基于DOE分束器的激光超声应力检测系统及方法技术方案

本申请涉及一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统及方法，涉及激光超声应力检测技术领域，其系统包括：激光激发探测模块，用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；DOE光束分光模块，用于将激光调整成线阵排布的窄带激光超声，并连续调节不同入射深度的窄带激光超声表面波；机械控制模块，用于按照应力检测位置调整不同入射深度的窄带激光超声表面波信号的接收位置；信号处理模块，用于计算不同入射深度的窄带激光超声表面波的传播速度，根据窄带激光超声表面波的传播速度、穿透深度和声弹性理论应力计算待检测构件的残余应力分布。本申请具有便于调节热栅周期，提高光斑对环境的抗干扰性，从而提高残余应力检测的精准性的效果。效果。效果。

【技术实现步骤摘要】
基于DOE分束器的激光超声应力检测系统及方法


[0001]本申请涉及激光超声应力检测
，尤其是涉及一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统及方法。

技术介绍

[0002]金属制造、机械加工的过程是一个伴随着复杂的物理、化学等多物理场耦合的过程，容易在结构表面及内部产生残余应力和应变等微观损伤，这些微观损伤的存在会大幅度的降低金属构件结构的机械性能，还容易在机械结构中引发应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等宏观损伤，从而造成重大的经济损伤和安全隐患。因此，对金属构件的残余应力检测十分重要。
[0003]激光超声检测技术是目前测量残余应力最常用的无损检测方法之一，具有非接触、高分辨率、易实现复杂构件的快速自动化检测等优点。目前，采用一定的光束对激励激光光源进行空间周期排布，并激发相关的窄带激光超声表面波，然后再根据声弹性理论，超声波传播速度的相对变化量计算残余应力的线性关系。
[0004]为了调制灵敏度较高、穿透能力较强的窄带激光超声表面波，通常采用干涉法和光栅、光学掩模等投影的方法将激光调整成阵线的排布。
[0005]利用光栅或者光学掩模的方法将激光器激发的激光投影至光栅或者光学掩模，得到窄带激光超声表面波，由于光栅或光学掩模通常是一部分透光一部分不透光的结构特性，在调制的过程中往往会损失掉一部分的激光能量，且形成的热栅周期不能直接调节，需要更换光栅或者光学掩模才能调节。利用干涉法将激光光束分成两束，形成干涉条纹，从而得到窄带激光超声表面波，但是干涉条纹的周期对振动比较敏感，干涉条纹的位置易受到振动、温度等环境因素的干扰而使表面波波形来回漂移、不稳定，从而使得残余应力检测精准性和灵敏度。

