激光超声检测装置

1.本实用新型涉及超声波探伤技术领域，尤其涉及一种激光超声检测装置。


背景技术：

2.激光超声检测技术是一门新兴交叉学科，综合了热学、光学、声学、材料学等学科，目前广泛应用在精密机械、航天航空等领域，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，从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷和材料参数等。
3.激光超声检测系统一般由发射系统和接收系统组成，接收系统主要通过光电探测器接受超声波信号，例如，通过外插干涉仪、共焦f
‑
p干涉仪、相位共轭干涉仪、双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉仪等接收超声波信号。
4.光电探测器所接收的信号很弱，并且常常夹杂在其他噪声当中，因此要取得这样微弱的信号，首先要进行预处理，将噪声滤除掉，将信号放大后再进行研究。信号处理部分主要由光电转换器、前置放大电路、滤波及主放大电路组成。因此，现有的激光超声检测系统结构复杂，成本高，操作复杂。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种激光超声检测装置，用以解决现有技术中激光检测装置结构复杂，成本高、操作复杂的缺陷。
6.本实用新型提供一种激光超声检测装置，包括：激光器、凸透镜、第一超声波传感器、第二超声波传感器和示波器；
7.所述凸透镜的入射端与所述激光器的发射端相对，所述凸透镜的出射端用于与待测工件相对；
8.所述第一超声波传感器和所述第二超声波传感器均与所述示波器连接；所述第一超声波传感器和所述第二超声波传感器用于设于所述待测工件上。
9.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述凸透镜为平凸透镜；
10.所述平凸透镜的凸面与所述激光器的发射端相对，所述平凸透镜的平面用于与所述待测工件相对。
11.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述激光超声检测装置还包括平凹透镜；
12.所述平凹透镜的凹面与所述激光器的发射端相对，所述平凹透镜的平面与所述平凸透镜的凸面相对，所述平凹透镜的光轴与所述平凸透镜的光轴重合。
13.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述平凸透镜的焦距为100～200mm，所述平凸透镜的直径为30～60mm；所述平凹透镜的焦距为30～60mm，所述平凹透镜的直径为20～40mm。
14.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，在所述第一超声波传感器和所述
第二超声波传感器与所述待测工件相接触的情况下，所述第一超声波传感器或所述第二超声波传感器中的至少一者与所述待测工件之间设有耦合剂。
15.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述耦合剂为机油或润滑油。
16.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述耦合剂为机油的情况下，所述机油的标号为20～40号。
17.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述激光器产生的激光束的波长为900～1700nm，所述激光束的能量大小为50～200mj。
18.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，所述第一超声波传感器或所述第二超声波传感器中的至少一者为压电超声换能器。
19.根据本实用新型提供的一种激光超声检测装置，在所述激光器产生的激光束射向所述待测工件的情况下，所述激光器的激光束与所述待测工件的表面垂直。
20.本实用新型提供的激光超声检测装置，激光器发射的激光束经过凸透镜后变成平行光线射向待测工件的表面，第一超声波传感器固定于待测工件的表面的一端，第二超声波传感器沿待测工件的表面移动，第一超声波传感器检测到的超声回波信号和第二超声波传感器检测到的超声回波信号通过波形图显示在示波器上，通过对示波器上波形图的分析，可得出待测工件的缺陷位置、缺陷尺寸和缺陷深度。此激光超声检测装置结构简单，成本较低，同时操作简便，检测过程中只需移动第二超声波传感器即可完成检测。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本实用新型提供的激光超声检测装置的结构示意图之一；
