[實用新型]基于雙波混頻的激光超聲測厚系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420458263.2
• 申請日: 2014-08-14
• 公開（公告）號: CN204101015U
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設計）人: 馬健;趙揚;宋江峰;翟瑞占;張振振;孫繼華;劉帥;陳建偉;郭銳;南鋼洋;王啟武
• 申請（專利權）人: 山東省科學院激光研究所
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 曲志波

技術領域

本實用新型涉及一種基于雙波混頻的激光超聲測厚系統(tǒng)。

背景技術

激光超聲縱波由脈沖激光器發(fā)出高峰值功率的脈沖激光，經(jīng)柔性導光臂輻照至工件表面上，當脈沖激光的功率密度大于材料的損傷閾值時，材料表面受輻照處吸收激光的能量迅速升溫并汽化，部分原子電離出電子形成等離子體，氣體（含等離子體）繼續(xù)吸收脈沖激光轉化的熱能急劇膨脹，瞬間爆炸產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波能夠在材料中產(chǎn)生縱波。激光超聲縱波在工件內部傳播，在工件表面的內法線方向縱波聲場指向性最為明顯；當遇到工件內表面時發(fā)生反射。記工件厚度為d，同一表面上縱波信號相鄰兩次到達的時間差為Δt，縱波速度為v，因此d=v*Δt/2。于是，利用干涉的方法測得工件表面的振動信息，使得工件測厚成為可能。

專利CN00809253.2提出了鋼管壁厚的激光超聲測量原理及方法，但并沒有給出應用于現(xiàn)場的雙波混頻激光超聲測厚系統(tǒng)具體實現(xiàn)形式，并且其權利要求的用于產(chǎn)生激光超聲的激光和用于測量激光超聲的激光均是由光纖耦合至所述管材附近，然而用光纖傳輸較大峰值功率的脈沖激光目前還存在著很多問題，例如光纖的選材和制作、光纖的冷卻、脈沖激光的耦合以及光纖的成本，此技術方案還不太成熟，目前尚未見到高峰值功率光纖傳輸技術的公開報道。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，激光超聲的產(chǎn)生還是采用激光器直接輻照于工件表面的形式。

在超聲縱波的接收部分，專利US7116428B2采用共焦式法布里-珀羅干涉儀進行管材測厚，但其對穩(wěn)定性要求較高，使用時需要做隔振處理，無疑增加了復雜性和成本。CN102506781?A利用空氣耦合探頭測厚，測量超聲波使用空氣作為耦合介質目前還面臨著一定的技術難度：由于空氣和工件之間的阻抗差距較大而引起的界面反射衰減嚴重，另外超聲波在空氣中衰減也十分嚴重。而經(jīng)過不斷發(fā)展和改進的雙波混頻技術日趨成熟，該技術在專利US5900935，US6115127均有涉及，二者皆描述了雙波混頻技術在超聲波接收方面的應用。但用于測量的連續(xù)激光均在空間中傳播，容易受環(huán)境影響，不利于連續(xù)激光的遠距離傳播，且檢測系統(tǒng)柔性較差。

發(fā)明內容

本實用新型提供了一種基于雙波混頻的激光超聲測厚系統(tǒng)，具體描述為，利用脈沖激光產(chǎn)生超聲縱波，利用連續(xù)激光和雙波混頻技術檢測超聲縱波信號進行工件厚度的測量，能夠適用于在線生產(chǎn)工件和在役工件厚度的非接觸測量。脈沖激光器的主要參數(shù)為：波長1064nm、單脈沖能量100mJ~400mJ，脈沖寬度為10ns；連續(xù)激光器的主要參數(shù)為：波長1550nm，功率200mW。

本實用新型所采用的技術措施是：一種基于雙波混頻的激光超聲測厚系統(tǒng)，脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，經(jīng)柔性導光臂輻照至工件表面上產(chǎn)生燒蝕，由此激勵出激光超聲縱波，且在工件表面的內法線方向縱波聲場指向性最為明顯。激光超聲縱波在工件中傳播，遇到工件內表面時發(fā)生反射。

連續(xù)激光器通過第一單模光纖和保偏光纖耦合器連接，保偏光纖耦合器通過第二單模光纖和探頭連接，使用連續(xù)激光接收工件表面的振動信息，連續(xù)激光器發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)由第一單模光纖傳輸至保偏光纖耦合器后，分為兩路：一路作為參考光沿第三單模光纖進入第一準直器變成平行光；另外一路沿第二單模光纖進入探頭，經(jīng)聚焦后照射至工件表面上，與此同時，工件表面反射光和散射光被探頭接收作為信號光，當連續(xù)激光照射處激光超聲縱波到達時，信號光便載有工件表面的振動信息。

信號光經(jīng)由多模光纖輸送至第二準直器變?yōu)槠叫泄狻５谝话氩ㄆ诙氩ㄆ谝黄穹止饫忡R，第三半波片和光折變晶體組成了一個完整的干涉儀，參考光經(jīng)過第一半波片到達光折變晶體；而信號光依次經(jīng)過第二半波片、第一偏振分光棱鏡、第三半波片進入光折變晶體。

從光折變晶體透射出的信號光和衍射出的參考光進行干涉，干涉后的光進入到光電探測器轉換為電壓信號，電壓信號經(jīng)同軸電纜送入信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)接收縱波信號，存儲多組測量數(shù)據(jù)，對時間差Δt取平均值，以減小測量誤差，另外根據(jù)d=v*Δt/2計算出工件的厚度，厚度值可直接在信號處理系統(tǒng)中顯示。