專利名稱：一種流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光偏轉(zhuǎn)探測裝置，特別是一種用于測量流-固界面上激光超聲波 的流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置。
背景技術(shù)：
從20世紀(jì)30年代開始發(fā)展起來的流-固界面上超聲波的研究，對超聲無損探傷 技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的推動作用?，F(xiàn)有在流-固界面上激發(fā)和接收超聲波的方法是采用 聲換能器作為超聲波的激發(fā)和接收裝置，這種方法雖然極為簡單，但激發(fā)出的超聲波頻率 較低，聲換能器必須通過耦合劑緊貼在流-固界面上，無法實現(xiàn)非接觸探測，并且聲換能器 處于超聲波場中往往干擾著超聲波的探測。隨著激光超聲理論及技術(shù)的發(fā)展，1997年C. Desmet等人在OpticsLetters， 22(2),69中報道了一種流-固界面上超聲波的全光系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用短脈沖激光作為 流-固界面上超聲波的激發(fā)源，并采用光偏轉(zhuǎn)技術(shù)探測流-固界面上超聲波的表面速度信 號。該系統(tǒng)中的光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是利用流-固界面上超聲波沿界面?zhèn)鞑r，界面的形狀改變，導(dǎo) 致經(jīng)界面反射的探測光束位置或強度變化來實現(xiàn)的。這種探測技術(shù)常用于探測沿處于真 空中的固體材料表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，對比上述解決方案有明顯的優(yōu)點，但由于該系統(tǒng)中 流體的存在，流-固界面上超聲波的傳播往往引起流體中折射率的變化，這也將導(dǎo)致穿過 流體的探測光束的位置或強度發(fā)生變化，因此這種光偏轉(zhuǎn)技術(shù)探測到的超聲波信號包括兩 部分界面形變和探測光路上超聲波引起流體折射率的變化，因而測量存在比較大的誤差。 同時該系統(tǒng)只能得到流-固界面上超聲波傳播到某一點的時域信號，而不能對界面進行掃 描，也不能得到流-固界面上超聲波沿界面?zhèn)鞑ミ^程中不同位置的時域信號，另外該系統(tǒng) 的缺點是低頻靈敏度低，要求流-固界面是鏡面反射，且實踐中又無法實現(xiàn)，所以不利于該 系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。2000年C. Mattei等人報道了另一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用聲換能器在流-固 界面上激發(fā)超聲波，并采用光學(xué)干涉儀探測超聲波信號。該系統(tǒng)雖然克服了上述測量不準(zhǔn) 確的缺點，但由于容易受到環(huán)境影響，不能對界面進行掃描，同時用于探測的光學(xué)干涉儀靈 敏度低、成本很高，所以不利于該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。如何解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點已成為現(xiàn) 有光偏轉(zhuǎn)探測技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點而提供一種測量精度高、掃描速度 快，能夠?qū)α?固界面上激光激發(fā)的超聲波進行一維掃描探測，而且造價低的流-固耦合光 偏轉(zhuǎn)探測裝置。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置， 它包括脈沖激光器、分光鏡、電控平移架、三棱鏡、柱面凸透鏡、固體材料、透明容器、光電二 極管、數(shù)字示波器、電子計算機，脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡反射部分光到光電二極 管上，其余的光經(jīng)三棱鏡、柱面凸透鏡入射到透明容器中的固體材料表面，光電二極管輸出端與數(shù)字示波器的接收端相連，數(shù)字示波器的輸出端與電子計算機相連，其特征在于由 He-Ne激光器、聚焦透鏡、位置敏感器組成接收傳感器，He-Ne激光器出射的探測光束平行 于柱面凸透鏡穿過固體材料表面，由聚焦透鏡聚焦至位置敏感器上，位置敏感器的輸出端 與數(shù)字示波器的另一個接收端相連，三棱鏡和柱面凸透鏡固定在由電子計算機控制的電控 平移架上。 