專利名稱：小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種缺陷檢測系統(tǒng)，特別是一種用于檢測小尺寸材料淺層缺陷的檢測 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)中，由于原材料材質(zhì)、加工工藝、熱處理等方面的原因，生產(chǎn)的工件內(nèi) 往往存在缺陷。這些缺陷會在外加應(yīng)力、高溫、高壓和惡劣環(huán)境的作用下快速地增長，如果 不能及時檢測出工件內(nèi)的缺陷，就有可能導(dǎo)致重大惡性事故的發(fā)生。因此，缺陷的檢測在工 業(yè)生產(chǎn)中具有很重要的意義。而超聲檢測技術(shù)是一種檢測可靠、測定迅速、便于在線使用、 對人體無害的檢測技術(shù)，因而在材料缺陷檢測中廣泛地應(yīng)用，并且已經(jīng)發(fā)展并建立了各種 超聲檢測裝置和系統(tǒng)。專利號200410073690. X公開了一種超聲檢測系統(tǒng)，名稱為“一種新 型超聲波檢測裝置及檢測方法”，它主要由超聲波探頭及聯(lián)動裝置、發(fā)射/接收電路、控制/ 處理單元、顯示器和人機對話接口。該裝置中采用壓電換能器作為超聲波的激發(fā)和接收裝 置，這種方法可以簡單有效地探測材料中的缺陷。但聲換能器必須通過耦合劑緊貼在材料 表面，無法實現(xiàn)非接觸檢測及快速掃描，對于小尺寸材料中缺陷的檢測時，聲換能器根本無 法耦合到材料表面。另外，該方法激發(fā)出的超聲波頻率較低，因此空間和時間分辨率低，無 法檢測淺層微小缺陷。隨著激光超聲技術(shù)的發(fā)展，2006年Hongjoon Kim等人在NDT&E International, 39，312中報道了一種激光超聲缺陷檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用短脈沖激光作為檢測超聲波的激 發(fā)源，并采用邁克爾遜干涉儀接收超聲波傳播過程中引起物體表面的位移量，從而得到超 聲波波形和頻譜；利用超聲波在傳播過程中與缺陷相互作用，經(jīng)缺陷反射后引起反射超聲 回波，根據(jù)在物體表面不同位置接收到的反射超聲回波的頻譜和到達時間，測出缺陷的形 狀、大小和位置等參量。這種激光超聲檢測系統(tǒng)對比上述解決方案有明顯的優(yōu)點非接觸、 分辨率高等，從而可以用于小尺寸材料中缺陷的檢測。但該系統(tǒng)中所采用的邁克爾遜干涉 儀容易受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致測量不準確；其次，邁克爾遜干涉儀對激光源相干性要求高， 而且探測表面位移時，要求物體表面具有很高的反射率，而實踐中往往無法實現(xiàn)，所以不利 于該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。另外，該系統(tǒng)需要對材料表面進行掃描，得到不同位置處的超聲波信 號，因此無法實現(xiàn)快速檢測。如何解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點已成為現(xiàn)有激光超聲缺陷檢測 技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種測量精度高、能夠快速檢測小尺寸材料淺 層缺陷的系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，包括脈 沖激光器、分光鏡、柱面凸透鏡、接收傳感器、高精度延時裝置、電子計算機，所述分光鏡設(shè) 置在脈沖激光器的前方，脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡分成兩束，一束激光通過柱面凸透鏡聚焦入射到待測材料的表面，另一束激光入射到高精度延時裝置上，高精度延時裝置 的輸出端與接收傳感器的輸入端相連接，高精度延時裝置接收到激光信號后延時一段時 間，之后輸出電信號作為接收傳感器的觸發(fā)信號，接收傳感器接收到觸發(fā)信號后開始探測 待測材料上傳播的超聲波信號，并將探測到的超聲波信號傳輸給電子計算機進行處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點第一，檢測精度高，可以檢測固體材料淺層 納米量級的微小缺陷；第二，對被檢測固體材料表面的要求不高，適于檢測具有粗糙表面的 固體材料；第三，所采用的接收傳感器可以實現(xiàn)超聲波場的二維接收，因而可以實現(xiàn)快速檢 測，可廣泛適用于小尺寸材料淺層缺陷的快速檢測。