Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковыми методами для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей. Устройство для осуществления лазерно-акустического контроля твердых материалов содержит импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен в сторону исследуемого твердого материала, и расположенный над поверхностью исследуемого твердого материала пьезоприемник. Устройство дополнительно содержит расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей и расположенный над поверхностью исследуемого материала. При этом торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а пьезоприемник помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером. Данное устройство реализует соответствующий способ. Данное изобретение позволяет создать надежный способ лазерно-ультразвукового контроля при одностороннем режиме доступа к образцу, обладающего большой разрешающей способностью и высокой чувствительностью. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковыми методами и может быть использовано для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и определения их геометрических размеров.

Известен способ лазерно-акустического контроля, заключающийся в генерации лазерного импульса, преобразовании его с помощью поглощающей световой импульс плоскопараллельной пластины в акустический сигнал, излучении акустического сигнала в исследуемую среду и принятии отраженного сигнала [1]. Недостатками данного способа являются низкая чувствительность оптической регистрации отраженного сигнала и невозможность использования сфокусированных пучков.

Известен способ лазерно-акустического контроля твердых материалов, заключающийся в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении сигнала в исследуемую среду и приеме отраженного акустического сигнала пьезоэлементом [2].

Устройство для реализации упомянутого способа [2] содержит импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен на исследуемый образец, и пьезоприемник в виде кольцевых пьезоэлементов, расположенных над его поверхностью в акустически связующей среде. Упомянутое устройство имеет следующие недостатки: 1) оптико-акустическое преобразование осуществляется непосредственно в объекте исследования (образце), при этом коэффициент поглощения света зависит от материала образца, а следовательно, амплитуда и спектр генерируемого ультразвукового сигнала для различных материалов различны; 2) в образце сфокусированным оптическим пучком возбуждается расходящаяся сферическая волна, амплитуда которой убывает обратно пропорционально пройденному расстоянию, а значит, диагностику можно вести лишь на незначительных глубинах.

В данной заявке решается задача создания надежного способа лазерно-ультразвукового контроля механических (структурных) свойств материалов при одностороннем режиме доступа к образцу, обладающего большой разрешающей способностью и высокой чувствительностью.

Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в исследуемую среду и приеме отраженного акустического сигнала пьезоэлементом, акустический импульс генерируют с помощью двухстороннего распределенного оптико-акустического преобразователя, а отраженный сигнал принимают решеткой из локальных пьезоприемников, расположенных либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым материалом, либо с обратной стороны преобразователя, при этом сигнал, поступающий с решетки пьезоприемников, обрабатывают в реальном масштабе времени.

Для решения поставленной задачи в устройстве, содержащем импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен на исследуемый материал, и пьезоприемник, расположенный над его поверхностью, торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на распределенный оптико-акустический преобразователь, расположенный над поверхностью исследуемого материала, а пьезоприемник помещен с обратной стороны излучателя и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через усилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером.

Имеются варианты устройства, в которых пьезоприемник расположен между оптико-акустическим преобразователем и поверхностью исследуемого материала, а также такой, где приемник и излучатель выполнены криволинейными, с возможностью фокусировки излучения и приема.

Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления иллюстрируется фиг.1-3.

Способ осуществляется следующим образом (см. фиг.1).

Импульсы оптического излучения поступают с лазера 1 через волоконно-оптический кабель 2 и расширяющую линзу 3 на оптико-акустический преобразователь 4. Система облучения создает на поверхности излучателя широкое пятно. При поглощении лазерного импульса в преобразователе 4 за счет нестационарного теплового расширения возбуждается упругий импульс. С частотой модуляции оптического излучения акустические колебания распространяются с обеих поверхностей оптико-акустического преобразователя 4. Акустический импульс в направлении к решетке пьезоэлементов 5 регистрируется системой как опорный. В этом случае электрические импульсы от каждого локального пьезоэлемента 5, пройдя предусилитель 6 и аналого-цифровой преобразователь 7, регистрируются компьютером 8. Акустические импульсы, распространяюшиеся к поверхности контролируемого объекта 9, проходя в его структуре, отражаются от искомых неоднородностей (дефектов) 10 и, пройдя сквозь оптико-акустический преобразователь 4, регистрируются решеткой пьезоэлементов 5. Система задемпфированных пьезоэлементов 5 и предусилителей 6 обеспечивает широкий диапазон регистрируемых частот и высокую чувствительность, чем в итоге достигается высокое разрешение системы в сочетании с большой глубиной исследования. Для построения двумерных картин неоднородности исследуемого объекта используется компьютер 8, работающий в реальном масштабе времени.

В вариантах устройства решетка из пьезоэлементов 5 может быть расположена между оптико-акустическим преобразователем и поверхностью исследуемого материала 9 - фиг.2, а также иметь криволинейную поверхность вместе с оптико-акустическим преобразователем 4 - фиг.3. Такая геометрия излучателя и приемника позволяет сфокусировать зону исследования в контролируемом материале.

Таким образом, предложенный способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления обладают по сравнению с прототипом более высокой чувствительностью и разрешающей способностью. При этом использование специального преобразователя в виде полимерной пленки приводит к тому, что эффективность оптико-акустического преобразования, а также спектр и амплитуда возбуждаемого сигнала определяются только теплофизическими параметрами данной пленки, что исключает недостатки способа и устройства-прототипа. Высокая чувствительность достигается за счет высокой эффективности оптико-акустического преобразования в полимерной пленке и повышения отношения сигнал/шум при использовании решетки из пьезоэлементов. Высокая разрешающая способность в диапазоне 30 кГц-30 МГц определяется применением коротких наносекундных лазерных импульсов и широкой полосой пропускания электро-акустического приемного тракта, достигаемой при использовании полимерных пьезоэлектрических пленок толщиной до 0,11 мм.

Источники информации

1. Патент США №5457997, кл. 73/643.

2. Патент США №5381695, кл. 73/643.

Формула изобретения

1. Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов, заключающийся в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в среду исследуемого твердого материала и приеме пьезоприемником отраженного от исследуемого твердого материала акустического сигнала, отличающийся тем, что генерированный оптический импульс передается на преобразование в акустический сигнал через расширяющую линзу, а само преобразование осуществляется акустически прозрачным распределенным оптико-акустическим преобразователем, излучающим акустический сигнал со своих обеих поверхностей, первично сгенерированный опорный и отраженный от исследуемого твердого материала акустические сигналы принимают пьезоприемником, выполненным в виде решетки из локальных пьезоэлементов, расположенным либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, при этом сигнал, поступающий с пьезоприемника, на основании которого судят о наличии структурных неоднородностей в исследуемом твердом материале, обрабатывают в реальном масштабе времени.

2. Устройство для осуществления лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен в сторону исследуемого твердого материала, и расположенный над поверхностью исследуемого твердого материала пьезоприемник, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей, и расположенный над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а пьезоприемник помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пьезоприемник и оптико-акустический преобразователь выполнены криволинейными с возможностью фокусировки излучения и приема соответствующих сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3