专利名称：激光-电磁超声无损检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光-电磁超声无损检测系统，属于金属材料无损检测与评价领域。
背景技术：
迄今为止，尚未见到能在提离距离为10 mm进行无损检测的激光-电磁超声检测系统。用于检测金属材料缺陷的超声波法绝大多数基于接触式的压电超声技术，使得该技术在恶劣环境下实施检测时存在诸多困难，如高温、低温、辐射、腐蚀环境以及表面存在较大的粗糙度等。现有的非接触式激光超声波技术多采用激光激励超声、激光干渉仪接收超声波的方式进行无损检测，该方法受制于干涉仪接收光强的反应时间和灵敏度，而且对样品表面的光洁度要求较高，随着表面光洁度的变坏，接收灵敏度迅速下降，使得该技术在实际工程应用中存在一定的问题。美国学者Johanna在“Hybrid laser/broadband EMATultrasonic system for characterizing cracks in metals”一文中指出利用脉冲激光器输出的激光激励超声表面波，然后用电磁超声传感器接收超声表面波的方法可以高灵敏度地检测具有粗糙表面的金属材料，然而电磁超声传感器与被检材料的表面之间的距离不能超过I mm。这种提离距离的限制会导致在检测具有较大表面粗超度或傾斜度材料时，容易发生漏检现象。此外，英国学者 Dixon 在“Detection of cracks in metal sheets usingpulsed laser generated ultrasound and EMAT detection” 一文中也指出电磁超声传感器接收超声信号时，其接收信号的幅度随着提离距离的増大急剧减小，因此他在实验时几乎将电磁超声传感器紧贴于被检材料表面。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光-电磁超声无损检测系统，提供了高提离距离的电磁超声传感器及相应的信号滤波放大系统。所提供的高提离距离的横波电磁超声传感器，采用蝶形设计PCB检测线圈以消除线圈回路所产生的电磁噪声，利用羰基铁粉板来消除磁铁与PCB检测线圈之间形成的寄生电容，降低噪声，同时采用不同直径多层的永磁铁结构，使得垂直于PCB线圈的磁场强度增强，以增强所接收超声信号的幅度，上述设计可以大幅度提高检测的信噪比，并且可以在满足信噪比的前提下使用高放大倍数的前置放大器，结合滤波器即可保证本发明的电磁超声传感器能够在O 10mm提离距离范围内接收到激光激励的超声波信号。本发明的技术方案是一种激光-电磁超声无损检测系统，其特征是它包括脉冲激光器，所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器；脉冲激光器输出激光至线型聚焦単元；线型聚焦单元，所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；可调焦距的光学镜架用于将线型聚焦单元与被检测金属材料之间的距离调节至线型聚焦透镜的焦距处；所述的线型聚焦单元用于将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀或表面烧蚀，以激励出指向性好、能量集中的超声波；电磁超声接收单元，所述的电磁超声接收单元可在O 10 mm范围内将10 200 mj/pulse脉冲激光在金属材料中激励出的超声横波信号或缺陷衍射出横波信号接收并转化为电信号并输出至信号放大滤波単元；三维机械步进装置，所述的三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为O. 02 mm;所述的电磁超声接收单元夹持固定于三维机械步进装置上；信号放大滤波単元，所述的信号放大滤波単元包括前置放大器和模拟滤波器两个部分，其中超声信号经检测线圈输出后进入前置放大器，其过程为信号首先经过中心频率O. 5 MHz的LC选频电路，进入放大倍数约70倍的第一级放大器，经过电容耦合后进入放大倍数约为4倍的第二级放大器，后经阻抗匹配后进入模拟滤波器，其中模拟滤波器为ニ阶高通滤波器并且放大倍数约为4倍，模拟滤波器输出的信号进入可调增益放大器，増益区间O 30dB即放大倍数O 31. 6)。然后再经过滤波选频电路，进入最后ー级约为4倍的运算放大器，进行放大输出至数字示波器；还有电联接在一起的数字示波器和计算机。本方案的具体特点还有，所述调Q式YAG脉冲激光器的脉冲宽度8 15 ns，波长1064 nm,能量O 200 mj/pulse,脉冲重复频率为I 20 Hz。