本發(fā)明是利用短脈沖激光器在流-固界面上激發(fā)出高頻率超聲波，用由He-Ne激 光器、聚焦透鏡、位置敏感器組成的接收傳感器來接收超聲波，采用固定接收傳感器，激發(fā) 源移動掃描的方式，實現(xiàn)在流-固界面上的快速一維掃描，探測到的超聲波信號傳輸至電 子計算機中。其具體探測原理是脈沖激光器發(fā)出的激光束，經(jīng)分光鏡反射部分光到光電二 極管上，由光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號，輸入數(shù)字示波器中，作為數(shù)字示波器的觸發(fā)信號，其 余的光經(jīng)三棱鏡和柱面凸透鏡聚焦成線激發(fā)源后，入射到放置在裝滿流體材料的透明容器 中的固體材料表面上，在固體材料表面激發(fā)出超聲波，并沿固體材料表面?zhèn)鞑ブ撂綔y點位 置，由于沿固體材料表面?zhèn)鞑サ某暡〞鹬車黧w的折射率發(fā)生微小變化，折射率的 變化與超聲波的壓強成正比，此時，垂直超聲波傳播路徑，平行固體材料表面穿過超聲波場 的由He-Ne激光器發(fā)出的探測光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度和折射率的變化有關(guān)，那么探測 光束的偏轉(zhuǎn)與超聲波的壓強有關(guān)，探測光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦至位置敏感器上，位置敏感器 測定探測光束的偏轉(zhuǎn)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)數(shù)字示波器傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C上。用于固 定三棱鏡和柱面凸透鏡的電控平移架由計算機控制，可以實現(xiàn)激發(fā)線源的一維平移。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點是第一，探測精度高，對材料界面的要求不 高，適于探測粗糙界面上超聲波；第二，探測靈敏度高；第三，結(jié)構(gòu)簡單，成本顯著降低(達 70%以上)；第四，通過采用固定三棱鏡和柱面凸透鏡的電控平移架進行激發(fā)源的一維平 移，實現(xiàn)了在流-固界面上的快速一維掃描，得到超聲波沿流-固界面?zhèn)鞑ミ^程中不同位置 處超聲波信號的序列圖。本發(fā)明可廣泛用于流-固界面以及透明材料內(nèi)超聲波的探測。


附圖是根據(jù)本發(fā)明提出的流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細(xì)描述。參照附圖，根據(jù)本發(fā)明提出的流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置，由激光器1、分光鏡2， 電控平移架3，三棱鏡4，柱面凸透鏡5，固體材料6、透明容器7、He-Ne激光器8、聚焦透鏡 9、位置敏感器10、光電二極管11、數(shù)字示波器12、電子計算機13組成。其中，由脈沖激光器 1、分光鏡2、電控平移架3、三棱鏡4、柱面凸透鏡5、固體材料6和透明容器7組成流-固界 面上超聲波的激發(fā)部分，由He-Ne激光器8、聚焦透鏡9、位置敏感器10、光電二極管11、數(shù) 字示波器12和電子計算機組成流-固界面上超聲波的探測部分。脈沖激光器1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2、三棱鏡4與 柱面凸透鏡5依次設(shè)置在同一光路上，在分光鏡2的反射光路上設(shè)置有光電二極管11。脈 沖激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡2反射的部分光由光電二極管11接收，并轉(zhuǎn)化為電信號 傳輸至數(shù)字示波器12，作為數(shù)字示波器12的啟動記錄的觸發(fā)信號，數(shù)字示波器12的型號是4Tektronix THS730A。其余的光經(jīng)三棱鏡4后，再經(jīng)柱面凸透鏡5聚焦成長10mm、寬300um 的線光源，入射到放置在裝滿流體材料的透明容器7中的固體材料6表面上，在固體材料6 表面上激發(fā)出超聲波，柱面凸透鏡5的焦距為100mm，固體材料6是長15cm、寬IOcm的金屬 板；透明容器7是長40cm、寬40cm的透明玻璃容器。