本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及双脉冲激光超声波检测装置及其检测方法。
背景技术：
超声波检测在无损检测中占据着主要地位，超声波无损检测(ndt)是结构健康监测的一种通用技术。超声波无损伤技术是在不损坏工件或原材料的前提下，对被检验部件的厚度和内部质量进行检测。该方法广泛应用于晶片检测、飞机复合材料部件检测、无缝钢管壁厚测量等领域。超声波信号最初是由一个脉冲产生的，利用超声能透入金属材料(样品)的深处，并由一截面进入另一截面，当回波从样品的后表面反射到超声波探测器时，可以计算出样品的厚度。在测量厚度时，即使发生微小变化，其测量精度也很高。如果一直并校准超声波传播速度，同样的检测方案也可用于识别样品内部是否存在缺陷或裂纹。
光声photoacoustic(pa)效应指目标组织吸收短脉冲激光而发出超声波。当采用激光照射目标物体时，目标物体中的的电子会吸收激光的能量，导致其温度上升，激光能量转移到晶格中，从而使目标组织结构发生细小变化，即发生表面原子热胀冷缩现象。根据激光脉冲的峰值功率密度，超声波可以生成三种状态：热弹性、烧蚀和约束状态。热弹性状态下，在峰值功率密度低于106w/cm2时会产生超声波；烧蚀状态下，峰值功率密度高于106w/cm2，试样表面熔化、蒸发，产生烧蚀材料和等离子体的情况。但在烧蚀过程中，烧蚀材料排出的反冲效应和向下的等离子体压力产生的动量引起了更高的超声信号。三种状态下都可以产生超声波，但对于表面损伤来说各不一样。为了减少表面损伤，通过在热弹性状态下使用激光或在烧蚀状态下的使用较低峰值功率的激光来增强光声(pa)系统的信号。
非接触检测方法特别是上述提到光声检测法相比较与其他方法(接触法、液浸法)具有相当大的优势；1、接触法多为手工检测，操作方便、设备简单、成本较低，但是检测的结果受人为因素影响较大。但是接触法能够直接耦合，入射声能损失小，可以提供较大的厚度穿透能力。另外，接触法需要有耦合介质，耦合不太稳定，并且要求被检表面平坦、粗糙度较小。用锆钛酸铅复合材料制成的压电式电传感器就是一种典型的接触型无损检测传感器；2、液浸法的优点是探头与被检工件不接触，探头使用寿命长，超声波的发射和接收均较稳定，表面粗糙度的影响较小；便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。液浸法的缺点是超声波在液体和金属表面的反射，损失了大量能量，需采用较高的增益。当检测高衰减材料或大厚度材料时，可能没有足够的能量。在较高增益下，还可能出现噪声干扰。3、光声法的优点与液浸法有些许相似，探头与被检工件不接触，超声波的发射和接收均较稳定，表面粗糙度的影响较小，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素，但是能量利用率较高，但是若没有控制好激光脉冲的峰值功率密度将会对被检表面造成烧蚀，导致表面结构变化。
技术实现要素：
为了克服背景技术的不足，本发明提供一种降低损伤，提高测量精度的双脉冲激光超声波检测装置及其检测方法。
本发明所采用的技术方案：双脉冲激光超声波检测装置，其包括分别设置在样品前后两侧的脉冲激光发射装置和连续激光发射装置，所述脉冲激光发射装置发射正前方设有用于将脉冲激光束分成两束垂直于样品前表面的第一分束器和反光镜，所述第一分束器与样品表面之间设有透镜；
样品后表面一侧还设有光折变双波混合干涉仪和光电探测器，所述连续激光发射装置前方设有第二分束器，第二分束器将连续激光束分成两束且一束倾斜射向样品后表面再反射进入所述光折变双波混合干涉仪且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪，所述光电探测器接收来自光折变双波混合干涉仪的光电信号。
所述脉冲激光发射装置与第一偏振分束器之间设有滤波片。
所述脉冲激光发射装置产生一束波长为1064nm、能量为40mj的ndyag脉冲激光，激光脉冲持续时间为8ns，重复频率为20hz。
所述连续激光发射装置发射一束波长为532nm的连续激光。
所述透镜将两束脉冲激光汇聚的焦点集中在样品前表面，连续激光的反射点与脉冲激光的焦点位于同一直线上。
本发明采用的另一种技术方案：双脉冲激光超声波检测方法，其步骤包括：
