一种大型构件无损检测用激光超声检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，包括电源、壳体、光学系统和控制系统，壳体的前端为激光出光口，光学系统包括激光器及透镜组模块、全反射镜和二维振镜；激光器及透镜组模块包括底板、外壳、激光器组件、变焦透镜组和直流电机；所述激光器组件包括激光器、偏振光束镜、衰减片和光反射探测器，二维振镜包括X轴振镜、X轴电机、Y轴振镜和Y轴电机；控制系统包括振镜驱动控制板、X轴驱动电路板、Y轴驱动电路板和激光控制板；本发明专利技术还公开了一种适用于大型构件无损检测的激光超声检测方法。本发明专利技术设计新颖合理，便于携带，保养维护简单，能量恒定，可单次检测较大面积，有效提高了效率，实用性强，便于推广使用。

A laser ultrasonic testing device and testing method for nondestructive testing of large components

The invention discloses a laser ultrasonic detection device for nondestructive testing of large components, including a power supply, a shell, an optical system and a control system. The front end of the shell is a laser outlet. The optical system includes a laser and a lens group module, a full reflector and a two-dimensional vibrating mirror, and a laser and a lens group module including a floor, a shell, and a shell. Laser component, zoom lens group and DC motor, the laser components include laser, polarized beam mirror, attenuation film and light reflection detector. The two dimensional vibrator includes X axis vibrating mirror, X axis motor, Y axis vibrating mirror and Y axis motor. The control system includes a vibrating mirror drive control board, a X axis drive circuit board, a Y axis drive circuit board and a control system. The invention also discloses a laser ultrasonic detection method which is suitable for non-destructive testing of large components. The invention has the advantages of novel and reasonable design, easy to carry, simple maintenance and maintenance, constant energy, single detection of large area, effective efficiency, strong practicality, and convenient for popularization and use.

【技术实现步骤摘要】
一种大型构件无损检测用激光超声检测装置及检测方法
本专利技术属于无损检测
，具体涉及一种大型构件无损检测用激光超声检测装置及检测方法。
技术介绍
超声检测具有灵敏度高、穿透力强、操作方便、无污染等优点，能可靠的检测出结构中的许多缺陷，已成为无损检测的主要研究方向。随着激光技术和超声学的不断发展，激光在物体中激发出声波的研究日益成熟，形成了激光超声技术。近年来，激光超声技术已在超声信号传播、媒质特性研究、无损检测和评估研究等
