CN114088811A - 一种激光可变焦异形工件无损检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光可变焦异形工件无损检测方法，对激光进行调焦，并聚焦在工件上，以使激光在工件上发生散射，以及以使工件在激光的激励下产生超声波；采集散射的光信号，并转换为电信号，根据光信号获取时间与激光发射时间的时间差计算工件离激光出射点的距离，以及根据成像原理获知激光聚焦光斑大小；将聚焦光斑大小与标定光斑大小进行比较，判断是否相似，若不相似，则判定激光未聚焦在工件表面上，然后再判断聚焦光斑相对工件的方位，并根据方位对激光进行调焦，然后重复上述步骤，若相似，则进行下一步；探测超声波信号，并对其进行分析处理，以获知工件信息。确保工件能够产生合适的超声波，解决激光超声对异形工件激光激励超声困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无损探伤技术领域，具体涉及一种激光可变焦异形工件无损检测方法及系统。
背景技术
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,并用信号探测设备探测超声波的传播,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。
由于激光超声的激励源是一束激光，当激光光斑聚焦在工件表面处，产生的超声信号强，当光斑聚焦在工件前表面和后表面时，都不能产生合适的超声波，从而影响检测精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光可变焦异形工件无损检测方法及系统，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光可变焦异形工件无损检测方法，包括如下步骤：
S100、对激光进行调焦，并让其聚焦在工件上，以使激光在工件上发生散射，以及以使工件在激光的激励下产生超声波；
S200、采集散射的光信号，并转换为电信号，根据光信号获取时间与激光发射时间的时间差计算工件离激光出射点的距离，以及根据成像原理获知激光聚焦光斑大小；
S300、结合距离将聚焦光斑大小与标定光斑大小进行比较，判断是否相似，若不相似，则判定激光未聚焦在工件表面上，然后再判断聚焦光斑相对工件的方位，并根据方位对激光进行调焦，然后重复S200，若相似，则进行下一步；
S400、探测超声波信号，并对其进行分析处理，以获知工件信息。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
一种激光可变焦异形工件无损检测系统，包括：
激光器，用以发射激光；
变焦镜头，其布置在激光器的出射端；
光电探测器，用以探测工件上所散射的光信号；
信号检测设备，其用以探测超声波信号；
信号处理器，其分别与激光器、光电探测器、信号检测设备电连接。
进一步，还包括双轴振镜，其布置在激光器的出射端与变焦镜头的入射端之间。
进一步，还包括反射器件，其反射面分别朝向激光器的出射端和双轴振镜的入射端。
进一步，信号检测设备为压电探头、电磁探头或干涉仪。
进一步，变焦镜头为电动可变焦镜头，其焦距在100mm范围内可线性调整。
进一步，变焦镜头包括平移模组、第一凹凸透镜和第二凹凸透镜，激光器所发射激光经第一凹凸透镜的凹面进入第一凹凸透镜，第二凹凸透镜的凹面对着第一凹凸透镜的凸面，平移模组用以调节第一凹凸透镜和第二凹凸透镜之间的距离。
进一步，激光器所发射激光的能量密度大于500uJ/cm2。
进一步，激光器采用脉冲激光器。
进一步，激光器发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
本发明的有益效果是：
1)同时检测距离和激光聚焦光斑大小，以判别激光聚焦位置，并根据位置判断结果确实是否对激光进行调焦，以确保工件能够产生合适的超声波，从而解决激光超声对异形工件激光激励超声困难的问题；
2)可实时自动调节激光聚焦，使整个系统智能化。
附图说明
图1为激光可变焦异形工件无损检测方法的流程图；
图2为激光可变焦异形工件无损检测系统的光路图；
图3为变焦镜头的光路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、变焦镜头，210、第一凹凸透镜，220、第二凹凸透镜，3、光电探测器，4、信号检测设备，5、信号处理器，6、双轴振镜，7、反射器件。
具体实施方式