技术实现思路

[0006]为了便于调节热栅周期，提高光斑对环境的抗干扰性，从而提高残余应力检测的精准性和灵敏性。本申请提供一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统及方法。
[0007]第一方面，本申请提供一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，采用如下的技术方案：一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，包括：激光激发探测模块，用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；DOE光束分光模块，用于将激光调整成线阵排布的窄带激光超声，并连续调节不同入射深度的窄带激光超声表面波；机械控制模块，用于按照应力检测位置调整不同入射深度的窄带激光超声表面波信号的接收位置；信号处理模块，用于计算不同入射深度的窄带激光超声表面波的传播速度，根据
窄带激光超声表面波的传播速度、穿透深度和声弹性理论应力计算待检测构件的残余应力分布。
[0008]所述激光探测模块、所述DOE光束分光模块和所述机械控制模块均与信号处理模块连接。
[0009]通过采用上述技术方案，利用DOE光束分光模块将激光激发探测模块激发的激光调制成线阵排布的窄带激光超声表面波，并且可以根据调节激光激发探测模块与DOE光束分光模块之间的距离和DOE光束分光模块的相关参数可以直接连续无极调整激光光斑之间线阵排布的距离，从而调制成不同入射深度的窄带激光超声表面波，利用不同入射深度的窄带激光超声表面波，对不同深度的残余应力进行检测，提高应力检测的精度、可适用性强。并且DOE光束分光模块的器件为固定的，利用DOE光束分光模块将一束激光通过固定器件分成多束相同能量的子光束，并保持原始光束的特性，大大降低了采用光栅或光学掩模投影成窄带激光超声表面波一部分激光光束被光栅或光学掩模遮挡造成激光能量损失的情况；同样，由于DOE光束分光模块输出的光斑的数量、排布和夹角都可指定设计，可解决采用干涉法方式获取窄带激光超声表面波带来的相位影响，降低相位噪声，对环境的抗干扰性较强，有助于扩展DOE光束分光模块的阵列规模，提高窄线宽输出激光的亮度，是实现激光激发探测模块向更高功率更好光束质量扩展的途径。
[0010]可选的，所述激光激发探测模块包括激光器、多个反射镜、振镜和干涉仪；所述DOE光束分光模块包括DOE分束器和扩束镜；其中，所述激光器用于激发待检测构件用的激光；所述干涉仪用于探测待检测构件的窄带激光超声表面波信号；所述振镜用于调整激光照射扫描待检测构件的位置；所述反射镜用于调整所述激光器激发激光的位置或调整所述干涉仪探测激光超声表面波信号的位置；所述DOE分束器用于接收激光器发射的激光，并将所述激光光束分成多束子光束；所述扩束镜用于接收多束所述子光束，对所述子光束进行聚焦，并控制所述子光束在焦平面上的位置，形成线阵排布的窄带激光超声；所述反射镜的放置位置使得激光器产生的激光经过反射镜垂直入射到DOE分束器上，DOE分束器将激光光束分成多束子光束入射至所述扩束镜，扩束镜发射阵线排布的窄带激光入射至振镜以扫描待检测构件；所述干涉仪的放置位置使得所述干涉仪能够探测待检测构件表面的窄带激光表面波信号。
[0011]可选的，所述激光器包括脉冲激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器或光纤激光器中的任意一种。
[0012]可选的，所述扩束镜包括凸柱面透镜和凹柱面透镜，所述多束子光束入射到所述凸柱面透镜进行聚焦后入射到所述凹柱面透镜的入射端，调整多束子光束之间的距离，发射出线阵排布的窄带激光超声。
[0013]可选的，所述DOE光束分光模块还包括间距调节子模块；所述间距调节子模块，设置在所述DOE分束器和所述DOE分束器之间，用于调节多束所述子光束之间的间距，调制不同入射深度的窄带激光超声表面波。
[0014]可选的，还包括扫描模块；所述扫描模块用于确定待检测构件的扫描路径；所述扫描模块与信号处理模块连接；
所述扫描模块包括双目相机，所述双目相机用于拍摄待检测构件的双目图像；根据所述双目图像构建待检测构件的三维形貌；根据待检测构件的三维形貌确定扫描路径。
[0015]通过采用上述技术方案，通过双目相机扫描待检测构件从而获取待检测构件的双目图像，根据双目图像构件待检测构件的三维形貌，可将三维形貌提供给用户界面进行显示，并且根据三维形貌确定待检测构件的应力分布的扫描路径，提高待检测构件应力检测的适用性。
[0016]可选的，所述机械控制模块包括XY电控平移台、机械臂、导光臂，所述XY电控平移台、所述机械臂、所述导光臂均与信号处理模块连接；所述机械臂均与所述振镜、所述干涉仪连接，所述导光臂均与所述激光器和所述振镜连接；所述XY电控平移台用于承载待检测构件和移动待检测构件对于所述振镜的相对位置；所述机械臂用于移动振镜和干涉仪；所述导光臂用于移动激光器和振镜；所述信号处理模块还用于向所述XY电控平移台、所述机械臂、所述导光臂发送控制指令，以控制所述XY电控平移台、所述机械臂、所述导光臂移动。
