[發明專利]脈沖激光體縱波厚度測量系統

無效

• 申請號: 201210501113.0
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102967281A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 石一飛;張鷺;李旭東;蔡良續
• 申請（專利權）人: 中國航空綜合技術研究所
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

技術領域

本發明屬于測量技術，涉及一種厚度測量系統，特別是一種應用于金屬材料或非金屬材料厚度測量的脈沖激光體縱波測量系統。

背景技術

超聲波法測量材料或構件厚度的方法是從20世紀40年代開始發展的。通過材料超聲脈沖在材料中的傳播時間，與材料中的聲速相乘，即可以測量出材料的厚度。傳統的超聲波法采用壓電換能器作為超聲的激發和接收裝置，這種方法激發出的超聲波頻率較低，因此聲脈沖較長，因此測量精度較低，而且壓電換能器必須通過耦合劑緊貼在的材料表面上，無法實現非接觸測量及快速掃描。90年代以來，隨著激光超聲理論及技術的發展，采用短脈沖激光作為超聲波的激發源，并采用光學干涉儀接收的厚度測量系統也隨之出現（CN1357100、CN1363820）。這種測厚系統采用短脈沖激光激發聲脈沖，光學干涉儀測量反射聲脈沖的位移信號，從而得到材料的厚度。但該類系統利用的是反射聲脈沖，當樣品較薄時，反射聲脈沖與入射聲脈沖會發生疊加，大大降低測量精度，當樣品較厚或者材料衰減較大時，反射聲脈沖能量很小而很難被檢測到，也限制該方法的應用范圍。

發明內容

本發明的目的在于提供一種精度高、測量速度快、測量范圍寬，可以對金屬材料或非金屬材料進行厚度測量，而且造價低的脈沖激光體縱波厚度測量系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的，厚度測量系統包括脈沖激光器、激光干涉儀、分光鏡、凸透鏡、光電二極管以及電子計算機，分光鏡和凸透鏡依次設置在同一光路上，光電二極管位于分光鏡的反射光路上接收分光鏡的反射光，光電二極管輸出的電信號與電子計算機上的信號采集卡的一個接收端相連，電子計算機上的信號采集卡的另一接收端與激光干涉儀輸出端相連，脈沖激光器和激光干涉儀對心放置在被測樣品兩側，被測樣品放置在二維平移臺上，脈沖激光器發出的激光通過凸透鏡聚焦，在被測樣品一側激發出高頻超聲體縱波，通過激光干涉儀在被測樣品另一側對心方向接收直達的超聲體縱波，電子計算機得到超聲體縱波在被測樣品中傳播的時間，與電子計算機中設置的被測樣品的聲速相乘，實現被測樣品的厚度測量。本發明與現有技術相比其顯著的優點是：1、利用激光干涉儀探測超聲體縱波，相比壓電換能器可以將測量空間分辨率提高一個量級，操作簡單，非接觸式測量，可以用于快速、在線測量，也可用于高溫環境；2、采用脈沖激光器和激光干涉儀對心放置，被測樣品放置在二維電控平移臺上的方式，實現了激光在被測樣品表面的快速二維掃描，可以測量被測樣品厚度二維分布；3采用脈沖激光器和激光干涉儀對心放置，接收被測樣品傳播的直達超聲體縱波，避免了反射聲脈沖與入射聲脈沖的疊加，提高了測量精度，同時減少了聲波的傳播路程，擴大了可測樣品的厚度范圍。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

具體實施方式

本發明的具體結構由以下的附圖和實施例給出。

脈沖激光體縱波厚度測量系統，它包括脈沖激光器1、激光干涉儀6、分光鏡2、凸透鏡3、光電二極管8以及電子計算機7，分光鏡2和凸透鏡3依次設置在同一光路上，光電二極管8位于分光鏡2的反射光路上接收分光鏡2的反射光，其輸出的電信號與電子計算機7上的信號采集卡的接收端相連，信號采集卡的另一接收端與激光干涉儀6輸出端相連，本發明的特征在于，脈沖激光器1發出的激光通過凸透鏡3聚焦，在被測樣品4一側激發出高頻超聲體縱波，通過激光干涉儀6在被測樣品4另一側對心方向接收直達的超聲體縱波，從而測量出超聲體縱波在被測樣品4中傳播的時間，與已知的聲速相乘，就可以測量被測樣品4的厚度；采取脈沖激光器1和激光干涉儀6對心放置，被測樣品4放置在二維平移臺5上的方式，實現了激光在被測樣品4表面的快速二維掃描，可以測量被測樣品4厚度二維分布。

本發明是利用短脈沖激光器在樣品內部激發高頻率超聲體縱波，根據測量該波在材料內部傳播的時間來測量得到厚度值。用激光干涉儀作為超聲體縱波的接收裝置，采用脈沖激光器和激光干涉儀對心放置，樣品放置在二維電控平移臺上的方式，實現了激光在樣品表面的快速二維掃描，測得的超聲體縱波信號傳輸至電子計算機中，通過程序計算該波在材料內部傳播的時間與波速的乘積，從而實現樣品厚度二維分布的測量。其工作過程：由脈沖激光器發出激光，經過分光鏡時有一小部分光通過光電二極管作為電子計算機信號采集卡的觸發信號，其余激光經凸透鏡聚焦成點激發源，作用于的被測樣品一側，在樣品上激發超聲體縱波，并在樣品內部傳播至另一側表面。由于超聲體縱波會導致材料表面發生微小形變，此時，對心放置于被測樣品另一側的激光干涉儀，就能接收體縱波的位移信號，并轉換為電信號；該信號傳輸到電子計算機信號采集卡上，測量該波在材料內部傳播的時間，通過程序計算傳播的時間與波速的乘積，從而實現樣品厚度二維分布的測量。用于固定樣品的電控二維平移臺由電子計算機控制，實現被測樣品的二維平移。