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。
实施例1
如图1所示，一种激光可变焦异形工件无损检测方法，包括如下步骤：
S100、对激光进行调焦，并让其聚焦在工件上，以使激光在工件上发生散射，以及以使工件在激光的激励下产生超声波；
S200、采集散射的光信号，并转换为电信号，根据光信号获取时间与激光发射时间的时间差计算工件离激光出射点的距离，以及根据成像原理获知激光聚焦光斑大小；
S300、结合距离将聚焦光斑大小与标定光斑大小进行比较，判断是否相似，若不相似，则判定激光未聚焦在工件表面上，然后再判断聚焦光斑相对工件的方位，并根据方位对激光进行调焦，然后重复S200，若相似，则进行下一步；
S400、探测超声波信号，并对其进行分析处理，以获知工件信息。
标定光斑大小指激光聚焦在工件表面上时光斑所应该具有的大小，该信息可提前通过实验获知。
实施例2
如图2所示，一种激光可变焦异形工件无损检测系统，包括：
激光器1、变焦镜头2、光电探测器3、信号检测设备4和信号处理器5；
激光器1用以发射激光，而变焦镜头2布置在激光器1的出射端，激光器1所发射的激光通过变焦镜头2聚焦和定场，最后入射在工件上；
当激光器1所发射的激光经变焦镜头2后作用在工件上时，激光将在工件上发生散射，以及以使工件在激光的激励下产生超声波；
光电探测器3用以探测工件上所散射的光信号；
信号检测设备4用以探测超声波信号；
光电探测器3的信号输出端与信号处理器5的信号输入端电连接，信号检测设备4的信号输出端与信号处理器5的信号输入端电连接，激光器1的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接；
光电探测器3将所探测的光信号转为电信号，然后将电信号传输至信号处理器5，信号处理器5根据其控制激光器1发射激光的时间与光电探测器3探测到光信号的时间的时间差，即激光到达工件的时间或激光传播时间，并根据时间差计算工件离激光出射点的距离，与此同时，光电探测器3可以通过成像原理获知激光聚焦光斑大小；
信号处理器5结合距离将聚焦光斑大小与标定光斑大小进行比较，判断是否相似，若不相似，则判定激光未聚焦在工件表面上，然后再判断聚焦光斑相对工件的方位，比如，光斑是在工件前表面还是后表面，并根据方位对激光进行调焦，即根据方位控制变焦镜头2调节焦距，通常只要保证工件表面在变焦镜头2的焦平面上，基本可以保证聚焦光斑在工件上的有效作用。
实施例3
如图2所示，本实施例为在实施例2的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光可变焦异形工件无损检测系统还包括双轴振镜6，双轴振镜6布置在激光器1的出射端与变焦镜头2的入射端之间，即激光器1所发射的激光先经双轴振镜6的入光口进入双轴振镜6内，通过双轴振镜6内两片可动反射镜片，使点激光变为面阵扫射，然后再进入变焦镜头2内。
实施例4
如图2所示，本实施例为在实施例3的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光可变焦异形工件无损检测系统还包括反射器件7，反射器件7的反射面分别朝向激光器1的出射端和双轴振镜6的入射端，从双轴振镜6所射出的激光将通过反射器件7的反射面后反射进变焦镜头2内，反射器件7主要起改变光路方向的作用。
实施例5
如图2所示，本实施例为在实施例2或3或4的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
信号检测设备4优选为压电探头、电磁探头或干涉仪，当然，也可以为其它探测超声波信号的设备。
实施例6
如图2所示，本实施例为在实施例2或3或4或5的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
变焦镜头2为电动可变焦镜头，电动可变焦镜头的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接，当需要调整激光焦距时，可以通过信号处理器5控制电动可变焦镜头自动进行调整，电动可变焦镜头为现有成熟技术，在选型时，电动可变焦镜头应该满足其焦距在100mm范围内可线性调整，