23.图2是本实用新型提供的激光超声检测装置的结构示意图之二；
24.附图标记：
25.1：激光器；2：凸透镜；3：第一超声波传感器；
26.4：第二超声波传感器；5：待测工件；6：耦合剂；
27.7：示波器。
具体实施方式
28.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，
可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.下面结合图1至图2描述本实用新型的激光超声检测装置。
31.如图1所示，本实用新型实施例的激光超声检测装置，包括：激光器1、凸透镜2、第一超声波传感器3、第二超声波传感器4和示波器7；
32.凸透镜2的入射端与激光器1的发射端相对，凸透镜2的出射端用于与待测工件5相对；
33.第一超声波传感器3和第二超声波传感器4均与示波器7连接；第一超声波传感器3和第二超声波传感器4用于设于所述待测工件5上。
34.凸透镜2的入射端设置在激光器1发射激光束的探头的前方，凸透镜2的出射端与待测工件5相对，以使激光器1发射的激光束通过凸透镜2投射到待测工件5上。凸透镜2用于将激光器1发射的点光源变为线光源。
35.激光器1发射的激光束经过凸透镜2后变成平行光线射出，投射到待测工件5的表面上，凸透镜2响应激光器1发射的激光束或者待测工件5的位置的变化而旋转相应的角度，使得凸透镜2折射的激光束准确投射到待测工件5的表面上。
36.待测工件5为金属件，激光器1发出的是脉冲激光，激光束投射到待测工件5的表面上，待测工件5基于热弹效应产生瞬间剧烈的热膨胀，从而产生热激励超声波，热激励超声波沿待测工件5的表面向待测工件5内部传播。当热激励超声波经过待测工件5内部的缺陷时，其波形就会发生异常变化产生超声回波信号。
37.将第一超声波传感器3和第二超声波传感器4放置在待测工件5的表面上，第一超声波传感器3和第二超声波传感器4用于检测待测工件5所产生的超声回波信号，第一超声波传感器3检测到的超声回波信号称为第一超声回波信号，第二超声波传感器4检测到的超声回波信号称为第二超声回波信号。
38.第一超声波传感器3和第二超声波传感器4均与示波器7连接，示波器7为双踪示波器7，双踪示波器7是在单线示波器7的基础上，增设一个专用电子开关，用它来实现两种波形的分别显示。第一超声回波信号在双踪示波器7上显示的波形图称为第一波形图，第二超声回波信号在双踪示波器7上显示的波形图称为第二波形图。
39.在对待测工件5进行检测时，第一超声波传感器3固定于待测工件5的表面的一端，第一超声波传感器3接收到的第一超声回波信号是稳定的，因此，第一波形图是稳定的波形图。第二超声波传感器4由与第一超声波传感器3相接触的位置沿待测工件5的表面向待测工件5的另一端移动。第二超声波传感器4沿着待测工件5的表面移动，待测工件5的表面或内部有缺陷时，第二超声波传感器4接收到的第二超声回波信号是变化的，因此，第二波形图是变化的波形图。
40.在第二超声波传感器4移动的过程中，当第一超声波传感器3检测到的第一超声回波信号和第二超声波传感器4检测到的第二超声回波信号差异较大时，通过对示波器7上第一波形图和第二波形图的观察，可看到第二波形图出现明显的波峰，此时，表明第二超声波传感器4移动到了缺陷的位置，这样就可以判断待测工件5的缺陷所在的位置。
41.继续移动第二超声波传感器4，直至第二超声波传感器4检测到的第二超声回波信号和第一超声波传感器3检测到的第一超声回波信号基本一致时，通过对第一波形图和第
二波形图的观察，可看到第二波形图与第一波形图的波形一致，表明第二超声波传感器4已经移过了待测工件5上有缺陷的位置，从第二超声波传感器4移动到缺陷位置再到第二超声波传感器4移过缺陷位置之间的距离即为缺陷尺寸的大小。
42.从第二超声波传感器4在缺陷位置处检测到的第二超声回波信号的强弱可以判断缺陷的深度。第二超声波传感器4在缺陷位置处检测到的第二超声回波信号的强度较强时，在第二波形图上会看到波峰的纵向距离较高；第二超声波传感器4在缺陷位置处检测到的第二超声回波信号的强度较弱时，在第二波形图上会看到波峰的纵向距离较低，通过第二波形图上波峰的纵向距离可计算出相应缺陷的深度。
