[发明专利]激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及金属物体的无损检测领域，具体涉及一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，包括YAG激光器、光学系统、单频激光器、光纤注入器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集装置、上位机。

背景技术

传统的超声检测主要研究方法有接触式检测、空间光干涉相干检测，采用压电换能器产生和接收超声信号时，探头要近距离接触被测物，无法实现非接触探伤。而激光超声技术具有极强的抗干扰能力，可以在高温高压、有毒、高辐射等恶劣环境下进行遥控激发和接收的无损检测。此外激光激发超声表面波对表面和亚表面微小缺陷高度敏感，非常适用于表面缺陷的无损检测，因此，进一步研究弱信号环境下高质量检测更具有实际意义。

激光超声无损检测是通过对被测工件表面散射光检测来完成的非接触测量，易受背景光和大气扰动影响，在激光超声实际检测过程中，有用信息往往以某种形式隐藏在所获取的信号中，甚至被噪声完全淹没，用传统的方法难以提取，此时必须借助于某些高灵敏度的检测手段和信号处理技术来实现。

随着激光及光纤技术的飞速发展，使得相干光检测技术不仅在光通信领域得到了广泛的应用，在其他领域如传感、信号处理、无损检测也有很广泛的应用。相干光检测技术具有良好的抗干扰性能、频带利用率好、接收灵敏度高等优势，使其成为满足弱信号检测高要求、解决恶劣环境下应用的有效手段。

但是由于自然界中的噪声具有随机性和波动性，相干光检测技术的检测不可避免地要受到外界各种噪声的干扰，这限制了测量所能达到的精确性和灵敏度，影响信号检测的判决。相干光检测系统中的空间反射信号光功率较微弱，即使利用光学方法进行非干涉或干涉的检测技术，由于受被测材料表面形貌的影响，其反射光的位置、强度及光学特性的微变，现有空间光相干探测方式由多个透镜调整光路，其光学结构复杂，光束的共轴准直、偏振特性和平行传输受光学器件影响较大；加上开放前端进行信号的接收和处理时，受50Hz工频干扰噪声影响，使检测输出信号起伏增加，降低系统信噪比，存在探测条件的一致性和稳定性得不到保证，同时信号检测灵敏度有待进一步的提高。

另外现有的相干光检测技术系统中光电探测器多采用单端探测器，容易出现随机噪声抖动的现象，光电转换输出信号的欠稳定，对弱信号的判决识别能力也有待进一步的提高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是如何解决相干光检测系统在检测过程中存在的探测条件的一致性和稳定性得不到保证，同时信号检测灵敏度有待进一步的提高的问题以及检测过程中光电转换欠稳定，对弱信号的判决识别能力不高问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统，包括：

YAG脉冲激光器：可根据介质的结构形状及材料特性，能适当地选择激光输出功率和驱动频率，发出受基频调制且具有一定能量控制的脉冲光并作用于被检测金属工件表面，产生在工件内部及表面传输的激光超声信号；优选地，YAG脉冲激光器波长为1064nm；

光学系统：为光学透镜，可用于调整发射脉冲激光到达被测工件表面的光斑直径大小，以便获得不同的光声转换效率；

单频激光器：作为探测光源，能产生连续的激光光束；优选地，单频激光器波长为532nm；

分光棱镜：可根据设定的分光比例将单频激光分成信号光和参考光；

光纤注入器：为光学透镜组，可将一定位置范围变化的mm等级的反射激光注入到芯径确定的um等级的光纤中；优选地，光学透镜组为宽口径；

光纤耦合器：为保偏光纤耦合器，对来自光纤注入器的信号光与参考光进行混合相干后送光电探测器进行检测；优选地，光纤耦合器为2*2保偏光纤耦合器；

平衡探测器：具有双光输入端端口, 对来自于光纤耦合器相干后的信号进行混频及光电转换成超声信号；

数据采集装置：对来自于平衡探测器的超声信号检测与转换处理并送上位机进行监测分析；

上位机：对来自于数据采集装置的超声信号监测分析和处理。

YAG脉冲激光激励超声信号系统部分所有光学器件的波长参数必须匹配；作为单频激光器探测激光超声信号系统部分所有光学器件的波长参数也必须匹配。

采用本发明的技术方案可取得以下有益效果：

1、采用宽口径激光注入器，可以减少探测超声的激光因受被测物体表面形貌和大气扰动的影响，其反射光或散射光斑不规则扩散且位置漂移现象，可将携带超声信息及具有一定位置漂移的扩散光斑汇聚，增强信号检测的实用性，扩大系统的使用范围。