所述的信号放大滤波单元将金属材料中的超声波频率滤波至O. 5 4 MHz，信号总放大倍数为O 141000倍。所述的电磁超声接收单元包括通过连接螺钉连接在一起的前端盖和后端盖，用于形成对流传热气流空腔，保护内部磁铁与检测线圈；在前端盖底部设置中央通孔，在中央通孔中设置有耐磨陶瓷片以提高电磁超声接收单元的使用寿命，在耐磨陶瓷片上方叠放隔热陶瓷片以减少传感器外部与内部之间的热传导，防止内部温升过高；在前端盖和后端盖之间设置传感器外壳用于固定磁铁组及保护内部器件，所述传感器外壳顶部设置有中间端盖，底部与前端盖的中央通孔对应设置有中央安装孔，在中央安装孔中设置羰基铁粉板，在羰基铁粉板和隔热陶瓷片之间设置有PCB检测线圈；PCB检测线圈与前置放大器之间进行电连接，用于将PCB检测线圈接收到的信号输送至前置放大器进行放大处理；
在传感器外壳内部设置磁铁固定架，用于固定前置放大器与磁铁，在磁铁固定架中设置第四圆形磁铁，在第四圆形磁铁上方依次叠放第三圆形磁铁，第二圆形磁铁和第一圆形磁铁；在第四圆形磁铁上方设置连接在传感器外売上的固定架，用于固定磁铁组。第四圆形磁铁直径 < 第三圆形磁铁直径 < 第二圆形磁铁直径 < 第一圆形磁铁直径。在固定架和第四圆形磁铁之间设置垫板，用于压紧磁铁。固定架上方设置前置放大器；在中间端盖上设置接插件；前置放大器和接插件之间进行电连接，用于将前置放大器输出的信号输送至滤波电路进行滤波处理。 在后端盖上设置气嘴，用于检测环境温度过高时，冷却气体的输入端ロ。PCB检测线圈采用的是蝶形设计结构。采用该系统检测金属材料缺陷的步骤如下
①校准脉冲激光器与线型聚焦単元位置，使二者同中心放置。其中所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器，脉冲宽度8 15 ns，波长1064 nm,能量O 200 mj/pulse,脉冲重复频率为I 20 Hz0②调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使被检测的金属材料位于柱面透镜焦距处。③开启激光激励超声波単元工作电源，以激励出高斯型脉冲激光，利用线型聚焦単元将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀或烧蚀，以激励出指向性好、能量集中的超声波。④开启电磁超声接收单元和三维机械步进装置的工作电源，调整电磁超声接收単元与被检测的金属材料之间的距离和水平位置，使电磁超声接收单元与被检测的金属材料表面的线型激光斑的中心位置处于同一水平线上。其中所述的电磁超声接收单元用于将超声波遇到缺陷时发生波型转换所产生的横波或缺陷衍射的横波转化成电信号；三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为O. 02 _。⑤开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的滤波频率和放大倍数，校正数字示波器并将示波器设置为峰值记录状态，确认信号放大