43.在本实用新型实施例中，激光器1发射的激光束经过凸透镜2后变成平行光线射向待测工件5的表面，第一超声波传感器3固定于待测工件5的表面的一端，第二超声波传感器4沿待测工件5的表面移动，第一超声波传感器3检测到的第一超声回波信号和第二超声波传感器4检测到的第二超声回波信号通过波形图显示在示波器7上，通过对示波器7上第一波形图和第二波形图的分析，可得出待测工件5的缺陷位置、缺陷尺寸和缺陷深度。此激光超声检测装置结构简单，成本较低，同时操作简便，检测过程中只需移动第二超声波传感器4即可完成检测。
44.如图2所示，在可选的实施例中，凸透镜2为平凸透镜2，平凸透镜2的凸面与激光器1的发射端相对，平凸透镜2的平面用于与所述待测工件5相对。
45.具体地，平凸透镜2的凸面与激光器1发射激光束的探头相对，平凸透镜2的平面与待测工件5的表面相对，以使激光器1发射的激光束通过平凸透镜2投射到待测工件5的表面上。
46.平凸透镜2的一边是平面，另一边是外凸面，相较于普通的凸透镜2，平凸透镜2能很好的把点光源转化成平行光，且平凸透镜2较为常用，无需另外定制，制造成本较低。
47.在本实用新型实施例中，激光器1发射的激光束通过平凸透镜2投射到待测工件5的表面上，提高了检测的精度。
48.在可选的实施例中，激光超声检测装置还包括平凹透镜；平凹透镜的凹面与激光器1的发射端相对，平凹透镜的平面与平凸透镜2的凸面相对，平凹透镜的光轴与平凸透镜2的光轴重合。
49.具体地，激光器1的探头与待测工件5之间设有由平凹透镜和平凸透镜2依次串接而成的激光扩速光路。平凹透镜的凹面与激光器1上发射激光束的探头相对，平凹透镜的平面与平凸透镜2的凸面相对，平凹透镜的轴线与平凸透镜2的轴线重合，且平凹透镜位于平凸透镜2的焦点位置，平凸透镜2的平面与待测工件5的表面相对。
50.平凸透镜2和平凹透镜响应激光器1发射的激光束或者待测工件5的位置的变化而旋转相应的角度，使得激光束准确投射到待测工件5的表面上。
51.激光器1发射的激光束依次经过平凹透镜和平凸透镜2后投射到待测工件5的表面上，扩大了激光束在待测工件5上的投射范围，有效增大了对待测工件5的单次检测面积，实现对待测工件5的快速检测。
52.在本实用新型实施例中，通过在激光器1和平凸透镜2之间设置平凹透镜，激光器1发射的激光束依次经过平凹透镜和平凸透镜2后投射到待测工件5的表面上，有效增大了单次检测面积，提高了检测速度。
53.在可选的实施例中，平凸透镜2的焦距为100～200mm，平凸透镜2的直径为30～60mm；平凹透镜的焦距为30～60mm，平凹透镜的直径为20～40mm。
54.在一个实施例中，平凸透镜2的焦距为150mm，平凸透镜2的直径为50mm；平凹透镜的焦距为40mm，平凹透镜的直径为25mm。
55.在可选的实施例中，在第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5相接触的情况下，第一超声波传感器3或所述第二超声波传感器4中的至少一者与待测工件5之间设有耦合剂6。
56.在第一超声波传感器3和待测工件5接触的面上涂覆耦合剂6，在第二超声波传感器4和待测工件5接触的面上涂覆耦合剂6。使用过程中，第一超声波传感器3固定于待测工件5的表面的一端，第二超声波传感器4沿着待测工件5的表面由与第一超声波传感器3相接触的位置向待测工件5的另一端移动。
57.在检测过程中，第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5的表面相接触的部位一直有耦合剂6的存在，耦合剂6将第一超声波传感器3和待测工件5的表面之间的空气以及第二超声波传感器4和待测工件5的表面之间的空气排除，减少空气的干扰，使得第一超声波传感器3检测到的第一超声回波信号和第二超声波传感器4检测到的第二超声回波信号更准确，从而，示波器7上的第一波形图和第二波形图能够更准确地反应出待测工件5上的缺陷的位置、尺寸和深度，提高检测结果的准确度。
58.在本实用新型实施例中，通过在第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5的表面相接触的部位涂覆耦合剂6，排除第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5的表面之间的空气，提高第一超声波传感器3和第二超声波传感器4的检测灵敏度，从而提高检测结果的准确度。
59.在可选的实施例中，耦合剂6为机油或润滑油。
60.耦合剂6一般为液体或流质，它的作用是填平待测工件5的表面上的凹凸不平，便于探头在待测工件5的表面移动扫查，排除探头与待测工件5的表面之间的空气。