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是發(fā)明的一種小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)中接收傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，包括脈沖激光器101、分 光鏡102、柱面凸透鏡103、接收傳感器105、高精度延時裝置106、電子計算機107，所述分光 鏡102設(shè)置在脈沖激光器101的前方，脈沖激光器101發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡102分成兩束， 一束激光通過柱面凸透鏡103聚焦入射到待測材料104的表面，另一束激光入射到高精度 延時裝置106上，高精度延時裝置106的輸出端與接收傳感器105的輸入端相連接，高精度 延時裝置106接收到激光信號后延時一段時間，之后輸出電信號作為接收傳感器105的觸 發(fā)信號，接收傳感器105接收到觸發(fā)信號后開始探測待測材料104上傳播的超聲波信號，并 將探測到的超聲波信號傳輸給電子計算機107進行處理。高精度延時裝置106的延時時間為兩個時間之和，其中一個時間為分光鏡102分 出的光束入射到待測材料104的表面的時間，另一個時間為超聲波在待測材料104中從激 發(fā)位置傳播到探測位置的時間，上述激發(fā)點為激光通過柱面凸透鏡103聚焦入射到待測材 料104的入射位置，探測點為接收傳感器105探測待測材料104的位置。接收傳感器105包括He-Ne激光器201、擴束準直裝置202、第一分光鏡203、第一 反射鏡204、第二反射鏡205、第二分光鏡206、第三反射鏡207、高象素(XD照相機208，擴 束準直裝置202位于He-Ne激光器201的前方，He-Ne激光器201發(fā)出的激光經(jīng)擴束準直 裝置202擴束準直后由第一分光鏡203分成兩束，其中一束經(jīng)第一反射鏡204、第二反射鏡 205反射后入射至第二分光鏡206 ；另外一束直接入射至第二分光鏡206，通過該分光鏡后入射至第三反射鏡207，經(jīng) 反射鏡反射后再次入射至第二分光鏡206，與經(jīng)第二反射鏡205反射后入射至第二分光鏡 206的光線相干涉，形成的干涉圖被高象素CCD照相機208所采集，該高象素CCD照相機在 高精度延時裝置106的控制下拍照并將拍攝的圖像傳輸至電子計算機107處理；上述第二 分光鏡206與第三反射鏡207的正下方為待測材料104。第二分光鏡206與第三反射鏡207 之間的光線穿過待測材料104中傳播的超聲波場，其余光線不經(jīng)過該超聲波場。本發(fā)明的小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)的脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡反射部分光到高精度延時裝置，其余的光經(jīng)柱面凸透鏡入射到固體材料表面，高精度延時裝 置輸出端與接收傳感器相連，接收傳感器的輸出端與電子計算機相連。本發(fā)明的特征在于 接收傳感器由He-Ne激光器、擴束準直裝置、分光鏡、反射鏡組成。He-Ne激光器出射的激光 束經(jīng)擴束準直裝置入射到分光鏡，經(jīng)分光鏡分成兩束光，其中一束作為參考光束，另外一束 作為探測光束通過超聲波場入射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射后與參考光束相互發(fā)生干涉， 形成的干涉圖像由高象素CCD照相機來接收，輸入到電子計算機中。這種接收傳感器可在 一定程度上降低激光源相干性的要求，且具有調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點。