Способ импульсно-периодического лазерно-ультразвукового контроля твердых материалов и устройство для его осуществления Российский патент 2018 года по МПК G01N29/04 

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 «ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП», принцип работы которого основан на генерации лазерного импульса, преобразовании его в пластине оптико-акустического генератора в акустический сигнал, излучении акустического сигнала в исследуемую среду и принятии отраженного сигнала пьзоприемником (RU 2381496, опубликовано 10.02.2010 г., бюл. №4). Недостатками данного технического решения являются необходимость перемещения устройства относительно исследуемой поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому авторами техническому решению является «СПОСОБ ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» (RU 2232983, опубликовано 20.07.204 г., бюл. №20), при котором осуществляют генерацию оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в исследуемую среду и прием отраженного акустического сигнала пьезоэлементом, причем акустический импульс генерируют с помощью двустороннего 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. Так же предлагается устройство для осуществления данного способа.

Недостатком данного способа является необходимость использования высокоскоростной системы регистрации электрических сигналов с пьезоприемников и высокий уровень шумов за счет наличия переотраженных от элементов решетки сигналов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости сканирования при повышении его точности. Технический результат достигается за счет того, что генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку, составленную из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора.

Реализация предлагаемого изобретения показана на Фиг. 1, где 1 - лазер, 2 - система доставки луча, 3 - линза, 4 - оптические лучи, 5 - решетка, оптико-акустический преобразователь, 7 - исследуемый образец, 8 - пьезоприемники, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - проводная связь, 11 - вычислительное устройство, и осуществляется следующим образом. Лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме с изменяющейся частотой следования импульсов от 10 Гц до 100 кГц, связан посредством системы доставки луча, например, оптико-волоконным кабелем с линзой, генерирует оптические импульсы. Оптические лучи прошедшие через решетку, составленную из оптически прозрачных пьезоэлементов, попадают на оптико-акустический преобразователь. Преобразование оптических сигналов в акустические сигналы, которые поступают в исследуемый образец, осуществляется в оптико-акустическом преобразователе. Обертоны полученных с его помощью акустических волн с сохранением их фазы принимают пьзоприемники 8, из которых составлена решетка.

Данные элементы связаны с аналого-цифровым преобразователем при помощи проводной связи, которая обеспечивает надежное соединение с минимальным уровнем потерь мощности электрических сигналов, полученных при взаимодействии акустических волн с пьезоприемниками. Преобразованные в цифровую форму сигналы передаются на вычислительное устройство, например, персональный компьютер, для построения двухмерной модели структуры исследуемого материала.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из импульсного лазера, системы доставки луча, например, оптико-волоконного кабеля, фокусирующей линзы, решетки, составленной из оптически прозрачных пьезоэлементов, совмещенной с оптико-акустическим преобразователем. Преобразователь представляет собой пластину из материала с подходящими акустическими свойствами, толщина которой определяется из выражения В=3α^-1, где α^-1 - коэффициент поглощения лазерного излучения, и составляет примерно 1 мм. Часть устройства, включающая фокусирующую линзу, решетку и оптико-акустический преобразователь помещается на поверхность исследуемого материала и фиксируется относительно известного местоположения, для чего в его составе могут быть использованы дополнительные приспособления.

Кроме того, в состав устройства входит аналого-цифровой преобразователь, провода связи пьезоэлементов, составляющих решетку, и выше указанного преобразователя, а так же связанное с ним вычислительное устройство. Решетка с линзой может быть объединена в общий корпус.

Устройство работает следующим образом. Импульсный лазер генерирует световые импульсы определенной энергии с частотой в заданном диапазоне. После их передачи по системе доставки луча на фокусирующую линзу, лучи проходят через оптически прозрачную решетку и попадают на оптико-акустический преобразователь. При поглощении лазерных импульсов за счет нестационарного теплового расширения возбуждаются акустические импульсы. Акустические импульсы, распространяются в глубь исследуемой среды от поверхности исследуемого материала и отражаются от искомых неоднородностей (дефектов), отраженные волны регистрируются решеткой, составленной из пьезоэлементов, преобразуются в электрические импульсы и передаются на аналого-цифровой преобразователь. Усиленные сигналы обрабатываются вычислительным устройством, с получением в итоге двумерного изображения исследуемого материала.

Так как материал, из которого изготовлены пьезоэлементы, составляющие решетку, является оптически прозрачным и согласован по акустическому импедансу с материалом оптико-акустического генератора, то на границе их раздела не возникает переотраженных сигналов. Как следствие этого, не образуются дополнительные шумы и, соответственно, повышается точность определения местоположения дефектных участков.

Повышение частоты работы лазера приводит к увеличению числа реализаций, по которым производится усреднение результатов исследования. Это позволяет при той же самой скорости сканирования повысить его точность, либо сохраняя требуемый уровень точности исследования, повышать скорость сканирования.

Таким образом, данное техническое решение позволяет достигнуть заявляемый технический результат, а все признаки, отличающие предлагаемое изобретение необходимы и достаточны для его осуществления.

Использование: для неразрушающего контроля материалов ультразвуковыми методами. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют генерацию серии оптических импульсов, преобразование их в акустические сигналы, излучение полученных сигналов в исследуемый материал, возбуждение продольных и сдвиговых волн в приповерхностном слое исследуемого материала, прием отраженных сигналов приемником, выполненным в виде решетки, собранной из локальных пьезоэлементов, обработку принятых сигналов в реальном масштабе времени в цифровой форме с сохранением их фаз, при этом генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора. Технический результат: обеспечение возможности проведения при одностороннем режиме доступа к образцу надежного лазерно-ультразвукового контроля, обладающего большой разрешающей способностью и высокой чувствительностью. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов, включающий генерацию серии оптических импульсов, преобразование их в акустические сигналы, излучение полученных сигналов в исследуемый материал, возбуждение продольных и сдвиговых волн в приповерхностном слое исследуемого материала, прием отраженных сигналов приемником, выполненным в виде решетки, собранной из локальных пьезоэлементов, обработку принятых сигналов в реальном масштабе времени в цифровой форме с сохранением их фаз, отличающийся тем, что генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора.

2. Устройство для осуществления способа, состоящее из импульсного лазера, соединенного посредством оптико-волоконного кабеля с расширяющей линзой, оптико-акустического преобразователя, расположенного на поверхности исследуемого объекта, пьезоприемника в виде решетки из локальных пьезоэлементов, аналого-цифрового преобразователя и вычислительного устройства, отличающееся тем, что пьезоэлементы, из которых выполнена решетка, изготовлены из оптически прозрачного материала, согласованного по акустическому импедансу с оптико-акустическим генератором.