得到广泛应用，并已形成一个重要的学科领域—激光超声检测技术。激光超声检测技术是利用高能量激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在物质表面产生热特性区，发生热膨胀运动，产生热应力，从而带动周围介质一起运动在物体内部激发出超声信号，可以实现快速、实时、非接触式检测，是目前国内外学者广泛关注的研究热点。激光超声检测技术具有如下优点：(1)激光超声的激发和检测均在瞬间完成，能够实现大型结构的快速、实时在线检测；(2)激光能同时激励出超声纵波、横波以及表面波，可用于材料内部和表面缺陷探测；(3)精度高，即使是常用的激光系统，也能实现微米量级的空间分辨率；(4)灵活性强，通过简单的光学装置即可实现点阵或线阵超声激发，适于对大型复杂工程结构进行检测，而不受试件几何形状约束；(5)精确性高，通过传感器阵列能准确确定损伤源的位置。因此，激光超声技术非常适合于大型工程结构微小缺陷的快速检测。目前激光超声检测技术中的激发光源通常是将激光束汇聚成为点光源、线光源或圆形光源，其普遍存在作用面积小，激发出的超声波传播距离短，衰减较快等缺点，在对大型构件进行无损检测时造成效率低下，无法满足大型结构在工程实践中的应用需求。随着现代工业技术的飞速发展，对产品性能、外形的要求越来越高，大型结构广泛应用于航空航天工业、高速列车、汽车工业、桥梁大坝、核电站等工程领域。因此，设计一种结构简单、能量恒定、作用面积大、检测效率高的激光超声检测装置势在必行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理，实现方便，经济性好，便于携带，保养维护简单，能量恒定，可单次检测较大面积，有效提高了效率，实用性强，使用效果好，便于推广使用的大型构件无损检测用激光超声检测装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：包括电源、壳体、光学系统和控制系统，所述电源、光学系统和控制系统均设置在壳体内，所述壳体的前端为激光出光口，所述光学系统包括激光器及透镜组模块、全反射镜和二维振镜，所述激光器及透镜组模块设置在壳体内下部中间靠前位置处，所述全反射镜设置在激光器及透镜组模块的前方，所述二维振镜设置在全反射镜的上方；所述激光器及透镜组模块包括底板和外壳，所述底板上设置有激光器组件、变焦透镜组和用于带动变焦透镜组中的透镜移动实现变焦的直流电机；所述激光器组件包括激光器、设置在激光器前方的偏振光束镜、设置在偏振光束镜下方的衰减片和设置在衰减片下方的光反射探测器；所述变焦透镜组包括依次设置在偏振光束镜前方的双凹透镜、第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜和调焦镜，所述直流电机的输出轴通过动力传动机构与平凹透镜连接；所述二维振镜包括X轴振镜和用于带动X轴振镜运动的X轴电机，以及Y轴振镜和用于带动Y轴振镜运动的Y轴电机；所述控制系统包括振镜驱动控制板、X轴驱动电路板、Y轴驱动电路板和激光控制板，所述激光控制板上设置有激光控制电路，所述激光控制电路包括激光控制器模块、激光器恒流源控制电路和变焦控制电路，所述激光器恒流源控制电路与光反射探测器的输出端和激光控制器模块的输出端均连接；所述变焦控制电路包括均与激光控制器模块的输入端均连接的距离检测电路和透镜位置检测传感器，以及与激光控制器模块的输出端连接的电机换向H桥电路，所述直流电机与电机换向H桥电路的输出端连接；所述振镜驱动控制板上设置有振镜驱动控制电路，所述振镜驱动控制电路包括振镜驱动控制器模块以及均与振镜驱动控制器模块相接的X轴振镜角位置及转速校正电路和Y轴振镜角位置及转速校正电路，所述振镜驱动控制器模块的输入端接有角度负反馈控制电路，所述角度负反馈控制电路的输入端接有X轴振镜角度检测传感器和Y轴振镜角度检测传感器，所述振镜驱动控制器模块的输出端接有角度信号输入调节电路；所述X轴驱动电路板上设置有X轴电机驱动器，所述Y轴驱动电路板上设置有Y轴电机驱动器，所述X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器均与角度信号输入调节电路的输出端连接，所述X轴电机与X轴电机驱动器连接，所述Y轴电机与Y轴电机驱动器连接。上述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述激光器为功率大小3W、激光波长532nm的连续波LD泵浦激光器或脉冲能量可调、激光波长为1060nm的Nd:YAG脉冲激光器。上述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述控制系统还包括激光器温控板，所述激光器温控板上设置有激光器温度控制电路，所述激光器温度控制电路包括温度控制器模块和用于为激光器制冷的TEC制冷片，所述温度控制器模块的输入端接有用于对激光器的温度进行实时采样的温度采样电路，所述温度控制器模块的输出端接有PID控制电路，所述PID控制电路的输出端接有TEC驱动电路，所述TEC制冷片与TEC驱动电路的输出端连接。