一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统技术方案

本实用新型专利技术属于激光材料检测领域，公开了一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，包括脉冲激光器、光谱探测单元、超声波探测单元、样品台单元以及分析控制单元，其中，光谱探测单元用于对等离子体发射的可见光光谱进行探测，以获得关于待分析样品中元素的信息；超声波探测单元用于对超声波进行无接触探测，基于干涉仪探测、或高Q值谐振器探测的原理，能够在不接触样品的前提下获得超声信号，得到关于待分析样品中缺陷的信息。本实用新型专利技术通过对装置内各个组件的结构及其设置方式等进行改进，采用已知的非接触超声波探测单元对伴随激光激发产生的超声波进行非接触探测，可实现对样品的元素和缺陷同时进行非接触检测与分析。

A laser photoacoustic non-contact detection system for elements and defects

【技术实现步骤摘要】
一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统
本技术属于激光材料检测领域，更具体地，涉及一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，实现采用激光激发的元素成分和缺陷分布的复合非接触检测，该系统具体主要是通过激光对材料激发后产生的光、声信号进行探测与分析，实现对靶材的元素与缺陷同时非接触检测。
技术介绍
在工业应用中，材料缺陷不仅为产品使用埋下了安全隐患，而且大大降低了材料的稳定性和机械性能。在结构缺陷无损检测方面，目前在工业领域中应用最为成熟和广泛的检测技术是超声波检测(UT)。超声波检测是利用超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术。激光超声波检测技术是超声波检测技术的一种，具有无损、安全、精度高的良好的检测性能。在激光超声检测技术中，传统的超声检测均采用接触式换能方法，即在超声探头与被检材料或构件间用诸如油脂或水等声耦合介质使超声波的大部分能量传入被检工件。然而在化工、医药、轻工食品等行业中，有许多压力容器都带有保温层，而且这部分压力容器都是长久运行。要对这些压力容器进行定期检验就必须停机拆除保温层，打磨被测容器的表面，这些准备工作将浪费大量的人力物力，而且很多时候拆除后的保温层很难恢复。另外，在高温或高速生产的流水线上，一般的超声探头无法稳定地耦合到被检工件上，因此非接触光声技术显得尤为重要。中国专利《输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统》(CN108896663，公布日2018年11月27日)介绍了一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，用非接触超声检测管道内表层缺陷。该现有技术中，空耦激励探头激发超声纵波，纵波入射到管道壁面后产生表面波，表面波传播范围在管道表层，激励探头从而只检测到管道表层缺陷。可见，该现有技术无法检测结构内部缺陷，且探测缺陷精度不高(所用探头激发出的超声波频率不高，大多是KHz-MHz)。在元素分析方面，传统的检测手段包括化学分析法、XRF、ICP-OES等。然而，这些方法存在破坏样品、耗时长等缺点，无法满足现代元素检测的快速、原位、微损甚至无损等需求，所以一种新的光谱检测技术——激光诱导击穿光谱(LaserInducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS)技术应运而生。LIBS技术是一种新型的原子光谱分析技术，它是通过将激光聚焦到物质表面烧蚀产生等离子体，通过采集等离子体光谱来对物质进行元素分析，获得其元素种类与含量。由于LIBS技术具有多元素同步实时分析、简单或者无需样品预处理、快速与无损检测等特点，因此在金属冶金、环境保护、国防工业、食品安全等领域具有广泛的应用前景。综上所述，虽然LIBS技术和激光超声检测技术都具有优越的性能，但目前对材料的元素和缺陷都是采用单一技术手段分别进行分析，分析时间长，检测成本高。并且目前的超声波检测技术大多为接触式检测，在探头与待测样品之间涂抹耦合剂避免超声波的信号衰减，但是由于耦合涂敷量无法控制并且难以在不规则样品上操作，这大大降低了检测的稳定性并且限制了超声波检测的应用范围。本技术专利技术人在前研究得到了一种元素与缺陷的激光光声复合检测方法及其系统(可参见中国专利文献CN107607520A)，尽管其也公开了利用脉冲激光器入射到分析样品上产生等离子体和超声波，能同时分析样品元素组分和结构缺陷，但它所使用的超声检测组件为水浸式超声波探头，这种接触式的检测，如上文所分析的，应用不便利，限制了超声波检测的应用范围。迄今为止，尚未见元素与缺陷的激光光声复合非接触检测装置。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术的目的在于提供一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，通过对系统装置内各个组件的结构及其设置方式等进行改进，采用单一脉冲激光作为激发光源来烧蚀被测样品，激发产生等离子体，一方面，采用光谱仪对等离子体的发射光谱进行采集；另一方面，采用基于干涉仪探测、或高Q值谐振器探测原理的现有技术已知非接触超声波探测单元组件(亦可直接采用市售组件)对伴随激光激发产生的超声波进行非接触探测，可实现对样品的元素和缺陷同时进行非接触检测与分析。本技术利用脉冲激光器入射到分析样品上产生等离子体和超声波，能同时分析样品元素组分和结构缺陷，并且利用基于干涉仪检测、高Q值谐振器检测原理的超声非接触探测，避免了声耦合介质的使用，能够大大拓宽该检测系统的适用范围。为实现上述目的，按照本技术，提供了一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器(3)、光谱探测单元、超声波探测单元、以及样品台单元，其中，样品台单元包括位移平台，该位移平台用于放置待分析样品(9)，能够带动待分析样品(9)移动，从而实现对待分析样品(9)空间位置的调节，脉冲激光器(3)用于发射出脉冲激光，该脉冲激光用于入射至待分析样品上以同时产生等离子体和超声波，光谱探测单元用于对等离子体火焰发射的可见光光谱进行探测，所述可见光光谱携带有关于待分析样品中元素的信息，超声波探测单元用于对超声波进行无接触探测，能够基于干涉仪探测、或Q值满足105～107的高Q值谐振器探测的原理，在不接触样品的前提下获得超声信号，得到携带有关于待分析样品中缺陷信息的超声信号。作为本技术的进一步优选，超声波探测单元具体基于干涉仪探测原理检测超声波，该超声波探测单元包括分光器(14)、氦氖激光器(15)、激光干涉仪(16)和数字示波器(12),激光干涉仪(16)和数字示波器(12)电连接，数字示波器(12)用于显示超声波信号；或者，超声波探测单元具体基于Q值满足105～107的高Q值谐振器探测原理检测超声波，该超声波探测单元包括光纤激光器(17)、Q值满足105～107的高Q值谐振器(18)、光电探测器(19)和数字示波器(12)，光电探测器(19)和数字示波器(12)电连接，数字示波器(12)用于显示超声波信号。作为本技术的进一步优选，光谱探测单元包括半透半反镜(8)、全反射镜(4)、聚焦物镜(10)、光谱仪采集探头(2)、光谱仪(1)以及增强电荷耦合器件(6)，其中，脉冲激光器(3)的出光口、半透半反镜(8)依次位于同一水平光路上，半透半反镜(8)的透射面与水平光路成45°角，全反射镜(4)活动安装，当其位于光路时与半透半反镜(8)平行，全反射镜(4)和聚焦物镜(10)依次位于半透半反镜(8)的反射光路上，半透半反镜(8)、全反射镜(4)、聚焦物镜(10)相互之间的距离能调节，光谱仪采集探头(2)位于半透半反镜(8)的上方，其与光谱仪(1)通过光纤连接，增强电荷耦合器件(6)安装在光谱仪(1)上，光谱仪(1)用于探测光谱信息。作为本技术的进一步优选，对于分光器(14)、氦氖激光器(15)及激光干涉仪(16)，氦氖激光器(15)用于发射探测激光，通过分光器(14)分成两束频率相同的光，一束光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器(3)、光谱探测单元、超声波探测单元、以及样品台单元，其中，/n样品台单元包括位移平台，该位移平台用于放置待分析样品(9)，能够带动待分析样品(9)移动，从而实现对待分析样品(9)空间位置的调节，/n脉冲激光器(3)用于发射出脉冲激光，该脉冲激光用于入射至待分析样品上以同时产生等离子体和超声波，/n光谱探测单元用于对等离子体火焰发射的可见光光谱进行探测，所述可见光光谱携带有关于待分析样品中元素的信息，/n超声波探测单元用于对超声波进行无接触探测，能够基于干涉仪探测、或Q值满足10