另外，這種接收傳感器是一 種二維的光學(xué)接收裝置，可以一次測量中得到超聲波場的二維信息，因此在檢測過程中不 需要對此材料表面進行掃描，從而可以實現(xiàn)快速檢測。本發(fā)明是利用短脈沖激光器在空氣和固體材料的交界面上激發(fā)出高功率、窄頻帶 的超聲波，根據(jù)該波在固體材料表面?zhèn)鞑r與缺陷相互作用后反射超聲波場的頻譜和到達 時間得到缺陷的形狀、位置等參量。用改進的馬赫_曾德爾干涉儀(接受傳感器105)作為 超聲波場的接收裝置，測得的超聲波場信號傳輸至電子計算機中，通過程序進行計算處理， 從而實現(xiàn)固體材料淺層缺陷的檢測。其具體工作過程是由脈沖激光器發(fā)出的激光束，經(jīng)分 光鏡反射部分光通過高精度延時裝置作為接收傳感器的觸發(fā)信號，其余光能經(jīng)柱面凸透鏡 聚焦成線激發(fā)源，作用于水平放置的被測固體材料上，在空氣和固體材料的交界面上激發(fā) 出超聲波場，并沿固體材料表面?zhèn)鞑ブ撂綔y點位置。由于超聲波場在沿固體材料表面?zhèn)鞑?過程中，引起空氣折射率的變化，此時，放置于超聲波場傳播路徑上的接收傳感器，通過光 的干涉接收超聲波場信號，形成的干涉圖像通過高象素CCD照相機記錄并傳輸?shù)诫娮佑嬎?機上，根據(jù)超聲場與缺陷相互作用原理，對干涉圖像進行計算處理，得到固體材料淺層缺陷 的信息。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述結(jié)合圖1，本發(fā)明的小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，由激光器101、分光鏡102，柱 面凸透鏡103，固體材料104，接收傳感器105，高精度延時裝置106、電子計算機107組成。 其中，由脈沖激光器101、分光鏡102、柱面凸透鏡103、固體材料104組成超聲波的激發(fā)部 分，由接收傳感器105和電子計算機107組成超聲波場的接收部分。脈沖激光器101采用短 脈沖激光器，其輸出波長為1064nm、脈寬10ns、其單脈沖輸出能量為70mJ ；分光鏡102和柱 面凸透鏡103設(shè)置在同一光路上，在分光鏡102的反射光路上設(shè)置有高精度延時裝置106 ； 脈沖激光器101發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡102反射的部分光經(jīng)高精度延時裝置106延時后， 并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至接收傳感器105，作為接收傳感器105的啟動記錄的觸發(fā)信號。其余 的光經(jīng)柱面凸透鏡103聚焦成長25mm、寬200um的線光源，入射到固體材料104表面上，在 空氣和固體材料104的交界面上激發(fā)出超聲波場。超聲波場由接收傳感器105接收，并輸 入到電子計算機107中。結(jié)合圖2，接收傳感器是由He-Ne激光器201、擴束準直裝置202、第一分光鏡203、 第一反射鏡204、第二反射鏡205、第二分光鏡206、第三反射鏡207、高象素(XD照相機208 組成。He-Ne激光器201的輸出波長為632. 8nm,功率為5mW，其出射的連續(xù)He_Ne激光經(jīng)擴 束準直裝置202后入射到第一分光鏡203上，由第一分光鏡203分成兩束光，其中一束光作 為參考光束經(jīng)第一反射鏡204和第二反射鏡205改變傳播方向，入射到第二分光鏡206上， 另外一束光作為探測光束經(jīng)第二分光鏡206后，穿過超聲波場后經(jīng)第三反射鏡207反射后，再次入射到第二分光鏡206上，參考光束和探測光束形成的干涉圖象由高象素CCD照相機 208記錄后，輸入到電子計算機107中。當脈沖激光器101發(fā)出的激光在空氣和固體材料 104的交界面上激發(fā)超聲波場時，超聲波場沿固體材料104表面?zhèn)鞑ブ两邮諅鞲衅?05的探 測點，由于超聲波場導(dǎo)致固體材料附近空氣的折射率發(fā)生微小變化，折射率的變化與超聲 波場壓強成正比，那么垂直超聲波場傳播路徑，平行固體材料表面穿過超聲波場的由接收 傳感器105發(fā)出的探測光束發(fā)生相位延遲，相位的延遲和折射率的變化有關(guān)，從而探測光 束攜帶了超聲波的信息，此時探測光束與參考光束相干形成的干涉圖像發(fā)生變化，根據(jù)干 涉圖像的變化通過程序計算可以得到超聲波場的二維信息。上述的固體材料104作為被檢 測對象，可以是小尺寸的固體材料。