滤波单元、数字示波器和计算机处于联通状态。⑥调整电磁超声接收单元的位置，使其沿线型激光斑与电磁超声接收单元中心所处的水平线方向进行扫查以检测缺陷。观察示波器，当电磁超声接收单元处于缺陷正上方时，接收到的缺陷信号幅度最大；将该状态下的信号输送至计算机进行记录、保存和后期处理。本方案的有益效果是由于PCB检测线圈采用的是蝶形设计结构，该结构可去掉线圈回路所产生的电磁噪声；采用多层梯度式磁铁组设计结构，可以改善PCB检测线圈区域的磁场，使磁感线尽可能地垂直于被检测材料表面，提高接收超声波的灵敏度，以提高传感器及被检测材料之间距离的极限值；羰基铁粉片为起到绝缘导磁的作用，等同于ー个逆向开关，使磁场通过而电场完全被屏蔽，以使PCB检测线圈仅接收被检测材料中超声波振动引起的电动势，而最大程度地消除电路中电噪声。本传感器的设计结构，可以最大程度降低电噪声，以使所使用的前置放大器可以尽可能的提高放大倍数，进而增加了检测时的提离距离。这种激光-电磁超声无损检测系统，无需耦合剂、可以远距离激励出超声波，且不受激光入射角度、金属材料几何形状及表面粗糙度影响，通过设计高提离距离的电磁超声传感器和信号滤波放大单元，可使电磁超声传感器在提离距离范围为O 10 mm内接收超声波遇到缺陷时发生波型转换的横波以及缺陷衍射的横波，可以测量出金属材料缺陷位置及尺寸。该检测系统特别适用于高温、低温、辐射、腐蚀环境以及表面存在较大的粗糙度等恶劣环境下的无损检测，这是目前常规超声检测方法与系统难以实现的。本方法所用设备简单，操作方便，易于实用化，測量精度高，可重复性好，有助于激光-电磁超声检测技术的进ー步推广和应用，具有较大的经济效益和社会效益。
下面结合附图和实施例对本发明作进ー步说明。图I为ー种激光-电磁超声无损检测系统示意图。图2为铝板人工伤表面裂纹制作示意图。图3为电磁超声単元的结构设计图。图4为激光-电磁超声无损系统的信号放大滤波単元中前置放大电路原理图。图5为激光-电磁超声无损系统的信号放大滤波単元中滤波电路原理图。图6为ー种非接触式的金属材料表面缺陷的激光-电磁超声无损检测方法原理示意图。图7为本系统在提离距离为O mm时铝板表面裂纹缺陷的激光-电磁超声无损检测結果。图8为文献“Hybridlaser/broadband EMAT ultrasonic system for characterizing cracks in metals，，中提离距离为0 mm时铝表面裂纹缺陷的激光-电磁超声无损检测結果。图9为本系统在提离距离为10 mm时铝板表面裂纹缺陷的激光-电磁超声无损检测結果。图中1-耐磨陶瓷片；2_ _热陶瓷片；3_PCB检测线圈(Printed Circuit Board,PCB，即印制电路板)；4-前端盖；5_传感器外壳；6_紧固螺钉；7_中间端盖；8-气嘴；9_后端盖；10_连接螺钉；11_接插件；12_前置放大器；13_固定架；14_垫板；15_第一圆形磁铁；16_第二圆形磁铁；17_第三圆形磁铁；18_第四圆形磁铁；19_磁铁固定架；20_压缩空气出口 ； 21-羰基铁粉板。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明专利的原理和特征进行描述，所举实施例为铝板(牌号6016)检测结果。图I为ー种高提离距离的激光-电磁超声无损检测系统示意图。首先将脉冲激光器、三维机械步进装置、电磁超声接收单元、信号放大滤波単元、数字示波器和计算机之间依次进行电连接，且将电磁超声接收单元固定于三维机械步进装置。校准脉冲激光器与线型聚焦单元位置，使二者同中心放置。调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使铝板干与柱面透镜之间的距离为200 mm。
图2给出了铝板中人工伤表面裂纹制作示意图，铝板的尺寸为700 mmX600 mmX20mm,利用线切割技术在45号钢表面加工出的表面型人工伤，选择尺寸为60 mmXO. 5mmX0.5 mm表面裂纹作为检测对象。开启激光激励超声波単元(I)工作电源，设定脉冲重复频率为10 Hz，脉冲能量为10 mj/pluse，利用线型聚焦单元将激励出高斯型脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至铝板表面，引起铝板表面的热膨胀，以激 励出指向性好、能量集中的超声表面波，实验中所得到的线型激光光斑长度为11 mm。图3给出电磁超声単元的结构设计图。所述的电磁超声接收单元包括通过连接螺钉10连接在一起的前端盖4和后端盖9，在前端盖4底部设置中央通孔，在中央通孔中设置有耐磨陶瓷片1，在耐磨陶瓷片I上方叠放隔热陶瓷片2 ;在前端盖4和后端盖9之间设置传感器外壳5,所述传感器外壳5顶部设置有中间端盖7,传感器外壳5底部与前端盖4的中央通孔对应设置有中央安装孔，在中央安装孔中设置羰基铁粉板21，在羰基铁粉板21和隔热陶瓷片2之间设置有PCB检测线圈3 ；PCB检测线圈与前置放大器之间进行电连接；
