一种激光超声实时检测系统及方法

文档序号:25536948发布日期:2021-06-18 20:31阅读:72来源:国知局
一种激光超声实时检测系统及方法

本发明涉及激光无损检测领域,具体涉及一种热调制下的激光超声实时检测系统及方法。



背景技术:

无损检测是当下工业快速发展中不可或缺的检测手段。对金属材料,复合材料,陶瓷等构成的部件都需要进行无损检测以确定其质量合格和运行安全。无损检测技术在航空航天,医学诊断,高压容器,核反应堆,地质勘探,电力等领域都有广泛的应用。尽管常规无损检测技术较为成熟,但是在某些特殊的工程场合(高温,高压,高腐蚀,高辐射,在役检测等)是有一定的局限性。因此为弥补常规检测中存在的不足,需要探索研究新的检测方法以适应日益变化的检测环境,激光超声检测成为当下新型的检测方法就应运而生。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波,并用激光束探测超声波的传播,从而获取工件的缺陷。目前该技术的工业应用包括激光焊接焊缝质量在线监控、飞机机身搭接腐蚀检测、风力发电机叶片检测、高温陶瓷、复合材料检测、金属、电子元器件/半导体封装质量检测、种材料涂层缺陷检测等众多领域,同时该技术在各工业领域不停的发展并走向市场。

目前常规的激光超声检测,都是针对缺陷在稳定的静态下的,然而对于缺陷随着温度变化的动态检测却几乎没有,极大地限制了对工件在工作状态下的在线监测。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是如何针对金属材料或复合材料检测表面缺陷需要动态检测的要求,提供一种激光超声实时检测系统及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题:

一种激光超声实时检测系统,所述检测系统包括:

激光超声激励模块,加热模块,激光超声接收模块及控制模块,其中,

所述激光超声激励模块包括:高频脉冲激励激光器,光斑整形装置,二轴扫描振镜和聚焦镜及探测激光器,所述高频脉冲激励激光器发出脉冲激光,经过所述光斑整形装置整形后通过所述二轴扫描振镜和聚焦镜聚焦到待测工件上,所述探测激光器发射出的探测激光辐照在所述待测工件的表面上;

所述加热模块包括:加热激光器和程控箱式电炉,分别实现对所述待测工件的缺陷处局部加热和对所述待测工件的整体加热;

所述激光超声接收模块包括:分束镜,平衡接收器,电荷放大器及采集卡,所述分束镜将所述探测激光的反射光分成两束,由所述平衡接收器接收,将光信号转化为电信号,并经过所述电荷放大器将所述电信号放大后接入所述采集卡中,所述采集卡的数据端与所述控制模块中的电脑相连;

所述控制模块包括:激光控制柜和所述电脑,所述电脑与所述激光控制柜电连接,实现对所述高频脉冲激励激光器的控制。

进一步地,所述分束镜由两个呈微小夹角的反射镜组成。

进一步地,所述实现对所述高频脉冲激励激光器的控制包括:控制所述高频脉冲激励激光器的发射,停止,扫描方式和功率大小。

一种激光超声实时检测方法,所述检测方法包括:

将待测工件放置于加热模块的程控箱式电炉中;

激光超声激励模块中的高频脉冲激励激光器发出的脉冲激光通过二轴扫描振镜,最后通过聚焦镜聚焦到待测工件上进行超声激励;

所述加热模块对所述待测工件进行加热;

在所述待测工件自然冷却的过程中,激光超声激励模块中的探测激光器发出探测激光辐照在经过所述超声激励和所述加热后的所述待测工件表面上;

激光超声接收模块中的分束镜对所述探测激光的反射光分束,平衡接收器接收所述分束后的反射光并转换为电信号输入至电荷放大器中,采集卡接收所述电荷放大器的输出信号并将所述输出信号传输至控制模块的电脑中进行数据处理;

根据所述电脑处理的结果,通过与所述电脑电连接的激光控制柜对所述高频脉冲激励激光器进行实时调节,实现对所述待测工件的实时检测。

进一步地,所述加热模块中的加热激光器对所述待测工件的缺陷处进行局部加热或所述加热模块中的程控箱式电炉通过设定温度对所述待测工件进行整体加热。

更进一步地,所述加热模块对所述待测工件进行加热还包括:在所述程控箱式电炉通过设定温度对所述待测工件进行整体加热的同时通过所述加热激光器对所述待测工件的缺陷处进行局部加热。

在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于:使用程控箱式电炉与加热激光器结合,可

以研究高温条件下声速、衰减系数的变化;采用高频脉冲激光器,工作效率更高更适合工业使用;采用平衡接收器接收信号,非接触式接收,不需要耦合剂;使用加热激光器针对缺陷加热,实时监测温度对裂纹的影响;采用的平衡接收器接收光信号相比普通的光学干涉仪价格低廉,便于携带。

