一种光纤双频干涉激光超声探伤设备及方法与流程

1.本发明涉及激光无损检测技术领域，具体涉及一种光纤双频干涉激光超声探伤设备及方法。


背景技术：

2.激光超声是一种非接触,高精度,无损伤的超声检测技术，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、内部及表面缺陷，材料参数等等。目前使用主要为单频的激光干涉仪，它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤双频干涉激光超声探伤设备及方法，以克服上述现有技术中的不足。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光纤双频干涉激光超声探伤设备，包括：
5.第一光纤耦合器，其与激光器相连；
6.振镜，其与第一光纤耦合器相连；
7.光纤偏振分束器，其与第一光纤耦合器相连；
8.第二光纤耦合器，其与光纤偏振分束器相连；
9.第三光纤耦合器，其与光纤偏振分束器相连；
10.第四光纤耦合器，其分别与第二光纤耦合器和第三光纤耦合器相连；
11.第一光纤环形器，其与第二光纤耦合器相连；
12.光纤反射镜，其布置在第一光纤环形器的出射端；
13.第二光纤环形器，其与第三光纤耦合器相连；
14.第一场镜，其与第二光纤环形器相连；
15.第五光纤耦合器，其分别与第一光纤环形器和第二光纤环形器相连；
16.双通道光电探测器，其分别与第四光纤耦合器和第五光纤耦合器相连；
17.信号处理端，其与双通道光电探测器电连接。
18.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
19.进一步，还包括第二场镜，其与振镜的出射端相连。
20.进一步，还包括光开关，其分别与第一光纤耦合器的出射端和振镜的入射端相连。
21.进一步，还包括第一光纤准直器，其分别与光开关的出射端和振镜的入射端相连。
22.进一步，还包括第二光纤准直器，其分别与第二光纤环形器的出射端和第一场镜的入射端相连。
23.进一步，第一光纤耦合器的分光比为1:99，第一光纤耦合器所分的占比99％的脉冲激光进入振镜，占比1％的脉冲激光进入光纤偏振分束器。
24.进一步，激光器为高能量光纤连续激光器。
25.进一步，激光器发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
26.进一步，激光器所发射脉冲激光的能量密度大于500uj/cm2。
27.一种光纤双频干涉激光超声探伤方法，包括如下步骤：
28.s100、激光器发射脉冲激光，并通过第一光纤耦合器分为两束，一束为占比99％的脉冲激光束，另一束为占比1％的脉冲激光束；
29.s200、光开关控制点间隔出光，出光时间与振镜扫描的频率同步，第一光纤耦合器所分出的占比99％的脉冲激光束通过第一光纤准直器出射到达振镜上，在振镜的作用下形成面阵扫描，再通过第二场镜定场和聚焦在工件上；
30.s300、第一光纤耦合器所分出的占比1％的脉冲激光束通过光纤偏振分束器分为水平偏振和竖直偏振的两束正交偏振方向的线偏振光,两束光频率分别记为f1和f2,线偏振光分别被第二光纤耦合器和第三光纤耦合器分为两束；
31.第二光纤耦合器和第三光纤耦合器分出的其中一束在第四光纤耦合器的作用下合为一束频率为f1-f2的光，并被双通道光电探测器接收；
32.另一束从第二光纤耦合器出来的频率为f1的光束到达第一光纤环形器，并通过光纤反射镜反射回到第一光纤环形器，再到达第五光纤耦合器处；
33.另一束从第三光纤耦合器出来的频率为f2的光通过第二光纤环形器到达第二光纤准直器，再从第一场镜中出射到工件上，从工件上的散射回来频率为f2
±△
f的光携带样品信息又回到第一场镜，再通过第二光纤环形器到达第五光纤耦合器处；
34.两束回光在第五光纤耦合器处发生干涉得到一束频率为f1-(f2
±△
f)的光，被双通道光电探测器接收。
35.s400、将分别得到的频率为f1-f2和频率为f1-(f2
±△
f)的光经过放大、整形后进行相减，输出成为仅含有
±△
f的电脉冲信号，经计数后，进行当量换算后即可得出激光在工件上产生的超声引起的位移信号，以完成探测超声信号及分析处理。
36.本发明的有益效果是：
37.1)使用双频激光作为激光干涉测量信号，能探测微弱信号，抗环境影响，即使光强衰减90％，仍然可以得到有效的干涉信号；
38.2)激光激励和激光干涉用同一个光源；
39.3)使用连续激光器加上光开关实现激光超声点阵激励；
40.4)激光激励和激光接收实时同步；
41.5)精度高，可达微米级别；
42.6)可远距离进行表面无损检测。
附图说明
43.图1为本发明所述光纤双频干涉激光超声探伤设备的光路图。
44.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
45.1、激光器，2、第一光纤耦合器，3、振镜，4、光纤偏振分束器，5、第二光纤耦合器，6、
第三光纤耦合器，7、第四光纤耦合器，8、第一光纤环形器，9、光纤反射镜，10、第二光纤环形器，11、第一场镜，12、第五光纤耦合器，13、双通道光电探测器，14、信号处理端，15、第二场镜，16、光开关，17、第一光纤准直器，18、第二光纤准直器。
具体实施方式
46.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
47.实施例1
48.如图1所示，一种光纤双频干涉激光超声探伤设备，包括：
49.激光器1、第一光纤耦合器2、振镜3、光纤偏振分束器4、第二光纤耦合器5、第三光纤耦合器6、第四光纤耦合器7、第一光纤环形器8、光纤反射镜9、第二光纤环形器10、第一场镜11、第五光纤耦合器12、双通道光电探测器13和信号处理端14；
50.激光器1用以发射脉冲激光；