上述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述温度采样电路包括用于对激光器的温度进行实时检测的PT100铂热电阻和用于对PT100铂热电阻输出的温度信号进行放大、滤波和A/D转换处理的温度信号调理电路，所述温度信号调理电路包括型号均为TLC2652的运算放大器U1和运算放大器U2，以及三端稳压芯片TL431和型号为AD620的A/D转换器U3；所述PT100铂热电阻的一端接地，所述PT100铂热电阻的另一端与运算放大器U1的第3引脚和第5引脚以及运算放大器U2的第3引脚均连接，所述运算放大器U1的第2引脚和第6引脚均与三端稳压芯片TL431的第2引脚连接，所述三端稳压芯片TL431的第1引脚和第3引脚均通过电阻R1与运算放大器U1的第5引脚连接，且通过电阻R2与电源的输出端VCC连接；所述运算放大器U2的第2引脚通过串联的电阻R3和电阻R4接地，所述运算放大器U2的第5引脚与电阻R3和电阻R4的连接端连接，且通过电阻R5与运算放大器U2的第6引脚连接，所述运算放大器U2的第6引脚与A/D转换器U3的同相输入端引脚连接，所述A/D转换器U3的同相输入端引脚和反相输入端引脚之间接有电阻R0，所述A/D转换器U3的输出端引脚为温度信号调理电路的信号输出端且与温度控制器模块的输入端连接；上述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述PID控制电路包括型号均为LM393的比较器U4和比较器U5，所述比较器U4的反相输入端通过电阻R6与温度控制器模块的输出端连接，所述比较器U5的反相输入端通过电阻R8与温度控制器模块的输出端连接，所述比较器U4的同相输入端和比较器U5的同相输入端均接地，所述比较器U4的反相输入端与输出端之间接有电阻R7，所述比较器U5的反相输入端与输出端之间接有电容C1，所述比较器U本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：包括电源(15)、壳体(1)、光学系统和控制系统，所述电源(15)、光学系统和控制系统均设置在壳体(1)内，所述壳体(1)的前端为激光出光口(2)，所述光学系统包括激光器及透镜组模块(7)、全反射镜(8)和二维振镜(9)，所述激光器及透镜组模块(7)设置在壳体(1)内下部中间靠前位置处，所述全反射镜(8)设置在激光器及透镜组模块(7)的前方，所述二维振镜(9)设置在全反射镜(8)的上方；所述激光器及透镜组模块(7)包括底板(7‑1)和外壳，所述底板(7‑1)上设置有激光器组件(7‑2)、变焦透镜组(7‑3)和用于带动变焦透镜组(7‑3)中的透镜移动实现变焦的直流电机(7‑4)；所述激光器组件(7‑2)包括激光器(7‑21)、设置在激光器(7‑21)前方的偏振光束镜(7‑22)、设置在偏振光束镜(7‑22)下方的衰减片(7‑23)和设置在衰减片(7‑23)下方的光反射探测器(7‑24)；所述变焦透镜组(7‑3)包括依次设置在偏振光束镜(7‑22)前方的双凹透镜(7‑25)、第一平凸透镜(7‑26)、平凹透镜(7‑27)、第二平凸透镜(7‑28)和调焦镜(7‑29)，所述直流电机(7‑4)的输出轴通过动力传动机构与平凹透镜(7‑27)连接；所述二维振镜(9)包括X轴振镜和用于带动X轴振镜运动的X轴电机(16)，以及Y轴振镜和用于带动Y轴振镜运动的Y轴电机(17)；所述控制系统包括振镜驱动控制板(10)、X轴驱动电路板(13)、Y轴驱动电路板(12)和激光控制板(14)，所述激光控制板(14)上设置有激光控制电路，所述激光控制电路包括激光控制器模块(14‑1)、激光器恒流源控制电路(14‑2)和变焦控制电路，所述激光器恒流源控制电路(14‑2)与光反射探测器(7‑24)的输出端和激光控制器模块(14‑1)的输出端均连接；所述变焦控制电路包括均与激光控制器模块(14‑1)的输入端均连接的距离检测电路(14‑3)和透镜位置检测传感器(14‑4)，以及与激光控制器模块(14‑1)的输出端连接的电机换向H桥电路(14‑5)，所述直流电机(7‑4) 与电机换向H桥电路(14‑5)的输出端连接；所述振镜驱动控制板(10)上设置有振镜驱动控制电路，所述振镜驱动控制电路包括振镜驱动控制器模块(10‑1)以及均与振镜驱动控制器模块(10‑1)相接的X轴振镜角位置及转速校正电路(10‑4)和Y轴振镜角位置及转速校正电路(10‑5)，所述振镜驱动控制器模块(10‑1)的输入端接有角度负反馈控制电路(10‑3)，所述角度负反馈控制电路(10‑3)的输入端接有X轴振镜角度检测传感器(10‑6)和Y轴振镜角度检测传感器(10‑7)，所述振镜驱动控制器模块(10‑1)的输出端接有角度信号输入调节电路(10‑2)；所述X轴驱动电路板(13)上设置有X轴电机驱动器(13‑1)，所述Y轴驱动电路板(12)上设置有Y轴电机驱动器(12‑1)，所述X轴电机驱动器(13‑1)和Y轴电机驱动器(12‑1)均与角度信号输入调节电路(10‑2)的输出端连接，所述X轴电机(16)与X轴电机驱动器(13‑1)连接，所述Y轴电机(17)与Y轴电机驱动器(12‑1)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：包括电源(15)、壳体(1)