如图3所示，变焦镜头2包括平移模组、第一凹凸透镜210和第二凹凸透镜220，激光器1所发射激光经第一凹凸透镜210的凹面进入第一凹凸透镜210，而对于含实施例3的情况下，则是从双轴振镜6所射出的激光经第一凹凸透镜210的凹面进入第一凹凸透镜210，第二凹凸透镜220的凹面对着第一凹凸透镜210的凸面，从第一凹凸透镜210凸面所射出的激光将经第二凹凸透镜220的凹面进入第二凹凸透镜220，然后再由第二凹凸透镜220的凸面射向工件，平移模组用以调节第一凹凸透镜210和第二凹凸透镜220之间的距离，平移模组既可以与第一凹凸透镜210相固定，也可以与第二凹凸透镜220相固定，也可以是与第一凹凸透镜210和第二凹凸透镜220均固定，具体根据实际需求决定，而平移模组的信号输入端与信号处理器5的信号输出端电连接，平移模组可为现有技术中的线性模组，线性模组中电机的灵敏度速度小于10ms。
实施例7
如图2所示，本实施例为在实施例2或3或4或5或6的基础上所进行的进一步优化，其具体如下：
激光器1所发射激光的能量密度大于500uJ/cm2，其平均功率为1W-100W，激光器1采用脉冲激光器，激光器1发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光，此类波段激光能较好的在工件上产生强度合适的超声波信号。
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。
Claims (10)
1.一种激光可变焦异形工件无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、对激光进行调焦，并让其聚焦在工件上，以使激光在工件上发生散射，以及以使工件在激光的激励下产生超声波；
S200、采集散射的光信号，并转换为电信号，根据光信号获取时间与激光发射时间的时间差计算工件离激光出射点的距离，以及根据成像原理获知激光聚焦光斑大小；
S300、结合距离将聚焦光斑大小与标定光斑大小进行比较，判断是否相似，若不相似，则判定激光未聚焦在工件表面上，然后再判断聚焦光斑相对工件的方位，并根据方位对激光进行调焦，然后重复S200，若相似，则进行下一步；
S400、探测超声波信号，并对其进行分析处理，以获知工件信息。
2.一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，包括：
激光器(1)，用以发射激光；
变焦镜头(2)，其布置在激光器(1)的出射端；
光电探测器(3)，用以探测工件上所散射的光信号；
信号检测设备(4)，其用以探测超声波信号；
信号处理器(5)，其分别与激光器(1)、光电探测器(3)、信号检测设备(4)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，还包括双轴振镜(6)，其布置在激光器(1)的出射端与变焦镜头(2)的入射端之间。
4.根据权利要求2或3所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，还包括反射器件(7)，其反射面分别朝向激光器(1)的出射端和双轴振镜(6)的入射端。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，所述信号检测设备(4)为压电探头、电磁探头或干涉仪。
6.根据权利要求2所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，所述变焦镜头(2)为电动可变焦镜头，其焦距在100mm范围内可线性调整；所述电动可变焦镜头与信号处理器(5)电连接。
7.根据权利要求6所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，所述变焦镜头(2)包括平移模组、第一凹凸透镜(210)和第二凹凸透镜(220)，所述激光器(1)所发射激光经第一凹凸透镜(210)的凹面进入第一凹凸透镜(210)，所述第二凹凸透镜(220)的凹面对着第一凹凸透镜(210)的凸面，所述平移模组用以调节第一凹凸透镜(210)和第二凹凸透镜(220)之间的距离。
8.根据权利要求2所述的一种激光可变焦异形工件无损检测系统，其特征在于，所述激光器(1)所发射激光的能量密度大于500uJ/cm2。
9.根据权利要求2所述的一种衍射时差法激光超声焊缝无损检测设备，其特征在于：所述激光器(1)采用脉冲激光器。
10.根据权利要求2所述的一种衍射时差法激光超声焊缝无损检测设备，其特征在于：所述激光器(1)发射波段为532nm、1064nm的脉冲激光。
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