在传感器外壳5内部设置磁铁固定架19，在磁铁固定架19中设置第四圆形磁铁18，在第四圆形磁铁18上方依次叠放第三圆形磁铁17,第二圆形磁铁16和第一圆形磁铁15 ;在第四圆形磁铁18上方设置连接在传感器外壳5上的固定架13 ;第四圆形磁铁18直径<第三圆形磁铁17直径<第二圆形磁铁16直径<第一圆形磁铁15直径；在固定架13和第四圆形磁铁18之间设置垫板14 ;固定架13上方设置前置放大器12 ;在中间端盖7上设置接插件11 ;前置放大器和接插件之间进行电连接。在后端盖9上设置气嘴8。PCB检测线圈3采用的是蝶形设计结构。开启电磁超声接收单元和三维机械步进装置的工作电源，调整电磁超声接收单元与铝板之间的距离和水平位置，使电磁超声接收单元与铝板表面的线型激光斑的中心位置处于同一水平线上。实施例中将电磁超声接收单元与铝板之间的距离分别选定为O mm和10 mm,用于对比说明。图4给出了激光-电磁超声无损检测系统的信号放大滤波単元中的前置放大电路原理图，图5给出了激光-电磁超声无损检测系统的信号放大滤波単元中的滤波电路原理图。开启信号放大滤波単元、数字示波器和计算机的工作电源，选定放大滤波単元的滤波频率范围为I 2 MHz,提离距离为O mm时放大倍数选为11000而提离距离为10 mm时放大倍数选为26000，校正数字示波器并设定其处于峰值记录状态，然后确认信号放大滤波单元、数字示波器和计算机处于联通状态。图6给出了ー种非接触式的金属材料表面缺陷的激光-电磁超声无损检测方法原理示意图。利用所述的电磁超声接收单元，使其沿线型激光斑与电磁超声接收单元中心所处的水平线方向进行扫查并观察数字示波器，当扫查至缺陷 位置时，会接收到表面波遇到表面缺陷时发生波型转换所产生的横波信号，并将其转化成电信号传输至信号放大滤波单元，根据电磁感应原理，当电磁超声接收单元与铝板表面之间的距离一定时，电磁超声接收単元位于缺陷正上方时所接收到的信号幅度最大，该状态下的信号用于判定缺陷位置及尺寸，并由计算机对该信号进行上位机显示、记录、保存和处理。图7给出了本检测系统中线型激光束与电磁超声接收单元之间距离为120 mm、电磁超声传感器与铝板之间距离为O _条件下表面缺陷检测信号，其峰峰值幅度约为4. 19V，信噪比约为27.8 dB。图 8 给出了文献 “Hybrid laser/broadband EMAT ultrasonic system forcharacterizing cracks in metals”中，电磁超声传感器与招板之间距离为0 mm时的缺陷检测信号结果，峰峰值约为O. 2 mV。对比图6可以发现，本系统接收到的缺陷信号幅度约为该文献结果的20000倍。图9给出了本检测系统中线型激光束与电磁超声接收单元之间距离为120 _、电磁超声传感器与铝板之间距离为10 mm条件下表面缺陷检测信号，其峰峰值幅度约为O. 64V，信噪比约为14. 5 dB。
权利要求
1.一种激光-电磁超声无损检测系统，其特征是它包括脉冲激光器，所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器；脉冲激光器输出激光至线型聚焦单元； 线型聚焦单元，所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；可调焦距的光学镜架用于将线型聚焦单元与被检测金属材料之间的距离调节至线型聚焦透镜的焦距处；所述的线型聚焦单元用于将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀，以激励出指向性好、能量集中的超声波； 电磁超声接收单元，所述的电磁超声接收单元可在O 10 mm范围内将10 200 mj/pulse脉冲激光在金属材料中激励出的超声横波信号或者衍射横波信号接收并转化为电信号并输出至信号放大滤波单元； 三维机械步进装置，所述的三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为O. 02 mm ;所述的电磁超声接收单元夹持固定于三维机械步进装置上； 信号放大滤波单元，所述的信号放大滤波单元包括前置放大器和模拟滤波器两个部分；信号放大滤波单元将电磁超声接收单元输出的电信号处理后输出至数字示波器； 还有电联接在一起的数字示波器和计算机。