51.激光器1的出射端与第一光纤耦合器2的入射端相连；
52.振镜3的入射端与第一光纤耦合器2的出射端相连；
53.光纤偏振分束器4的入射端与第一光纤耦合器2的出射端相连；
54.第二光纤耦合器5的入射端与光纤偏振分束器4的出射端相连；
55.第三光纤耦合器6的入射端与光纤偏振分束器4的出射端相连；
56.第四光纤耦合器7的入射端分别与第二光纤耦合器5的出射端和第三光纤耦合器6的出射端相连；
57.第一光纤环形器8的入射端与第二光纤耦合器5的出射端相连；
58.光纤反射镜9布置在第一光纤环形器8的出射端；
59.第二光纤环形器10的入射端与第三光纤耦合器6的出射端相连；
60.第一场镜11的入射端与第二光纤环形器10的出射端相连；
61.第五光纤耦合器12的入射端分别与第一光纤环形器8的出射端和第二光纤环形器10的出射端相连；
62.双通道光电探测器13的入射端分别与第四光纤耦合器7的出射端和第五光纤耦合器12的出射端相连；
63.信号处理端14的信号输入端与双通道光电探测器13的信号输出端电连接；
64.激光器1的信号输入端与信号处理端14的信号输出端电连接；
65.振镜3的信号输入端与信号处理端14的信号输出端电连接。
66.实施例2
67.如图1所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
68.光纤双频干涉激光超声探伤设备还包括第二场镜15，第二场镜15设置在振镜3的出射端，第二场镜15用于激光定场和聚焦。
69.实施例3
70.如图1所示，本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
71.光纤双频干涉激光超声探伤设备还包括光开关16，光开关16分别与第一光纤耦合
器2的出射端和振镜3的入射端相连，光开关16可实现光的通断，光开关16的灵敏度应达到1ms以上。
72.实施例4
73.如图1所示，本实施例为在实施例1或2或3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
74.光纤双频干涉激光超声探伤设备还包括第一光纤准直器17，第一光纤准直器17分别与光开关16的出射端和振镜3的入射端相连，第一光纤准直器17用以将光纤传输过来的光准直之后出射。
75.实施例5
76.如图1所示，本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
77.光纤双频干涉激光超声探伤设备还包括第二光纤准直器18，其分别与第二光纤环形器10的出射端和第一场镜11的入射端相连，第二光纤准直器18用以将光纤传输过来的光准直后出射。
78.实施例6
79.如图1所示，本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
80.第一光纤耦合器2的分光比为1:99，第一光纤耦合器2所分的占比99％的脉冲激光进入振镜3，占比1％的脉冲激光进入光纤偏振分束器4。
81.实施例7
82.如图1所示，本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
83.激光器1优选为高能量光纤连续激光器，通常激光器1发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光，此类波段脉冲激光能较好的在工件上产生强度合适的超声信号。
84.激光器1所发射脉冲激光的能量密度大于500uj/cm2，激光器1平均功率为1w～100w，激光的重复频率满足1hz～100khz可调范围。
85.实施例8
86.一种光纤双频干涉激光超声探伤方法，包括如下步骤：
87.s100、激光器1发射脉冲激光，并通过第一光纤耦合器2分为两束，一束为占比99％的脉冲激光束，占比99％的脉冲激光作为激光超声激励源，另一束为占比1％的脉冲激光束，占比1％的脉冲激光作为干涉源；
88.s200、光开关16控制出光为点间隔出光，出光时间按照振镜3扫描的频率同步，第一光纤耦合器2所分出的占比99％的脉冲激光束通过第一光纤准直器17出射到达振镜3上，在振镜3的作用下形成面阵扫描，再通过第二场镜15定场和聚焦在工件上；
89.s300、第一光纤耦合器2所分出的占比1％的脉冲激光束通过光纤偏振分束器4分为水平偏振和竖直偏振的两束正交偏振方向的线偏振光,两束光频率分别记为f1和f2,线偏振光分别被第二光纤耦合器5和第三光纤耦合器6分为两束；
90.第二光纤耦合器5和第三光纤耦合器6分出的其中一束在第四光纤耦合器7的作用下合为一束频率为f1-f2的光，并被双通道光电探测器13接收；
91.另一束从第二光纤耦合器5出来的频率为f1的光束到达第一光纤环形器8，并通过光纤反射镜9反射回到第一光纤环形器8，再到达第五光纤耦合器12处；
92.另一束从第三光纤耦合器6出来的频率为f2的光通过第二光纤环形器10到达第二光纤准直器18，再从第一场镜11中出射到工件上，从工件上的散射回来频率为f2
±△
f(正负号表示信号移动方向)的光携带样品信息又回到第一场镜11，再通过第二光纤环形器10到达第五光纤耦合器12处；
93.两束回光在第五光纤耦合器12处发生干涉得到一束频率为f1-(f2
±△
f)的光，被双通道光电探测器13接收。
94.s400、信号处理端14将分别得到的频率为f1-f2和频率为f1-(f2
±△
f)的光经过放大、整形后进行相减，其中，放大可以采用放大器，整形可以采用整形器，相减可以采用减法器，输出成为仅含有
±△
f的电脉冲信号，经可逆计数器计数后，进行当量换算(乘1/2激光波长)后即可得出激光在工件上产生的超声引起的位移信号，以完成探测超声信号及分析处理。
95.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。