、光学系统和控制系统，所述电源(15)、光学系统和控制系统均设置在壳体(1)内，所述壳体(1)的前端为激光出光口(2)，所述光学系统包括激光器及透镜组模块(7)、全反射镜(8)和二维振镜(9)，所述激光器及透镜组模块(7)设置在壳体(1)内下部中间靠前位置处，所述全反射镜(8)设置在激光器及透镜组模块(7)的前方，所述二维振镜(9)设置在全反射镜(8)的上方；所述激光器及透镜组模块(7)包括底板(7-1)和外壳，所述底板(7-1)上设置有激光器组件(7-2)、变焦透镜组(7-3)和用于带动变焦透镜组(7-3)中的透镜移动实现变焦的直流电机(7-4)；所述激光器组件(7-2)包括激光器(7-21)、设置在激光器(7-21)前方的偏振光束镜(7-22)、设置在偏振光束镜(7-22)下方的衰减片(7-23)和设置在衰减片(7-23)下方的光反射探测器(7-24)；所述变焦透镜组(7-3)包括依次设置在偏振光束镜(7-22)前方的双凹透镜(7-25)、第一平凸透镜(7-26)、平凹透镜(7-27)、第二平凸透镜(7-28)和调焦镜(7-29)，所述直流电机(7-4)的输出轴通过动力传动机构与平凹透镜(7-27)连接；所述二维振镜(9)包括X轴振镜和用于带动X轴振镜运动的X轴电机(16)，以及Y轴振镜和用于带动Y轴振镜运动的Y轴电机(17)；所述控制系统包括振镜驱动控制板(10)、X轴驱动电路板(13)、Y轴驱动电路板(12)和激光控制板(14)，所述激光控制板(14)上设置有激光控制电路，所述激光控制电路包括激光控制器模块(14-1)、激光器恒流源控制电路(14-2)和变焦控制电路，所述激光器恒流源控制电路(14-2)与光反射探测器(7-24)的输出端和激光控制器模块(14-1)的输出端均连接；所述变焦控制电路包括均与激光控制器模块(14-1)的输入端均连接的距离检测电路(14-3)和透镜位置检测传感器(14-4)，以及与激光控制器模块(14-1)的输出端连接的电机换向H桥电路(14-5)，所述直流电机(7-4)与电机换向H桥电路(14-5)的输出端连接；所述振镜驱动控制板(10)上设置有振镜驱动控制电路，所述振镜驱动控制电路包括振镜驱动控制器模块(10-1)以及均与振镜驱动控制器模块(10-1)相接的X轴振镜角位置及转速校正电路(10-4)和Y轴振镜角位置及转速校正电路(10-5)，所述振镜驱动控制器模块(10-1)的输入端接有角度负反馈控制电路(10-3)，所述角度负反馈控制电路(10-3)的输入端接有X轴振镜角度检测传感器(10-6)和Y轴振镜角度检测传感器(10-7)，所述振镜驱动控制器模块(10-1)的输出端接有角度信号输入调节电路(10-2)；所述X轴驱动电路板(13)上设置有X轴电机驱动器(13-1)，所述Y轴驱动电路板(12)上设置有Y轴电机驱动器(12-1)，所述X轴电机驱动器(13-1)和Y轴电机驱动器(12-1)均与角度信号输入调节电路(10-2)的输出端连接，所述X轴电机(16)与X轴电机驱动器(13-1)连接，所述Y轴电机(17)与Y轴电机驱动器(12-1)连接。2.按照权利要求1所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述激光器(7-21)为功率大小3W、激光波长532nm的连续波LD泵浦激光器或脉冲能量可调、激光波长为1060nm的Nd:YAG脉冲激光器。3.按照权利要求1所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述控制系统还包括激光器温控板(11)，所述激光器温控板(11)上设置有激光器温度控制电路，所述激光器温度控制电路包括温度控制器模块(11-1)和用于为激光器(7-21)制冷的TEC制冷片(11-2)，所述温度控制器模块(11-1)的输入端接有用于对激光器(7-21)的温度进行实时采样的温度采样电路(11-3)，所述温度控制器模块(11-1)的输出端接有PID控制电路(11-4)，所述PID控制电路(11-4)的输出端接有TEC驱动电路(11-5)，所述TEC制冷片(11-2)与TEC驱动电路(11-5)的输出端连接。4.按照权利要求3所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述温度采样电路(11-3)包括用于对激光器的温度进行实时检测的PT100铂热电阻和用于对PT100铂热电阻输出的温度信号进行放大、滤波和A/D转换处理的温度信号调理电路，所述温度信号调理电路包括型号均为TLC2652的运算放大器U1和运算放大器U2，以及三端稳压芯片TL431和型号为AD620的A/D转换器U3；所述PT100铂热电阻的一端接地，所述PT100铂热电阻的另一端与运算放大器U1的第3引脚和第5引脚以及运算放大器U2的第3引脚均连接，所述运算放大器U1的第2引脚和第6引脚均与三端稳压芯片TL431的第2引脚连接，所述三端稳压芯片TL431的第1引脚和第3引脚均通过电阻R1与运算放大器U1的第5引脚连接，且通过电阻R2与电源(15)的输出端VCC连接；所述运算放大器U2的第2引脚通过串联的电阻R3和电阻R4接地，所述运算放大器U2的第5引脚与电阻R3和电阻R4的连接端连接，且通过电阻R5与运算放大器U2的第6引脚连接，所述运算放大器U2的第6引脚与A/D转换器U3的同相输入端引脚连接，所述A/D转换器U3的同相输入端引脚和反相输入端引脚之间接有电阻R0，所述A/D转换器U3的输出端引脚为温度信号调理电路的信号输出端且与温度控制器模块(11-1)的输入端连接。