一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。本发明专利技术通过控制光纤阵列各光纤间距实现激光超声信号增强方向的转向和定点聚焦，来实现对被测样品的快速扫描和获得被检特征的进一步形貌特征，显著提高了检测效率和探伤精度。

A Laser Ultrasound Excitation and Detection System and Method for Achieving Fast Scanning and Point Focusing of Ultrasound

The invention discloses a laser ultrasonic excitation and detection system and method for fast scanning and spot focusing of ultrasound. The system includes a laser generator, a laser transmission device, a precision moving device, a laser ultrasonic signal detection device and a control module. The laser emitted by the laser generator is irradiated on the surface of the tested sample after the laser transmission device, and a laser ultrasonic signal detection device. The ultrasonic signal inside the sample is detected, transmitted to the control module for analysis, processing and display, and the initial feature location is determined. The control module feedback controls the precise mobile device to adjust the distance between the optical fibers at the output of the laser transmission device, so as to obtain the clear morphological features of the detected features. The invention realizes fast scanning of the measured sample and further morphological features of the detected feature by controlling the spacing of each optical fiber array to realize the direction of laser ultrasonic signal enhancement and point focusing, and remarkably improves the detection efficiency and the detection accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法
本专利技术属于无损检测领域，涉及一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法。
技术介绍
激光超声是一种非接触，高精度，无损伤的新型超声检测技术。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、内部及表面被检特征，材料参数等等。在材料被检特征检测、加工检测、以及高温、腐蚀、辐射等恶劣的环境下设备的监测中具有广阔的应用前景。相比于其他无损检测技术，激光超声检测技术具有成本低、易操作、精度高等优势，在未来无损探伤领域有很大的发展潜力。然而，现有的激光超声激发与检测方法一般采用单点源或者线源照射被测样品，受限于脉冲激光器的能量和重复频率，激发效果和信号的强度以及检测速率有限，不利于对样品内部被检特征的检测，因而很有必要通过相控阵列激光激发的方法来增强超声波强度以实现内部被检特征的检测。但是目前已有的阵列激光方法多不能实现超声信号增强方向的快速转向和定点聚焦，其效率低下，精度不高。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法，通过控制光纤阵列各光纤间距实现激光超声信号增强方向的转向和定点聚焦，来实现对被测样品的快速扫描和获得被检特征的进一步形貌特征，显著提高了检测效率和探伤精度。技术方案：为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。可选的，激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根(n≥2)型号相同，长度成等差排列的光纤，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距。可选的，精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，使竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布。可选的，激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪。可选的，控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。可选的，该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。本专利技术另一实施例中，还提供了一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，包括以下步骤：(1)系统对被测样品进行快速扫描；(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测，获取被检特征初始形貌特征；(3)系统对被检特征位置进行定点聚焦，获取被检特征清晰形貌特征。进一步的，步骤(1)中系统对被测样品进行快速扫描的方法为：利用精密移动装置控制调整各光纤的间距d等间距变化，实现激光超声信号的增强方向θ的变化，进而完成对整个x-z二维探测平面的快速扫描，θ与d之间的关系为式中c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔；再利用步进电机控制电控位移台实现被测样品在x-y平面的移动，从而完成对被测样品的三维快速扫描。进一步的，步骤(2)具体为：在快速扫描阶段，当计算机分析出激光超声信号检测装置接收到非样品边界反射回来的超声信号，则认定被测样品中存在被检特征，通过控制精密移动装置和步进电机来改变超声信号在被测样品中传播路径，然后实现对被检特征位置和形貌的初步检测。进一步的，步骤(3)具体为：为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，需满足以下方程：式中，r1，r2，ri和rn分别是第一根光纤，第二根光纤，第i根光纤和第n根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速，Δt是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔，x为第一根光纤出射激光光斑到被检特征边缘聚焦点正上方的距离，d1为精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤的间距，d2为第三根光纤与第二根光纤间距，di-1为第i根光纤与第i-1根光纤的间距，dn-1为第n根光纤与第n-1根光纤的间距，h为被检特征深度；求解上述2n-1个方程式组成的方程组，得出d1，d2…di-1…dn-1，计算机将d1，d2…di-1…dn-1的值反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距d1和第三根光纤与第二根光纤间距d2，…，第i根光纤与第i-1根光纤的间距di-1，…，第n根光纤与第n-1根光纤的间距dn-1，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，由计算机分析接收的超声信号进而获得被检特征的清晰形貌特征。有益效果：与现有技术相比，本专利技术有如下优点：本专利技术采用精密移动装置控制光纤阵列各光纤输出端等间距变化来完成激光超声信号增强方向的转向，配合步进电机移动被测样品实现了系统对其的快速扫描，显著提高了探测效率；在快速扫描获得被检特征位置信息之后，再次由精密移动装置改变光纤阵列各光纤输出端间距实现激光超声对被检特征边缘的定点聚焦，获得被检特征的更进一步形貌特征，显著提高了信号的强度和探伤精度。附图说明图1为本专利技术系统一个实施例的结构示意图；图2为图1实施例中系统在进行对被测样品进行快速扫描的示意图；图3为图1实施例中系统在进行对被测样品中被检特征进行定点聚焦的示意图；图4为本专利技术方法的步骤流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术做进一步详细说明。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。其中，激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根(n≥2)型号相同，长度成等差排列的光纤，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距。精密移动装置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。

【技术特征摘要】
1.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征。2.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根(n≥2)型号相同，长度成等差排列的光纤，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距。3.根据权利要求2所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，使竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布。4.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪。5.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。6.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。7.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)系统对被测样品进行快速扫描；(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国平，李国安，赵天琦，文韬，王雪，李家琦，戴挺，张俊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32