權(quán)利要求
一種小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括脈沖激光器[101]、分光鏡[102]、柱面凸透鏡[103]、接收傳感器[105]、高精度延時裝置[106]、電子計算機[107]，所述分光鏡[102]設(shè)置在脈沖激光器[101]的前方，脈沖激光器[101]發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡[102]分成兩束，一束激光通過柱面凸透鏡[103]聚焦入射到待測材料[104]的表面，另一束激光入射到高精度延時裝置[106]上，高精度延時裝置[106]的輸出端與接收傳感器[105]的輸入端相連接，高精度延時裝置[106]接收到激光信號后延時一段時間，之后輸出電信號作為接收傳感器[105]的觸發(fā)信號，接收傳感器[105]接收到觸發(fā)信號后開始探測待測材料[104]上傳播的超聲波信號，并將探測到的超聲波信號傳輸給電子計算機[107]進行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，其特征在于，高精度延時裝 置[106]的延時時間為兩個時間之和，其中一個時間為分光鏡[102]分出的光束入射到待 測材料[104]的表面的時間，另一個時間為超聲波在待測材料[104]中從激發(fā)位置傳播到 探測位置的時間，上述激發(fā)位置為激光通過柱面凸透鏡[103]聚焦入射到待測材料[104] 的入射位置，探測位置為接收傳感器[105]探測待測材料[104]的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，其特征在于，接收傳感 器[105]包括He-Ne激光器[201]、擴束準直裝置[202]、第一分光鏡[203]、第一反射鏡 [204]、第二反射鏡[205]、第二分光鏡[206]、第三反射鏡[207]、高象素CCD照相機[208], 擴束準直裝置[202]位于He-Ne激光器[201]的前方，He_Ne激光器[201]發(fā)出的激光經(jīng) 擴束準直裝置[202]擴束準直后由第一分光鏡[203]分成兩束，其中一束經(jīng)第一反射鏡 [204]、第二反射鏡[205]反射后入射至第二分光鏡[206]；另外一束直接入射至第二分光鏡[206]，通過該分光鏡后入射至第三反射鏡[207]，經(jīng) 反射鏡反射后再次入射至第二分光鏡[206]，與經(jīng)第二反射鏡[205]反射后入射至第二分 光鏡[206]的光線相干涉，形成的干涉圖被高象素CCD照相機[208]所采集，該高象素CCD 照相機在高精度延時裝置[106]的控制下拍照并將采集的圖像傳輸至電子計算機[107]進 行處理；上述第二分光鏡[206]與第三反射鏡[207]的正下方為待測材料[104]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小尺寸材料淺層缺陷檢測系統(tǒng)，包括脈沖激光器、分光鏡、柱面凸透鏡、接收傳感器、高精度延時裝置、電子計算機，所述分光鏡設(shè)置在脈沖激光器的前方，脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡分成兩束，一束激光通過柱面凸透鏡聚焦入射到待測材料的表面，另一束激光入射到高精度延時裝置上，高精度延時裝置的輸出端與接收傳感器的輸入端相連接，高精度延時裝置接收到激光信號后延時一段時間，之后輸出電信號作為接收傳感器的觸發(fā)信號，接收傳感器接收到觸發(fā)信號后開始探測待測材料上傳播的超聲波信號，并將探測到的超聲波信號傳輸給電子計算機進行處理。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)檢測精度高，可以檢測固體材料淺層納米量級的微小缺陷。
文檔編號G01N29/34GK101858890SQ20101017199
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者倪曉武, 崔一平, 沈中華, 趙艷, 陸建 申請人:東南大學(xué);南京理工大學(xué)