專利名稱：一種流-固耦合光偏轉探測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光偏轉探測裝置，特別是一種用于測量流-固界面上激光超聲波 的流-固耦合光偏轉探測裝置。
背景技術：
從20世紀30年代開始發展起來的流-固界面上超聲波的研究，對超聲無損探傷 技術的發展產生了重要的推動作用。現有在流-固界面上激發和接收超聲波的方法是采用 聲換能器作為超聲波的激發和接收裝置，這種方法雖然極為簡單，但激發出的超聲波頻率 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的發展，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。該系統采用短脈沖激光作為 流-固界面上超聲波的激發源，并采用光偏轉技術探測流-固界面上超聲波的表面速度信 號。該系統中的光偏轉技術是利用流-固界面上超聲波沿界面傳播時，界面的形狀改變，導 致經界面反射的探測光束位置或強度變化來實現的。這種探測技術常用于探測沿處于真 空中的固體材料表面傳播的聲表面波，對比上述解決方案有明顯的優點，但由于該系統中 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，這也將導致穿過 流體的探測光束的位置或強度發生變化，因此這種光偏轉技術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傳播過程中不同位置的時域信號，另外該系統 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，所以不利于該 系統的推廣應用。2000年C. Mattei等人報道了另一種系統。該系統采用聲換能器在流-固 界面上激發超聲波，并采用光學干涉儀探測超聲波信號。該系統雖然克服了上述測量不準 確的缺點，但由于容易受到環境影響，不能對界面進行掃描，同時用于探測的光學干涉儀靈 敏度低、成本很高，所以不利于該系統的推廣應用。如何解決現有技術存在的缺點已成為現 有光偏轉探測技術領域亟待解決的重大難題。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點而提供一種測量精度高、掃描速度 快，能夠對流-固界面上激光激發的超聲波進行一維掃描探測，而且造價低的流-固耦合光 偏轉探測裝置。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的，一種流-固耦合光偏轉探測裝置， 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、數字示波器、電子計算機，脈沖激光器發出的激光束經分光鏡反射部分光到光電二極 管上，其余的光經三棱鏡、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字示波器的接收端相連，數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。 本發明是利用短脈沖激光器在流-固界面上激發出高頻率超聲波，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 源移動掃描的方式，實現在流-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出的激光束，經分光鏡反射部分光到光電二 極管上，由光電二極管轉化為電信號，輸入數字示波器中，作為數字示波器的觸發信號，其 余的光經三棱鏡和柱面凸透鏡聚焦成線激發源后，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出超聲波，并沿固體材料表面傳播至探測點位 置，由于沿固體材料表面傳播的超聲波會引起周圍流體的折射率發生微小變化，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激光器發出的探測光束發生偏轉，偏轉的角度和折射率的變化有關，那么探測 光束的偏轉與超聲波的壓強有關，探測光束經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，并將其轉化為電信號，再經數字示波器傳輸到電子計算機上。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，可以實現激發線源的一維平移。本發明與現有技術相比其顯著的優點是第一，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，結構簡單，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源的一維平 移，實現了在流-固界面上的快速一維掃描，得到超聲波沿流-固界面傳播過程中不同位置 處超聲波信號的序列圖。本發明可廣泛用于流-固界面以及透明材料內超聲波的探測。
附圖是根據本發明提出的流-固耦合光偏轉探測裝置的結構原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細描述。參照附圖，根據本發明提出的流-固耦合光偏轉探測裝置，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 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依次設置在同一光路上，在分光鏡2的反射光路上設置有光電二極管11。脈 沖激光器1發出的激光束經分光鏡2反射的部分光由光電二極管11接收，并轉化為電信號 傳輸至數字示波器12，作為數字示波器12的啟動記錄的觸發信號，數字示波器12的型號是4Tektronix THS730A。其余的光經三棱鏡4后，再經柱面凸透鏡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 滑塊導軌結構，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，可以實現激發源的一維掃描。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。當脈沖激 光器1發出的光在放置于裝滿流體的透明容器7中的固體材料6表面上激發超聲波時，超 聲波沿固體材料6表面傳播至He-Ne激光器8的探測點，由于超聲波導致固體材料附近流 體的折射率發生微小變化，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激光器發出的探測光束發生偏轉，偏轉的角度 和折射率的變化有關，那么探測光束的偏轉與超聲波的壓強有關，探測光束經聚焦透鏡9 聚焦至位置敏感器10上，由位置敏感器10測定偏轉的角度，并將其轉化為電信號接入到數 字示波器12，再傳輸到電子計算機13，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體材料。
本發明經反復試驗驗證，取得了滿意的應用效果。
權利要求
1.一種流-固耦合的光偏轉探測裝置，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]、數字示波 器[12]、電子計算機[13]，脈沖激光器[1]發出的光源經分光鏡[2]反射部分光到光電二 極管[11]上，其余的光經三棱鏡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]輸出端與數字示波器[12]的接收端相連，數字示波器[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.根據權利要求1所述的探測裝置，其特征在于固體材料6為透明材料。
3.根據權利要求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 導體材料。
全文摘要
本發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。本發明具有造價低、測量精度高、掃描速度快，能夠對流-固界面上激光激發的超聲波進行一維掃描探測。本發明廣泛用于流-固界面以及透明材料內超聲波的探測。
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 優先權日2009年10月30日
發明者倪曉武, 崔一平, 沈中華, 趙艷, 陸建 申請人:南京理工大學