a、通过普通光声系统，获取光声信号；
b、在样品前表面增加第一分束器和透镜，通过控制模块来控制透镜的前后位置，获取不同位置处的光声信号；
c、通过对比，获取最佳的透镜位置。
所述步骤a包括：
a1、通过脉冲激光发射装置发射一束平行于样品前表面的脉冲激光束，脉冲激光束经过滤波片和反光镜垂直射向样品前表面；
a2、通过连续激光发射装置发射一束倾斜于样品后表面的联系激光束，连续激光束经过第二分束器分成两束连续激光束，其中，一束射向样品后表面再反射进入光折变双波混合干涉仪且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪，光折变双波混合干涉仪对进入的光声信号进行干涉，然后由发射给光电探测器进行相位解调。
所述步骤b包括：
b1、使平行的双脉冲激光束经过透镜后的焦点汇聚在样品表面，获取光声信号；
b2、通过控制模块调整透镜位置，将透镜向样品方向移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料正中间，并获取光声信号；
b3、通过控制模块调整透镜位置，将透镜向样品方向再移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料后表面，并获取光声信号。
本发明的有益效果是：激光产生的超声波可以用来测量材料厚度或检测材料内部的缺陷，与单脉冲辐照相比，低能量密度的双脉冲激光辐照在样品表面可以增强光声信号，利用双脉冲法对信号进行增强有利于结构健康检测，提高检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例双脉冲激光超声波检测装置的结构示意图。
图2为双脉冲激光超声检测装置的流程图。
图3为普通激光超声检测装置的结构示意图。
图4为双脉冲光声信号和单脉冲光声信号重叠的比较图。
图5为脉冲激光在样品表面产生超声波的两种形式的示意图。
图6为双脉冲激光照射样品以及在样品内部产生的超声波耦合信号图。
图7为超声波探伤仪的显示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
如图所示，双脉冲激光超声波检测装置，其包括分别设置在样品前后两侧的脉冲激光发射装置1和连续激光发射装置2，所述脉冲激光发射装置1发射正前方设有用于将脉冲激光束分成两束垂直于样品前表面的第一分束器3和反光镜4，所述第一分束器3与样品表面之间设有透镜5；
样品后表面一侧还设有光折变双波混合干涉仪6和光电探测器7，所述连续激光发射装置2前方设有第二分束器8，第二分束器8将连续激光束分成两束且一束倾斜射向样品后表面再反射进入所述光折变双波混合干涉仪6且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪6，所述光电探测器7接收来自光折变双波混合干涉仪6的光电信号，激光产生的超声波可以用来测量材料厚度或检测材料内部的缺陷，与单脉冲辐照相比，低能量密度的双脉冲激光辐照在样品表面可以增强光声信号，利用双脉冲法对信号进行增强有利于结构健康检测，提高检测灵敏度。
所述脉冲激光发射装置1与第一偏振分束器之间设有滤波片9，滤波片用于调整脉冲激光的强度，使得两束脉冲激光强度相等，而且两束光的传播是没有延迟的。
所述脉冲激光发射装置1产生一束波长为1064nm、能量为40mj的ndyag脉冲激光，激光脉冲持续时间为8ns，重复频率为20hz。
所述连续激光发射装置2发射一束波长为532nm的连续激光。
所述透镜5将两束脉冲激光汇聚的焦点集中在样品前表面，连续激光的反射点与脉冲激光的焦点位于同一直线上。
一般的无损检测精度较低，受人为因素影响较大，一些方法在检测时还会损失大量的能量，需要较高的成本。光声效应在无损检测应用中有许多的优点，对于人为因素影响较小，能量利用率和测量精度较高。我们知道，通过激光作用与材料能够产生超声波，通过接受超声波我们能够进行无损检测。但往往信号不会被全部接收，所以在光声无损检测中，要求高能量脉冲激光产生较强的超声波信号已达到更高的检测精度。但是过高峰值功率密度的单脉冲激光会对材料表面进行烧蚀，为了解决这个问题，通过设计方案和不断的实验得出了双脉冲光声检测方法。该方法能够削弱高峰值功率密度单脉冲激光对材料的影响，除此之外，在使用相同能量的情况下，双脉冲光声检测方法比一般的光声检测方法能够获得更强的光声信号。