[0017]第二方面，本申请提供一种基于DOE分束器的激光超声应力检测方法，应用于第一方面任一项所述基于DOE分束器的激光超声残余应力检测系统，采用如下的技术方案：一种基于DOE分束器的激光超声应力检测方法，包括:调节激光激发探测模块的相关参数，激发待检测构件检测用的激光；调节DOE光束分光模块与激光激发探测模块之间的距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，包括：激光激发探测模块（10），用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；DOE光束分光模块（20），用于将激光调整成线阵排布的窄带激光超声，并连续调节不同入射深度的窄带激光超声表面波；机械控制模块（30），用于按照应力检测位置调整不同入射深度的窄带激光超声表面波信号的接收位置；信号处理模块（40），用于计算不同入射深度的窄带激光超声表面波的传播速度，根据窄带激光超声表面波的传播速度、穿透深度和声弹性理论应力计算待检测构件的残余应力分布；所述激光激发探测模块（10）、所述DOE光束分光模块（20）和所述机械控制模块（30）均与信号处理模块（40）连接。2.根据权利要求1所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，所述激光激发探测模块（10）包括激光器（101）、多个反射镜（104）、振镜（103）和干涉仪（102）；所述DOE光束分光模块（20）包括DOE分束器（201）和扩束镜（202）；其中，所述激光器（101）用于激发待检测构件用的激光；所述干涉仪（102）用于探测待检测构件的窄带激光超声表面波信号；所述振镜（103）用于调整激光照射扫描待检测构件的位置；所述反射镜（104）用于调整所述激光器（101）激发激光的位置或调整所述干涉仪（102）探测激光超声表面波信号的位置；所述DOE分束器（201）用于接收激光器（101）发射的激光，并将所述激光光束分成多束子光束；所述扩束镜（202）用于接收多束所述子光束，对所述子光束进行聚焦，并控制所述子光束在焦平面上的位置，形成线阵排布的窄带激光超声；所述反射镜（104）的放置位置使得激光器（101）产生的激光经过反射镜（104）垂直入射到DOE分束器（201）上，DOE分束器（201）将激光光束分成多束子光束入射至所述扩束镜（202），扩束镜（202）发射阵线排布的窄带激光入射至振镜（103）以扫描待检测构件；所述干涉仪（102）的放置位置使得所述干涉仪（102）能够探测待检测构件表面的窄带激光表面波信号。3.根据权利要求2所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，所述激光器（101）包括脉冲激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器或光纤激光器中的任意一种。4.根据权利要求2所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，所述扩束镜（202）包括凸柱面透镜和凹柱面透镜，所述多束子光束入射到所述凸柱面透镜进行聚焦后入射到所述凹柱面透镜的入射端，调整多束子光束之间的距离，发射出线阵排布的窄带激光超声。5.根据权利要求2所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，所述DOE光束分光模块（20）还包括间距调节子模块（203）；所述间距调节子模块（203），设置在所述DOE分束器（201）和所述DOE分束器（201）之间，用于调节多束所述子光束之间的间距，调制不同入射深度的窄带激光超声表面波。6.根据权利要求1所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，还包括扫描模块；所述扫描模块用于确定待检测构件的扫描路径；所述扫描模块与信号处理模
块（40）连接；所述扫描模块包括双目相机（50），所述双目相机（50）用于拍摄待检测构件的双目图像；根据所述双目图像构建待检测构件的三维形貌；根据待检测构件的三维形貌确定扫描路径。7.根据权利要求2所述的基于DOE分束器的激光超声应力检测系统，其特征在于，所述机械控制模块（30）包括XY电控平移台（301）、机械臂（302）、导光臂（303），所述XY电控平移台（301）、所述机械臂（302）、所述导光臂（303）均与信号处理模块（40）连接；所述机械臂（302）均与所述振镜（103）、所述干涉仪（102）连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，张宏超，
申请(专利权)人：北京翔博科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：