【技术特征摘要】
1.一种元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，其特征在于，包括脉冲激光器(3)、光谱探测单元、超声波探测单元、以及样品台单元，其中，
样品台单元包括位移平台，该位移平台用于放置待分析样品(9)，能够带动待分析样品(9)移动，从而实现对待分析样品(9)空间位置的调节，
脉冲激光器(3)用于发射出脉冲激光，该脉冲激光用于入射至待分析样品上以同时产生等离子体和超声波，
光谱探测单元用于对等离子体火焰发射的可见光光谱进行探测，所述可见光光谱携带有关于待分析样品中元素的信息，
超声波探测单元用于对超声波进行无接触探测，能够基于干涉仪探测、或Q值满足105～107的高Q值谐振器探测的原理，在不接触样品的前提下获得超声信号，得到携带有关于待分析样品中缺陷信息的超声信号。


2.如权利要求1所述元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，其特征在于，超声波探测单元具体基于干涉仪探测原理检测超声波，该超声波探测单元包括分光器(14)、氦氖激光器(15)、激光干涉仪(16)和数字示波器(12),激光干涉仪(16)和数字示波器(12)电连接，数字示波器(12)用于显示超声波信号；
或者，超声波探测单元具体基于Q值满足105～107的高Q值谐振器探测原理检测超声波，该超声波探测单元包括光纤激光器(17)、Q值满足105～107的高Q值谐振器(18)、光电探测器(19)和数字示波器(12)，光电探测器(19)和数字示波器(12)电连接，数字示波器(12)用于显示超声波信号。


3.如权利要求1所述元素与缺陷的激光光声复合非接触检测系统，其特征在于，光谱探测单元包括半透半反镜(8)、全反射镜(4)、聚焦物镜(10)、光谱仪采集探头(2)、光谱仪(1)以及增强电荷耦合器件(6)，其中，
脉冲激光器(3)的出光口、半透半反镜(8)依次位于同一水平光路上，半透半反镜(8)的透射面与水平光路成45°角，
全反射镜(4)活动安装，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗为，郭连波，万青，叶晓琦，马浴阳，傅邱云，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42