到数 字示波器12，再传输到电子计算机13，位置敏感器10的测量精度为0. lum。上述的固体材 料6作为被测对象，可采用透明材料玻璃等，也可以采用不透明的金属或半导体材料。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
权利要求
1.一种流-固耦合的光偏转探测装置，它包括脉冲激光器[1]、分光镜[2]、电控平移架 [3]、三棱镜W]、柱面凸透镜[5]、固体材料W]、透明容器[7]、光电二极管[11]、数字示波 器[12]、电子计算机[13]，脉冲激光器[1]发出的光源经分光镜[2]反射部分光到光电二 极管[11]上，其余的光经三棱镜W]、柱面凸透镜[5]入射到透明容器[7]中的固体材料 [6]表面，光电二极管[11]输出端与数字示波器[12]的接收端相连，数字示波器[12]的 输出端与电子计算机[13]相连，其特征在于由He-Ne激光器[8]、聚焦透镜[9]、位置敏感 器[10]组成接收传感器，He-Ne激光器[8]出射的探测光束穿过固体材料[6]表面，由聚 焦透镜[9]聚焦至位置敏感器[10]上，位置敏感器[10]的输出端与数字示波器[12]的另 一个接收端相连，三棱镜[4]和柱面凸透镜[5]固定在由电子计算机[13]控制的电控平移 架[3]上。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于固体材料6为透明材料。
3.根据权利要求1或2所述的探测装置，其特征在于固体材料6为不透明的金属或半 导体材料。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量流-固界面上激光超声波的流-固耦合光偏转探测装置，它包括脉冲激光器、分光镜、电控平移架、三棱镜、柱面凸透镜、固体材料、透明容器、光电二极管、数字示波器、电子计算机，其特征是由He-Ne激光器、聚焦透镜、位置敏感器组成接收传感器，He-Ne激光器出射的探测光束平行于柱面凸透镜穿过固体材料表面，由聚焦透镜聚焦至位置敏感器上，位置敏感器的输出端与数字示波器的接收端相连，三棱镜和柱面凸透镜固定在由电子计算机控制的电控平移架上。本发明具有造价低、测量精度高、扫描速度快，能够对流-固界面上激光激发的超声波进行一维扫描探测。本发明广泛用于流-固界面以及透明材料内超声波的探测。
文档编号G01H9/00GK102052962SQ20091021316
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者倪晓武, 崔一平, 沈中华, 赵艳, 陆建 申请人:南京理工大学