61.耦合剂6的选择较多，例如，可以采用机油，用机油作为耦合剂6，一般用于对毛糙表面和机械加工零部件的超声检测中，由于机油的价格相对比较便宜，来源方便，对工件无腐蚀，对操作人员无害，因此是最广泛应用的耦合剂6。
62.机油多使用20～40号机油，20～40号机油呈液体状，易流动，由于不同编号的机油有不同的粘度，编号越大，粘度越高，当环境温度不同时其粘度也有一定变化，所以需根据检测需要结合环境因素来具体选择机油编号。
63.耦合剂6还可以采用润滑油，这里所用的润滑油特指例如压缩机润滑油、蒸汽机润滑油、锭子油、工业凡士林、黄油、润滑脂等粘度较高的、流动性较差的润滑油，适用于表面较粗糙的工件以及用于仰探或立探(侧探)等场合。
64.耦合剂6还可以采用甘油，这是一种透声效果好，并且对声接触压力不敏感的耦合介质，以化学分析纯的等级为最好，适用于表面光洁度较高的待测工件5。
65.上述耦合剂6的选择中，较常用的为机油和工业凡士林。在对待测工件5进行探伤时，具体选用何种耦合介质当做耦合剂6需要根据现场待测工件5的材质、表面状况以及后续加工程序等多种因素来考虑，如大批量检测的钢结构、压力管道探伤，可以直接选用机油作为耦合剂6，既便宜又防锈。
66.在本实用新型实施例中，通过在第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5的表面相接触的部位涂覆机油或工业凡士林，排除第一超声波传感器3和第二超声波传感器4与待测工件5的表面之间的空气，提高第一超声波传感器3和第二超声波传感器4检测灵敏度，从而提高检测结果的准确度。
67.在可选的实施例中，激光器1产生的激光束的波长为900～1700nm，激光束的能量大小为50～200mj。
68.激光器1发射的激光束依次通过平凹透镜和平凸透镜2投射到待测工件5的表面，根据投射到待测工件5表面的激光束的能量的不同，激光束在待测工件5的表面产生的这种热效应可分为热弹效应和热蚀效应。
69.激光束的能量低，待测工件5的表面吸收的热量不超过其融化温度，产生的是短时膨胀过程，与该膨胀相关的应力波绝大部分在弹性范围内，该方式称为热弹效应。激光束的能量高，待测工件5的表面温度升高，超过了其蒸发温度，产生烧蚀现象，使待测工件5的表面气化，形成等离子体，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成弹性波源，该方式称为热蚀效应。
70.激光器1产生的激光束的波长选择范围为900～1700nm，例如，激光束的波长为1064nm，激光束的能量大小为50～200mj，以便于激光束在待测工件5的表面产生热弹效应，避免因热蚀效应对待测工件5造成损伤。
71.在本实用新型实施例中，激光器1产生的激光束的波长为900～1700nm，激光束的能量大小为50～200mj，基于热弹效应对待测工件5进行探伤，实现对待测工件5的无损探伤。
72.在可选的实施例中，第一超声波传感器3或第二超声波传感器4中的至少一者为压电超声换能器。
73.压电超声换能器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此，在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
74.在本实用新型实施例中，第一超声波传感器3和第二超声波传感器4为压电超声换能器，提高对待测工件5的检测结果的准确度。
75.在可选的实施例中，在激光器1产生的激光束射向待测工件5的情况下，激光器1的激光束与待测工件5的表面垂直。
76.具体地，激光器1的探头与待测工件5之间设有平凹透镜和平凸透镜2，平凹透镜的凹面与激光器1上发射激光束的探头相对，平凹透镜的平面与平凸透镜2的凸面相对，平凹透镜的轴线与平凸透镜2的轴线重合，且平凹透镜位于平凸透镜2的焦点位置，平凸透镜2的平面与待测工件5的表面平行设置。
77.激光器1发射的激光束依次经过平凹透镜和平凸透镜2后垂直投射到待测工件5的表面上，确保激光束在待测工件5的表面上的投射范围最大，增大单次检测面积，实现对待测工件5的快速检测。
78.在本实用新型实施例中，激光器1产生的激光束垂直投射到待测工件5的表面上，确保激光束在待测工件5的表面上的投射范围最大，增大对待测工件5的单次检测面积，实现对待测工件5的快速检测。
79.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。