5.按照权利要求3所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述PID控制电路(11-4)包括型号均为LM393的比较器U4和比较器U5，所述比较器U4的反相输入端通过电阻R6与温度控制器模块(11-1)的输出端连接，所述比较器U5的反相输入端通过电阻R8与温度控制器模块(11-1)的输出端连接，所述比较器U4的同相输入端和比较器U5的同相输入端均接地，所述比较器U4的反相输入端与输出端之间接有电阻R7，所述比较器U5的反相输入端与输出端之间接有电容C1，所述比较器U4的输出端和比较器U5的输出端为PID控制电路(11-4)的输出端；所述TEC驱动电路(11-5)包括比较器U6、比较器U7、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4，所述比较器U6的同相输入端通过电阻R9与PID控制电路(11-4)的输出端连接，所述比较器U6的反相输入端通过电阻R10接地，且通过电阻R11与所述比较器U6的输出端连接，所述比较器U6的输出端与二极管D1的阴极和二极管D2的阳极连接，所述三极管Q1的基极与二极管D1的阳极连接，所述三极管Q1的基极与集电极之间接有电阻R15，所述三极管Q1的集电极与电源(15)的输出端VCC连接，所述三极管Q2的基极与二极管D2的阴极连接，所述三极管Q2的基极与集电极之间接有电阻R16，所述三极管Q2的集电极与电源(15)的输出端-VCC连接，所述三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接且与TEC制冷片(11-2)的一个电源端连接；所述比较器U7的反相输入端通过电阻R12与PID控制电路(11-4)的输出端连接，且通过电阻R13与所述比较器U6的输出端连接，所述比较器U7的同相输入端通过电阻R14接地，所述比较器U7的输出端与二极管D3的阴极和二极管D4的阳极连接，所述三极管Q3的基极与二极管D3的阳极连接，所述三极管Q3的基极与集电极之间接有电阻R17，所述三极管Q3的集电极与电源(15)的输出端VCC连接，所述三极管Q4的基极与二极管D4的阴极连接，所述三极管Q4的基极与集电极之间接有电阻R18，所述三极管Q4的集电极与电源(15)的输出端-VCC连接，所述三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极连接且与TEC制冷片(11-2)的另一个电源端连接。6.按照权利要求1所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述激光器恒流源控制电路(14-2)包括运算放大器U8、三极管Q5、三极管Q6、二极管D5、电容C2和开关K1，所述运算放大器U8的反相输入端通过并联的电阻R91和电阻R92接地，且通过电阻R96与运算放大器U8的输出端连接，所述运算放大器U8的同相输入端接有电阻R93和电阻R94，且通过电阻R95接地；所述电阻R93未连接运算放大器U8的一端和电阻R94未连接运算放大器U8的一端均为激光器恒流源控制电路(14-2)的输入端，且与光反射探测器(7-24)的输出端连接；所述三极管Q5的基极与运算放大器U8的输出端连接，所述三极管Q5的集电极与电源(15)的输出端VCC连接，所述三极管Q5的发射极与激光器(7-21)的电源正极、二极管D5的阴极、电容C2的一端和开关K1的一端连接，所述激光器(7-21)的电源负极、二极管D5的阳极、电容C2的另一端和开关K1的另一端均通过电阻R97接地，所述三极管Q6的集电极通过电阻R98与电源(15)的输出端VCC连接，所述三极管Q6的基极通过电阻R99与激光控制器模块(14-1)的输出端连接，所述三极管Q6的发射极与开关K1的一端连接，所述开关K1的另一端接地。7.按照权利要求1所述的一种大型构件无损检测用激光超声检测装置，其特征在于：所述距离检测电路(14-3)包括距离传感器(14-31)和与距离传感器(14-31)连接的信号放大采样电路，所述信号放大采样电路包括运算放大器...

【专利技术属性】
技术研发人员：单宁，刘霞，
申请(专利权)人：中国人民武装警察部队工程大学，西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61