附图说明

图1为本发明一种激光超声实时检测系统及方法一实施例中的系统结构框图;

图2为本发明一种激光超声实时检测系统及方法一实施例中的实时检测方法流程图;

图3为本发明一种激光超声实时检测系统及方法一实施例中与待测工件中缺陷实时变化相对应的超声信号图。

具体实施方式

为了便于理解本申请,下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是,本申请可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图2所示为本发明一实施例中的实时检测方法流程图:

s01:将待测工件放置于加热模块的程控箱式电炉中;

在一个示例中,如图1所示在加热模块200的程控箱式电炉202中放入待测工件203,所述待测工件203为a4纸大小、2cm厚的铝块。

s02:激光超声激励模块中的高频脉冲激励激光器发出的脉冲激光通过二轴扫描振镜,最后通过聚焦镜聚焦到待测工件上进行超声激励;

在一个示例中,如图1所示激光超声激励模块100中的高频脉冲激励激光器101发出功率为1mj的高频脉冲激光,通过光斑整形装置102以及二轴扫描振镜和聚焦镜103在所述加热模块200中的待测工件203的表面形成半径为0.5mm的光斑。所述高频脉冲激励激光器101的频率可达到可达到30khz,在保证一定信噪比的超声信号同时,可以完成更高效率的检测,相比于传统的只有10-20khz的激光器更适合在工业中,可通过控制模块400中的激光控制柜402控制激光功率百分比,在发生热弹效应的前提下调高信噪比,所述两轴扫描振镜和聚焦镜103可在二维平面中实现x、y轴的移动,从而实现激光照射位置的定位以及扫描路径的实现,通常情况下所述激光超声激励模块100的激励探头距离加热模块200中的待测工件203的表面的距离约4cm左右。

s03:所述加热模块对所述待测工件进行加热;

在一个可选的示例中,如图1所示加热模块200中的加热激光器201发射出波长为532nm的连续激光对待测工件203的缺陷处进行局部加热,研究温度局部变化时对缺陷的实时影响。

在一个可选的示例中,如图1所示加热模块200中的程控箱式电炉202调节温度保持在300摄氏度,对待测工件203进行整体加热,研究高温对材料的声速、衰减系数的影响。

在一个可选的示例中,如图1所示加热模块200中的程控箱式电炉202在设置温度实现对所述待测工件203进行整体加热的同时也使用加热激光器201发射激光对所述待测工件203的缺陷处进行局部加热。

s04:在所述待测工件自然冷却的过程中,激光超声激励模块中的探测激光器发出探测激光辐照在经过所述超声激励和所述加热后的所述待测工件表面上;

在一个示例中,当上述加热过程结束后,在待测工件203自然冷却的过程中,如图1所示激光超声激励模块100中的探测激光器104输出波长为638nm的连续激光照射到待测工件203的表面上。

s05:激光超声接收模块中的分束镜对所述探测激光的反射光分束,平衡接收器接收所述分束后的反射光并转换为电信号输入至电荷放大器中,采集卡接收所述电荷放大器的输出信号并将所述输出信号传输至控制模块的电脑中进行数据处理;

在一个示例中,如图1所示经过待测工件203反射后,探测激光的反射光将携带待测工件203的缺陷特征信息经过激光超声接收模块300中的分束镜301传送到平衡接收器中302。所述分束镜301是由两个呈微小夹角的反射镜组成,可以把反射的探测激光分为两束光传送到平衡接收器302中。所述平衡接收器302是根据待测工件203若含有缺陷,经过超声激励后,反射回来的探测激光会发生偏转,平衡接收器302接收到的两束光的光通量会发生变化,从而将光通量的差值转变为电信号,所转化的电信号十分微弱需要传输至电荷放大器303中对所述电信号进行放大,放大后的电信号通过采集卡304中将数据传输至控制模块400中的电脑401中进行数据处理和分析。

s06:根据所述电脑处理的结果,通过与所述电脑电连接的激光控制柜对所述高频脉冲激励激光器进行实时调节,实现对所述待测工件的实时检测。

在一个示例中,如图1所示控制模块400中的电脑401对接收的数据进行滤波降噪处理,并根据处理结果通过激光控制柜402对激光超声激励模块100中的高频脉冲激励激光器101进行实时调整,所做的调整包括:控制高频脉冲激励激光器101的发射,停止,扫描方式及功率的大小。

如图3所示为本发明一实施例中的与待测工件中缺陷实时变化相对应的超声信号图,从图中可以看出检测到的待测工件的超声信号包括超声激励后的直达表面波r、反射表面波rr的位移幅值以及到达时间。随着待测工件中缺陷经过受热后产生动态变化,反射表面波rr的位移幅值以及到达时间也会实时产生变化,从而实现了对待测工件中缺陷动态实时检测的要求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

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