为了获得高振幅的光声信号，我们选择合适的脉冲激光参数来优化光能的吸收。通过增加激光束的入射强度，可以获得更高的振幅信号，适当的时候可以选择在烧蚀区域。通过辐射目标临近的不同区域，选择两个激光脉冲光斑是否重叠。当激光光斑重叠时，两束激光之间的干涉引起了信号强度的增强。在没有激光斑重叠的情况下，产生的超声波会聚在样品内部，增强光声(pa)信号。因此，使用双脉冲的方法来增强光声信号。
本实施例采用型号为quantaq2-1064的yag激光器产生了一束波长为1064nm、能量为40mj的ndyag脉冲激光，通过滤波片射入偏振分束器，滤波片用于调整光的强度，使得两束光强度相等，然后通过交叉光束的方式，将激光分成两束，利用反射镜和偏振分束器将两束光平行的的打入透镜，通过透镜的汇聚特性将两束光汇集到所需要检测的样品材料表面，而且两束光的传播是没有延迟的，激光脉冲持续时间为8ns，重复频率为20hz，激光传播到样品上，然后根据热效应产生了超声波信号，利用超声能投入样品材料的这种性能，信号会从后表面射出。
在后表面的位置放置一个激光发生器，发射一束波长为532nm的激光，通过分束器将这束激光分成两束，一束激光射向样品的后表面，引导透过前表面的超声波信号反射进入灵敏的光折变双波混合干涉仪，而另一束激光(参考光信号)直接进入双波混合干涉仪，利用灵敏的光折变双波混合干涉仪对进入的光声信号进行干涉，然后由高响应雪崩光电探测器(apd)进行相位解调，这种光电探测器，可以快速、灵敏获取材料内部缺陷尺寸或厚度值，目前可以检测最小板材厚度为0.26mm。
一般的光声系统可以对结构健康进行实时检测，如检测未知样品的厚度或者在已知厚度条件下检测样品的细小缺陷。此次实验我们希望通过增加一些光学元件来实现双脉冲技术，由于一般的光声系统，它的光声信号较弱，存在部分局限性的缺点，并且探测不出在热扩散以外的材料缺陷，所以我们需要通过一些装置来有效地获得最大光声信号强度；由偏振分束器中的旋转执行器控制从射向反光镜的光和偏振分束后另一束光的方向，使用一个控制模块计算并调整反光镜的位置和摆放角度、偏振分束器和透镜的位置。如图4所示，调整透镜位置会导致两束光在样品表面不同的聚集现象。
双脉冲激光超声波检测方法，其步骤包括：
a、通过普通光声系统，获取光声信号；
b、在样品前表面增加第一分束器3和透镜5，通过控制模块来控制透镜5的前后位置，获取不同位置处的光声信号；
c、通过对比，获取最佳的透镜位置。
所述步骤a包括：
a1、通过脉冲激光发射装置1发射一束平行于样品前表面的脉冲激光束，脉冲激光束经过滤波片9和反光镜4垂直射向样品前表面；
a2、通过连续激光发射装置2发射一束倾斜于样品后表面的联系激光束，连续激光束经过第二分束器8分成两束连续激光束，其中，一束射向样品后表面再反射进入光折变双波混合干涉仪6且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪6，光折变双波混合干涉仪6对进入的光声信号进行干涉，然后由发射给光电探测器7进行相位解调。
所述步骤b包括：
b1、使平行的双脉冲激光束经过透镜5后的焦点汇聚在样品表面，获取光声信号；
b2、通过控制模块调整透镜5位置，将透镜5向样品方向移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料正中间，并获取光声信号；
b3、通过控制模块调整透镜5位置，将透镜5向样品方向再移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料后表面，并获取光声信号。
我们想要通过增强激光峰值功率参数来增加信号强度，那么单脉冲激光对于表面的损伤是非常大的，如果我们使用双脉冲法可以有效的减小损伤。通过步骤一和步骤二的比较，我们会发现两束激光聚焦耦合比单一脉冲激光更好，因为两束激光产生的超声波能够更有效地增强光声信号的强度。
使用步骤二使双脉冲激光束的焦点落在材料表面时，两束光的能量聚集在表面的一个点上会产生较大的热效应。我们通过调整焦距来达到调整焦点位置，使得焦点不落在表面上，如图5所示。通过使两束激光在材料表面分离，就会降低表面的激光脉冲能量密度，减少激光辐照过程中对表面的损伤。
