一種激光-電磁超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，屬于金屬材料無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)領(lǐng)域。這種無損檢測(cè)系統(tǒng)首先利用脈沖激光器系統(tǒng)發(fā)射出脈沖激光，通過線聚焦光學(xué)透鏡輸送至金屬材料表面，利用激光引起金屬材料表面的熱膨脹原理或燒蝕原理，激勵(lì)出超聲波，然后利用所設(shè)計(jì)的電磁超聲傳感器可以在提離距離≤10mm（提離距離是指電磁超聲傳感器與被檢測(cè)材料之間的距離）范圍內(nèi)接收超聲波信號(hào)。本系統(tǒng)克服了現(xiàn)有激光超聲檢測(cè)技術(shù)難以用于表面粗糙材料檢測(cè)的問題，擺脫了電磁超聲傳感器提離距離必須小于2mm的限制，系統(tǒng)所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于實(shí)用化，測(cè)量精度高，可重復(fù)性好，有助于激光-電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種激光-電磁超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，屬于金屬材料無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
迄今為止，尚未見到能在提離距離為10 mm進(jìn)行無損檢測(cè)的激光-電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)。用于檢測(cè)金屬材料缺陷的超聲波法絕大多數(shù)基于接觸式的壓電超聲技術(shù)，使得該技術(shù)在惡劣環(huán)境下實(shí)施檢測(cè)時(shí)存在諸多困難，如高溫、低溫、輻射、腐蝕環(huán)境以及表面存在較大的粗糙度等。現(xiàn)有的非接觸式激光超聲波技術(shù)多采用激光激勵(lì)超聲、激光干渉儀接收超聲波的方式進(jìn)行無損檢測(cè)，該方法受制于干涉儀接收光強(qiáng)的反應(yīng)時(shí)間和靈敏度，而且對(duì)樣品表面的光潔度要求較高，隨著表面光潔度的變壞，接收靈敏度迅速下降，使得該技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一定的問題。美國(guó)學(xué)者Johanna在“Hybrid laser/broadband EMATultrasonic system for characterizing cracks in metals”一文中指出利用脈沖激光器輸出的激光激勵(lì)超聲表面波，然后用電磁超聲傳感器接收超聲表面波的方法可以高靈敏度地檢測(cè)具有粗糙表面的金屬材料，然而電磁超聲傳感器與被檢材料的表面之間的距離不能超過I mm。這種提離距離的限制會(huì)導(dǎo)致在檢測(cè)具有較大表面粗超度或傾斜度材料時(shí)，容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象。此外，英國(guó)學(xué)者 Dixon 在“Detection of cracks in metal sheets usingpulsed laser generated ultrasound and EMAT detection” 一文中也指出電磁超聲傳感器接收超聲信號(hào)時(shí)，其接收信號(hào)的幅度隨著提離距離的増大急劇減小，因此他在實(shí)驗(yàn)時(shí)幾乎將電磁超聲傳感器緊貼于被檢材料表面。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供一種激光-電磁超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，提供了高提離距離的電磁超聲傳感器及相應(yīng)的信號(hào)濾波放大系統(tǒng)。所提供的高提離距離的橫波電磁超聲傳感器，采用蝶形設(shè)計(jì)PCB檢測(cè)線圈以消除線圈回路所產(chǎn)生的電磁噪聲，利用羰基鐵粉板來消除磁鐵與PCB檢測(cè)線圈之間形成的寄生電容，降低噪聲，同時(shí)采用不同直徑多層的永磁鐵結(jié)構(gòu)，使得垂直于PCB線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，以增強(qiáng)所接收超聲信號(hào)的幅度，上述設(shè)計(jì)可以大幅度提高檢測(cè)的信噪比，并且可以在滿足信噪比的前提下使用高放大倍數(shù)的前置放大器，結(jié)合濾波器即可保證本專利技術(shù)的電磁超聲傳感器能夠在O 10mm提離距離范圍內(nèi)接收到激光激勵(lì)的超聲波信號(hào)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是一種激光-電磁超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是它包括脈沖激光器，所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器；脈沖激光器輸出激光至線型聚焦単元；線型聚焦單元，所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架用于將線型聚焦單元與被檢測(cè)金屬材料之間的距離調(diào)節(jié)至線型聚焦透鏡的焦距處；所述的線型聚焦單元用于將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹或表面燒蝕，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲波；電磁超聲接收單元，所述的電磁超聲接收單元可在O 10 mm范圍內(nèi)將10 200 mj/pulse脈沖激光在金屬材料中激勵(lì)出的超聲橫波信號(hào)或缺陷衍射出橫波信號(hào)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出至信號(hào)放大濾波単元；三維機(jī)械步進(jìn)裝置，所述的三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為O. 02 mm;所述的電磁超聲接收單元夾持固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置上；信號(hào)放大濾波単元，所述的信號(hào)放大濾波単元包括前置放大器和模擬濾波器兩個(gè)部分，其中超聲信號(hào)經(jīng)檢測(cè)線圈輸出后進(jìn)入前置放大器，其過程為信號(hào)首先經(jīng)過中心頻率O. 5 MHz的LC選頻電路，進(jìn)入放大倍數(shù)約70倍的第一級(jí)放大器，經(jīng)過電容耦合后進(jìn)入放大倍數(shù)約為4倍的第二級(jí)放大器，后經(jīng)阻抗匹配后進(jìn)入模擬濾波器，其中模擬濾波器為ニ階高通濾波器并且放大倍數(shù)約為4倍，模擬濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)入可調(diào)增益放大器，増益區(qū)間O 30dB即放大倍數(shù)O 31. 