[發明專利]一種元素與缺陷的激光光聲復合非接觸檢測系統

在審

• 申請號: 201910801864.6
• 申請日: 2019-08-28
• 公開（公告）號: CN110487897A
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 羅為;郭連波;萬青;葉曉琦;馬浴陽;傅邱云
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N21/88
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 許恒恒;李智<國際申請>=<國際公布>=

本發明屬于激光材料檢測領域，公開了一種元素與缺陷的激光光聲復合非接觸檢測系統，包括脈沖激光器、光譜探測單元、超聲波探測單元、樣品臺單元以及分析控制單元，其中，光譜探測單元用于對等離子體發射的可見光光譜進行探測，以獲得關于待分析樣品中元素的信息；超聲波探測單元用于對超聲波進行無接觸探測，基于干涉儀探測、或高Q值諧振器探測的原理，能夠在不接觸樣品的前提下獲得超聲信號，得到關于待分析樣品中缺陷的信息。本發明通過對裝置內各個組件的結構及其設置方式等進行改進，采用非接觸超聲波探測單元對伴隨激光激發產生的超聲波進行非接觸探測，可實現對樣品的元素和缺陷同時進行非接觸檢測與分析。

技術領域

本發明屬于激光材料檢測領域，更具體地，涉及一種元素與缺陷的激光光聲復合非接觸檢測系統，實現采用激光激發的元素成分和缺陷分布的復合非接觸檢測，該系統具體主要是通過激光對材料激發后產生的光、聲信號進行探測與分析，實現對靶材的元素與缺陷同時非接觸檢測。

背景技術

在工業應用中，材料缺陷不僅為產品使用埋下了安全隱患，而且大大降低了材料的穩定性和機械性能。在結構缺陷無損檢測方面，目前在工業領域中應用最為成熟和廣泛的檢測技術是超聲波檢測(UT)。超聲波檢測是利用超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術。激光超聲波檢測技術是超聲波檢測技術的一種，具有無損、安全、精度高的良好的檢測性能。

在激光超聲檢測技術中，傳統的超聲檢測均采用接觸式換能方法，即在超聲探頭與被檢材料或構件間用諸如油脂或水等聲耦合介質使超聲波的大部分能量傳入被檢工件。然而在化工、醫藥、輕工食品等行業中，有許多壓力容器都帶有保溫層，而且這部分壓力容器都是長久運行。要對這些壓力容器進行定期檢驗就必須停機拆除保溫層，打磨被測容器的表面，這些準備工作將浪費大量的人力物力，而且很多時候拆除后的保溫層很難恢復。另外，在高溫或高速生產的流水線上，一般的超聲探頭無法穩定地耦合到被檢工件上，因此非接觸光聲技術顯得尤為重要。

中國專利《輸氣管道內表層缺陷空氣耦合超聲非接觸檢測系統》(CN108896663，公布日2018年11月27日)介紹了一種輸氣管道內表層缺陷空氣耦合超聲非接觸檢測系統，用非接觸超聲檢測管道內表層缺陷。該現有技術中，空耦激勵探頭激發超聲縱波，縱波入射到管道壁面后產生表面波，表面波傳播范圍在管道表層，激勵探頭從而只檢測到管道表層缺陷。可見，該現有技術無法檢測結構內部缺陷，且探測缺陷精度不高(所用探頭激發出的超聲波頻率不高，大多是KHz-MHz)。

在元素分析方面，傳統的檢測手段包括化學分析法、XRF、ICP-OES等。然而，這些方法存在破壞樣品、耗時長等缺點，無法滿足現代元素檢測的快速、原位、微損甚至無損等需求，所以一種新的光譜檢測技術——激光誘導擊穿光譜(Laser Induced BreakdownSpectroscopy，簡稱LIBS)技術應運而生。

LIBS技術是一種新型的原子光譜分析技術，它是通過將激光聚焦到物質表面燒蝕產生等離子體，通過采集等離子體光譜來對物質進行元素分析，獲得其元素種類與含量。由于LIBS技術具有多元素同步實時分析、簡單或者無需樣品預處理、快速與無損檢測等特點，因此在金屬冶金、環境保護、國防工業、食品安全等領域具有廣泛的應用前景。

綜上所述，雖然LIBS技術和激光超聲檢測技術都具有優越的性能，但目前對材料的元素和缺陷都是采用單一技術手段分別進行分析，分析時間長，檢測成本高。并且目前的超聲波檢測技術大多為接觸式檢測，在探頭與待測樣品之間涂抹耦合劑避免超聲波的信號衰減，但是由于耦合涂敷量無法控制并且難以在不規則樣品上操作，這大大降低了檢測的穩定性并且限制了超聲波檢測的應用范圍。