通过图6我们可以看出步骤三和步骤四对比。通过控制模块调整部件位置、角度，两束光的焦点分别在材料表面(如图6a(i))、材料内部(如图6b(i))和材料的后表面(如图6c(i))，不同焦点位置对应的采集信号如右图所示。由于超声传播的指向性与激光入射方向一致，探测的最大相长干涉点取决于两束光之间的入射角；因此，光束之间的校准(调整聚焦点位置)可以有效的增强光声信号；根据图6b(ii)和图6c(ii)，对比波形图发现随着假想焦点向后移动，光声信号随之增强。
在无损检测时，缺陷波部分是检测信息的关键部分，图6a(ii)是焦点落在前表面时获取的信号图(比较时作为基础)，很明显可以看出图6b(ii)的缺陷波部分，信号比图a(ii)缺陷波部分要强很多，图6c(ii)与图6a(ii)相比弱很多，(看波峰和波谷以及崎岖形式)所以通过三组数据对比，通过步骤b2获得的耦合信号要强于b1和b3。
总结：激光产生的超声波可以用来测量材料厚度或检测材料内部的缺陷。与单脉冲辐照相比，低能量密度的双脉冲激光辐照在样品表面可以增强光声信号；利用双脉冲法对信号进行增强有利于结构健康检测，提高检测灵敏度。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
1.双脉冲激光超声波检测装置，其特征在于，其包括分别设置在样品前后两侧的脉冲激光发射装置(1)和连续激光发射装置(2)，所述脉冲激光发射装置(1)发射正前方设有用于将脉冲激光束分成两束垂直于样品前表面的第一分束器(3)和反光镜(4)，所述第一分束器(3)与样品表面之间设有透镜(5)；
样品后表面一侧还设有光折变双波混合干涉仪(6)和光电探测器(7)，所述连续激光发射装置(2)前方设有第二分束器(8)，第二分束器(8)将连续激光束分成两束且一束倾斜射向样品后表面再反射进入所述光折变双波混合干涉仪(6)且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪(6)，所述光电探测器(7)接收来自光折变双波混合干涉仪(6)的光电信号。
2.根据权利要求1所述的双脉冲激光超声波检测装置，其特征在于：所述脉冲激光发射装置(1)与第一偏振分束器之间设有滤波片(9)。
3.根据权利要求1所述的双脉冲激光超声波检测装置，其特征在于：所述脉冲激光发射装置(1)产生一束波长为1064nm、能量为40mj的ndyag脉冲激光，激光脉冲持续时间为8ns，重复频率为20hz。
4.根据权利要求3所述的双脉冲激光超声波检测装置，其特征在于：所述连续激光发射装置(2)发射一束波长为532nm的连续激光。
5.根据权利要求1所述的双脉冲激光超声波检测装置，其特征在于：连续激光的反射点与双脉冲激光的焦点位于同一直线上。
6.双脉冲激光超声波检测方法，其特征在于，基于权利要求1的双脉冲激光超声波检测装置，其步骤包括：
a、通过普通光声系统，获取光声信号；
b、在样品前表面增加第一分束器(3)和透镜(5)，通过控制模块来控制透镜(5)的前后位置，获取不同位置处的光声信号；
c、通过对比，获取最佳的透镜位置。
7.根据权利要求6所述的双脉冲激光超声波检测方法，其特征在于，所述步骤a包括：
a1、通过脉冲激光发射装置(1)发射一束平行于样品前表面的脉冲激光束，脉冲激光束经过滤波片(9)和反光镜(4)垂直射向样品前表面；
a2、通过连续激光发射装置(2)发射一束倾斜于样品后表面的联系激光束，连续激光束经过第二分束器(8)分成两束连续激光束，其中，一束射向样品后表面再反射进入光折变双波混合干涉仪(6)且另一束直接射向所述光折变双波混合干涉仪(6)，光折变双波混合干涉仪(6)对进入的光声信号进行干涉，然后由发射给光电探测器(7)进行相位解调。
8.根据权利要求6所述的双脉冲激光超声波检测方法，其特征在于，所述步骤b包括：
b1、使平行的双脉冲激光束经过透镜(5)后的焦点汇聚在样品表面，获取光声信号；
b2、通过控制模块调整透镜(5)位置，将透镜(5)向样品方向移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料正中间，并获取光声信号；
b3、通过控制模块调整透镜(5)位置，将透镜(5)向样品方向再移动0.5cm，使双脉冲激光束的焦点落在材料后表面，并获取光声信号。
技术总结