6)。然后再經(jīng)過濾波選頻電路，進(jìn)入最后ー級(jí)約為4倍的運(yùn)算放大器，進(jìn)行放大輸出至數(shù)字示波器；還有電聯(lián)接在一起的數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)。本方案的具體特點(diǎn)還有，所述調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器的脈沖寬度8 15 ns，波長(zhǎng)1064 nm,能量O 200 mj/pulse,脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz。 所述的信號(hào)放大濾波單元將金屬材料中的超聲波頻率濾波至O. 5 4 MHz，信號(hào)總放大倍數(shù)為O 141000倍。所述的電磁超聲接收單元包括通過連接螺釘連接在一起的前端蓋和后端蓋，用于形成對(duì)流傳熱氣流空腔，保護(hù)內(nèi)部磁鐵與檢測(cè)線圈；在前端蓋底部設(shè)置中央通孔，在中央通孔中設(shè)置有耐磨陶瓷片以提高電磁超聲接收單元的使用壽命，在耐磨陶瓷片上方疊放隔熱陶瓷片以減少傳感器外部與內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)，防止內(nèi)部溫升過高；在前端蓋和后端蓋之間設(shè)置傳感器外殼用于固定磁鐵組及保護(hù)內(nèi)部器件，所述傳感器外殼頂部設(shè)置有中間端蓋，底部與前端蓋的中央通孔對(duì)應(yīng)設(shè)置有中央安裝孔，在中央安裝孔中設(shè)置羰基鐵粉板，在羰基鐵粉板和隔熱陶瓷片之間設(shè)置有PCB檢測(cè)線圈；PCB檢測(cè)線圈與前置放大器之間進(jìn)行電連接，用于將PCB檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)輸送至前置放大器進(jìn)行放大處理； 在傳感器外殼內(nèi)部設(shè)置磁鐵固定架，用于固定前置放大器與磁鐵，在磁鐵固定架中設(shè)置第四圓形磁鐵，在第四圓形磁鐵上方依次疊放第三圓形磁鐵，第二圓形磁鐵和第一圓形磁鐵；在第四圓形磁鐵上方設(shè)置連接在傳感器外売上的固定架，用于固定磁鐵組。第四圓形磁鐵直徑 < 第三圓形磁鐵直徑 < 第二圓形磁鐵直徑 < 第一圓形磁鐵直徑。在固定架和第四圓形磁鐵之間設(shè)置墊板，用于壓緊磁鐵。固定架上方設(shè)置前置放大器；在中間端蓋上設(shè)置接插件；前置放大器和接插件之間進(jìn)行電連接，用于將前置放大器輸出的信號(hào)輸送至濾波電路進(jìn)行濾波處理。 在后端蓋上設(shè)置氣嘴，用于檢測(cè)環(huán)境溫度過高時(shí)，冷卻氣體的輸入端ロ。PCB檢測(cè)線圈采用的是蝶形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。采用該系統(tǒng)檢測(cè)金屬材料缺陷的步驟如下 ①校準(zhǔn)脈沖激光器與線型聚焦単元位置，使二者同中心放置。其中所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器，脈沖寬度8 15 ns，波長(zhǎng)1064 nm,能量O 200 mj/pulse,脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz0②調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，以使被檢測(cè)的金屬材料位于柱面透鏡焦距處。③開啟激光激勵(lì)超聲波単元工作電源，以激勵(lì)出高斯型脈沖激光，利用線型聚焦単元將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹或燒蝕，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲波。④開啟電磁超聲接收單元和三維機(jī)械步進(jìn)裝置的工作電源，調(diào)整電磁超聲接收単元與被檢測(cè)的金屬材料之間的距離和水平位置，使電磁超聲接收單元與被檢測(cè)的金屬材料表面的線型激光斑的中心位置處于同一水平線上。其中所述的電磁超聲接收單元用于將超聲波遇到缺陷時(shí)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的橫波或缺陷衍射的橫波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為O. 02 _。⑤開啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的濾波頻率和放大倍數(shù)，校正數(shù)字示波器并將示波器設(shè)置為峰值記錄狀態(tài)，確認(rèn)信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。⑥本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種激光？電磁超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是它包括：脈沖激光器，所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器；脈沖激光器輸出激光至線型聚焦單元；線型聚焦單元，所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架用于將線型聚焦單元與被檢測(cè)金屬材料之間的距離調(diào)節(jié)至線型聚焦透鏡的焦距處；所述的線型聚焦單元用于將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲波；電磁超聲接收單元，所述的電磁超聲接收單元可在0～10？mm范圍內(nèi)將10～200？mJ/pulse脈沖激光在金屬材料中激勵(lì)出的超聲橫波信號(hào)或者衍射橫波信號(hào)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出至信號(hào)放大濾波單元；三維機(jī)械步進(jìn)裝置，所述的三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為0.02？mm；所述的電磁超聲接收單元夾持固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置上；信號(hào)放大濾波單元，所述的信號(hào)放大濾波單元包括前置放大器和模擬濾波器兩個(gè)部分；信號(hào)放大濾波單元將電磁超聲接收單元輸出的電信號(hào)處理后輸出至數(shù)字示波器；還有電聯(lián)接在一起的數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙揚(yáng)，賈中青，宋江峰，郭銳，馬健，劉帥，孫繼華，翟瑞占，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東省科學(xué)院激光研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。