三棱鏡4與柱面凸透鏡5是固定在一 個精密電控平移架3上，精密電控平移架3為制式成品，是采用超精密滾珠螺桿傳動及線性 滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，可以在一維方向高精度移動。精密電控平移架3通過帶動三棱鏡4與柱面凸 透鏡5的整體平移，可以實現(xiàn)激發(fā)源的一維掃描。超聲波的接收傳感器是由He-Ne激光器 8、聚焦透鏡9、位置敏感器10組成。He-Ne激光器8的輸出波長為632. 8nm、功率為5mW，其 出射的連續(xù)He-Ne激光作為探測光束，平行于柱面凸透鏡5穿過固體材料6表面。當(dāng)脈沖激 光器1發(fā)出的光在放置于裝滿流體的透明容器7中的固體材料6表面上激發(fā)超聲波時，超 聲波沿固體材料6表面?zhèn)鞑ブ罤e-Ne激光器8的探測點，由于超聲波導(dǎo)致固體材料附近流 體的折射率發(fā)生微小變化，折射率的變化與超聲波壓強成正比，那么垂直超聲波傳播路徑， 平行固體材料表面穿過超聲波場的由He-Ne激光器發(fā)出的探測光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度 和折射率的變化有關(guān)，那么探測光束的偏轉(zhuǎn)與超聲波的壓強有關(guān)，探測光束經(jīng)聚焦透鏡9 聚焦至位置敏感器10上，由位置敏感器10測定偏轉(zhuǎn)的角度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號接入到數(shù) 字示波器12，再傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C13，位置敏感器10的測量精度為0. lum。上述的固體材 料6作為被測對象，可采用透明材料玻璃等，也可以采用不透明的金屬或半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明經(jīng)反復(fù)試驗驗證，取得了滿意的應(yīng)用效果。
權(quán)利要求
1.一種流-固耦合的光偏轉(zhuǎn)探測裝置，它包括脈沖激光器[1]、分光鏡[2]、電控平移架 [3]、三棱鏡W]、柱面凸透鏡[5]、固體材料W]、透明容器[7]、光電二極管[11]、數(shù)字示波 器[12]、電子計算機[13]，脈沖激光器[1]發(fā)出的光源經(jīng)分光鏡[2]反射部分光到光電二 極管[11]上，其余的光經(jīng)三棱鏡W]、柱面凸透鏡[5]入射到透明容器[7]中的固體材料 [6]表面，光電二極管[11]輸出端與數(shù)字示波器[12]的接收端相連，數(shù)字示波器[12]的 輸出端與電子計算機[13]相連，其特征在于由He-Ne激光器[8]、聚焦透鏡[9]、位置敏感 器[10]組成接收傳感器，He-Ne激光器[8]出射的探測光束穿過固體材料[6]表面，由聚 焦透鏡[9]聚焦至位置敏感器[10]上，位置敏感器[10]的輸出端與數(shù)字示波器[12]的另 一個接收端相連，三棱鏡[4]和柱面凸透鏡[5]固定在由電子計算機[13]控制的電控平移 架[3]上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測裝置，其特征在于固體材料6為透明材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測裝置，其特征在于固體材料6為不透明的金屬或半 導(dǎo)體材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量流-固界面上激光超聲波的流-固耦合光偏轉(zhuǎn)探測裝置，它包括脈沖激光器、分光鏡、電控平移架、三棱鏡、柱面凸透鏡、固體材料、透明容器、光電二極管、數(shù)字示波器、電子計算機，其特征是由He-Ne激光器、聚焦透鏡、位置敏感器組成接收傳感器，He-Ne激光器出射的探測光束平行于柱面凸透鏡穿過固體材料表面，由聚焦透鏡聚焦至位置敏感器上，位置敏感器的輸出端與數(shù)字示波器的接收端相連，三棱鏡和柱面凸透鏡固定在由電子計算機控制的電控平移架上。本發(fā)明具有造價低、測量精度高、掃描速度快，能夠?qū)α?固界面上激光激發(fā)的超聲波進行一維掃描探測。本發(fā)明廣泛用于流-固界面以及透明材料內(nèi)超聲波的探測。
文檔編號G01H9/00GK102052962SQ20091021316
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者倪曉武, 崔一平, 沈中華, 趙艷, 陸建 申請人:南京理工大學(xué)