一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备及方法与流程

1.本发明涉及激光无损检测技术领域，具体涉及一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备及方法。


背景技术：

2.激光超声是一种非接触,高精度,无损伤的新型超声检测技术，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。目前使用的激光超声设备包含激光激励和激光干涉接收两个部分，设备体积大，且设备之间存在干扰问题，影响激光超声探伤信号强度。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备及方法，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：一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备，包括：
5.分束器件，其布置在激光器的出射端，具有两个出射端；
6.振镜，其布置在分束器件的其中一个出射端；
7.扩束镜，其布置在分束器件的另一个出射端；
8.剪切装置，其用于获取工件表面所产生的漫射光；
9.ccd相机，其布置在剪切装置的出射端；
10.信号处理器，其分别与ccd相机、激光器和振镜电连接。
11.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
12.进一步，还包括光开关，其布置在分束器件的出射端与振镜之间。
13.进一步，分束器件包括：
14.分束棱镜，其布置在激光器的出射端，具有两个出射端；
15.反光镜，其布置在分束棱镜的其中一个出射端；
16.振镜及扩束镜分别布置在分束棱镜的另一个出射端和反光镜的反射端。
17.进一步，剪切装置为迈克尔逊剪切装置。
18.进一步，迈克尔逊剪切装置包括：
19.分光棱镜，其用以接收工件表面所产生的漫射光；
20.第一平面镜，其布置在分光棱镜的一侧，且垂直于光轴；
21.第二平面镜，其布置在分光棱镜的一侧，且相对光轴倾斜；
22.成像镜头，其布置在分光棱镜的出射端与ccd相机之间。
23.进一步，扩束镜的倍数为4～10倍。
24.进一步，激光器采用高能量连续激光器。
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。
27.一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测方法，包括如下步骤：
28.s100、激光器发射脉冲激光，并通过分束棱镜分为两束；
29.s200、由分束棱镜所分的一束脉冲激光发射至光开关，并通过光开关控制出光为点间隔出光，出光时间按照振镜扫描的频率同步，通过光开关的光出射到达振镜上，并在振镜的作用下于工件上形成面阵扫描；
30.s300、由分束棱镜所分的另一束脉冲激光经反光镜改变方向，通过扩束镜扩束后以大光斑的形式照在工件上；
31.s400、从工件表面漫反射的漫射光通过分光棱镜分成两束，再分别由第一平面镜和第二平面镜反射，由第二平面镜反射后的光束将偏转一定的角度，由第一平面镜反射后的光束则依旧垂直于光轴，两束反射光再次通过分光棱镜汇聚，并通过成像镜头后在ccd相机的靶面上形成两个相互错位的像，两个像相互干涉并形成一幅剪切散斑干涉图像；
32.s500、信号处理器获取ccd相机所采集的干涉图像，并根据干涉图像的形状和分布获知被工件的离面变形信息，即可识别缺陷。
33.本发明的有益效果是：
34.1)利用剪切散斑术进行位移测量，测量的位移导数即应变，以实现缺陷检测，对应力集中处较敏感，灵敏度高；
35.2)激光激励和激光干涉用同一个光源，体积重量大幅度减小；
36.3)采用ccd相机，视场大；
37.4)激光激励和激光接收实时同步；
38.5)使用连续激光器加上光开关实现激光超声点阵激励；
39.6)剪切装置形成的两个干涉场基本上是共光路的，因此不易受到外界环境振动、空气扰动等因素的干扰，克服了隔振的要求。
附图说明
40.图1为本发明所述基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备的光路图。
41.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
42.1、激光器，2、分束器件，210、分束棱镜，220、反光镜，3、振镜，4、扩束镜，5、剪切装置，510、分光棱镜，520、第一平面镜，530、第二平面镜，540、成像镜头，6、ccd相机，7、信号处理器，8、光开关。
具体实施方式
43.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。
44.实施例1
45.如图1所示，一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备，包括：
46.激光器1、分束器件2、振镜3、扩束镜4、剪切装置5、ccd相机6和信号处理器7；
47.激光器1用于发射脉冲激光；
48.分束器件2布置在激光器1的出射端，分束器件2具有两个出射端，激光器1所发射