2.根据权利要求I所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是所述调Q式YAG脉冲激光器的脉冲宽度8 15 ns，波长1064 nm,能量O 200 mj/pulse，脉冲重复频率为I 20 Hz。
3.根据权利要求I所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是所述的信号放大滤波单元将金属材料中的超声波频率滤波至O. 5 4 MHz，信号总放大倍数为O 141000倍。
4.根据权利要求I所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是所述的电磁超声接收单元包括通过连接螺钉连接在一起的前端盖和后端盖，在前端盖底部设置中央通孔，在中央通孔中设置有耐磨陶瓷片，在耐磨陶瓷片上方叠放隔热陶瓷片； 在前端盖和后端盖之间设置传感器外壳，所述传感器外壳顶部设置有中间端盖，底部与前端盖的中央通孔对应设置有中央安装孔，在中央安装孔中设置羰基铁粉板，在羰基铁粉板和隔热陶瓷片之间设置有PCB检测线圈；PCB检测线圈与前置放大器之间进行电连接，用于将PCB检测线圈接收到的信号输送至前置放大器进行放大处理； 在传感器外壳内部设置磁铁固定架，在磁铁固定架中设置第四圆形磁铁，在第四圆形磁铁上方依次叠放第三圆形磁铁，第二圆形磁铁和第一圆形磁铁； 在第四圆形磁铁上方设置连接在传感器外壳上的固定架。
5.根据权利要求4所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是第四圆形磁铁直径<第三圆形磁铁直径<第二圆形磁铁直径<第一圆形磁铁直径。
6.根据权利要求4所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是在固定架和第四圆形磁铁之间设置垫板。
7.根据权利要求4所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是固定架上方设置前置放大器；在中间端盖上设置接插件；前置放大器和接插件之间进行电连接，用于将前置放大器输出的信号输送至滤波电路进行滤波处理。
8.根据权利要求4所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是在后端盖上设置气嘴。
9.根据权利要求4所述的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是PCB检测线圈采用的是蝶形设计结构。
全文摘要
一种激光-电磁超声无损检测系统，属于金属材料无损检测与评价领域。这种无损检测系统首先利用脉冲激光器系统发射出脉冲激光，通过线聚焦光学透镜输送至金属材料表面，利用激光引起金属材料表面的热膨胀原理或烧蚀原理，激励出超声波，然后利用所设计的电磁超声传感器可以在提离距离≤10mm(提离距离是指电磁超声传感器与被检测材料之间的距离)范围内接收超声波信号。本系统克服了现有激光超声检测技术难以用于表面粗糙材料检测的问题，摆脱了电磁超声传感器提离距离必须小于2mm的限制，系统所用设备简单，操作方便，易于实用化，测量精度高，可重复性好，有助于激光-电磁超声检测技术的进一步推广和应用，具有较大的经济效益和社会效益。
文档编号G01N21/17GK102818774SQ201210290310
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者赵扬, 贾中青, 宋江峰, 郭锐, 马健, 刘帅, 孙继华, 翟瑞占 申请人:山东省科学院激光研究所