的脉冲激光进入分束器件2，并由分束器件2分为两束，然后分别由两个出射端射出；
49.振镜3布置在分束器件2的其中一个出射端，而由分束器件2的其中一个出射端所射出的脉冲激光将进入振镜3内，然后振镜3则将进入的点激光转化为面阵激光后照射在工件上，以使工件产生超声波；
50.扩束镜4布置在分束器件2的另一个出射端，由分束器件2的另一个出射端所射出的脉冲激光将进入扩束镜4内，并通过扩束镜4将光束直径扩大后照射在工件上，以让工件表面所产生漫反射；
51.剪切装置5用于获取工件表面所产生的漫射光；
52.ccd相机6布置在剪切装置5的出射端，让从剪切装置5中射出的两束光在靶面上形成两个相互错位的像，两个像相互干涉并形成一幅剪切散斑干涉图像；
53.信号处理器7的信号输入端与ccd相机6的信号输出端电连接；
54.信号处理器7的信号输出端与激光器1的信号输入端电连接；
55.信号处理器7的信号输出端与振镜3的信号输入端电连接。
56.实施例2
57.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：
58.基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测设备还包括光开关8，光开关8布置在分束器件2的出射端与振镜3之间，光开关8用以实现光的通断，从而控制出光为点间隔出光，光开关8的灵敏度应达到1ms以上。
59.实施例3
60.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：
61.分束器件2包括：分束棱镜210和反光镜220；
62.分束棱镜210布置在激光器1的出射端，分束棱镜210具有两个出射端；
63.激光器1所发射的脉冲激光进入分束棱镜210，并由分束棱镜210分为两束，然后分别由两个出射端射出；
64.反光镜220布置在分束棱镜210的其中一个出射端；
65.振镜3及扩束镜4分别布置在分束棱镜210的另一个出射端和反光镜220的反射端；
66.由分束器件2的其中一个出射端所射出的脉冲激光经反光镜220改变方向后进入扩束镜4内，并通过扩束镜4将光束直径扩大，而由分束器件2的另一个出射端所射出的脉冲激光将经光开关8后将进入振镜3内。
67.实施例4
68.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：
69.剪切装置5优选为迈克尔逊剪切装置，当然还可以是其他剪切装置。
70.在本实施例中，迈克尔逊剪切装置包括：分光棱镜510、第一平面镜520、第二平面镜530和成像镜头540；
71.分光棱镜510用以接收工件表面所产生的漫射光；
72.第一平面镜520布置在分光棱镜510的一侧，且垂直于光轴；
73.第二平面镜530布置在分光棱镜510的一侧，且不垂直于光轴，而是倾斜一个微小
的角度；
74.成像镜头540布置在分光棱镜510的出射端与ccd相机6之间，漫射光通过分光棱镜510分成两束，再分别由第一平面镜520和第二平面镜530反射，由第二平面镜530反射后的光束将偏转一定的角度，由第一平面镜520反射后的光束则依旧垂直于光轴，两束反射光再次通过分光棱镜510汇聚，并通过成像镜头540后在ccd相机6的靶面上形成两个相互错位的像。
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.扩束镜4的倍数为4～10倍。
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.激光器1优选采用高能量连续激光器；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。
81.激光器1所发射脉冲激光的能量密度大于500uj/cm2，平均功率为1w-100w，重复频率满足1hz-100khz可调范围。
82.实施例7
83.一种基于剪切散斑干涉的激光超声无损检测方法，包括如下步骤：
84.s100、激光器1发射脉冲激光，并通过分束棱镜210分为两束；
85.s200、由分束棱镜210所分的一束脉冲激光发射至光开关8，并通过光开关8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，通过光开关8的光出射到达振镜3上，并在振镜3的作用下于工件上形成面阵扫描；
86.s300、由分束棱镜210所分的另一束脉冲激光经反光镜220改变方向，通过扩束镜4扩束后以大光斑的形式照在工件上；
87.s400、从工件表面漫反射的漫射光通过分光棱镜510分成两束，再分别由第一平面镜520和第二平面镜530反射，由第二平面镜530反射后的光束将偏转一定的角度，由第一平面镜520反射后的光束则依旧垂直于光轴，两束反射光再次通过分光棱镜510汇聚，并通过成像镜头540后在ccd相机6的靶面上形成两个相互错位的像，两个像相互干涉并形成一幅剪切散斑干涉图像；
88.s500、信号处理器7获取ccd相机6所采集的干涉图像，并根据干涉图像的形状和分布获知被工件的离面变形信息，即可识别缺陷。
89.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。