CN102445416B

CN102445416B - 一种复合材料实时在线无损检测装置

Info

Publication number: CN102445416B
Application number: CN 201110306832
Authority: CN
Inventors: 尚建华; 孙宝忠; 赵曙光; 任立红
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: CN102445416A

Abstract

本发明涉及一种复合材料实时在线无损检测装置，包括激励声源模块、复合材料振动特征检测模块、回波信号光相干检测模块、信号正交微分鉴频模块和计算机数据存储单元，复合材料振动特征检测模块包括光纤激光器、相干检测光学链路和望远镜，光纤激光器的输出光依次经过相干检测光学链路和望远镜垂直入射到待测复合材料，返回的光信号经望远镜回到相干检测光学链路；光学链路将返回的光信号传输至所述回波信号光相干检测模块；回波信号光相干检测模块将该光信号转换为电信号后由信号正交微分鉴频模块中的正交解调单元、微分鉴频单元与时频特征分析单元处理。本发明能够提高无损检测的检测距离以及装置的操作安全性。

Description

一种复合材料实时在线无损检测装置

技术领域

本发明涉及复合材料检测技术领域，特别是涉及一种复合材料实时在线无损检测装置。

背景技术

作为执行各种大规模复杂航天任务的重要工具——航空航天器，其构件所用材料现已从常规金属材料发展到复合材料。而针对复合材料实施准确有效的无损检测不仅是材料性能评估的依据，还是材料结构修理的基础和前提，更是保证航空航天器成功发射和安全运行的关键手段。由于复合材料是一种复杂的多相体系，材料与结构同时成形且各种工艺参数在制造时难以实现精确控制，因此，在复合材料的制备及在役工作中开展实时在线无损检测具有极其重要的现实意义和广阔的应用前景。

目前，实现复合材料无损检测的方法主要有射线检测法、超声检测法、声发射检测法、红外热波成像法、传感器检测法、液晶图像检测法、涡流检测法、敲击法以及目视检测法，以上几种检测方法大多适用于近距离的缺陷/损伤检测，且很难在实施原位静态快速检测或原位动态监测的同时实时确定材料结构中缺陷/损伤的位置和深度。

国内对复合材料的无损检测技术研究主要集中在射线检测法、超声检测法、声发射检测法、红外热波成像法等传统的检测方法方面，哈尔滨工业大学和北京航空制造工程研究所在该方面开展了大量的研究工作并获得了相关的复合材料缺陷/损伤特征信息。而对基于相干激光检测技术的复合材料实时在线无损检测方面技术的研究仍是一项研究空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料实时在线无损检测装置，能够提高无损检测的检测距离以及装置的操作安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合材料实时在线无损检测装置，包括用于使待测复合材料发生振动的激励声源模块、复合材料振动特征检测模块、回波信号光相干检测模块、信号正交微分鉴频模块和计算机数据存储单元，所述复合材料振动特征检测模块包括光纤激光器、相干检测光学链路和望远镜；所述信号正交微分鉴频模块包括正交解调单元、微分鉴频单元和时频特征分析单元；所述光纤激光器的输出光依次经过所述相干检测光学链路和望远镜垂直入射到所述待测复合材料，该输出光获取待测复合材料的振动特征信息后，返回的光信号经所述望远镜回到所述相干检测光学链路；所述光学链路将返回的光信号传输至所述回波信号光相干检测模块；所述回波信号光相干检测模块将该光信号转换为电信号；所述正交解调单元的输入端接收所述的电信号，输出端与所述微分鉴频单元的输入端相连；所述微分鉴频单元的输出端与所述时频特征分析单元输入端相连；所述时频特征分析单元的输出端与计算机数据存储单元。

所述激励声源模块包括环形结构压电陶瓷、光学调整架和信号发生器；所述环形结构压电陶瓷固定在光学调整架上，并且使得环形结构压电陶瓷的振动方向与光学调整架所在平面垂直；所述信号发生器的信号输出端与所述环形结构压电陶瓷连接；所述环形结构压电陶瓷的表面紧密粘贴所述待检测复合材料。

所述环形结构压电陶瓷的压电系数为5nm/V。

所述相干检测光学链路包括隔离器、分束器、声光调制器、环形器和合束器；所述输出光输入到隔离器，再经所述分束器分为两路，一路经所述声光调制器调制产生外差中频，另一路经所述环形器后直接连至所述望远镜；所述声光调制器输出光信号和所述环形器输出光信号再经所述合束器发生拍频，最后由所述回波信号光相干检测模块检测合束器输出光信号。

所述回波信号光相干检测模块包括依次相连的平衡探测器、带通滤波器和放大器。

所述光纤激光器为单频窄线宽连续输出光纤激光器。

所述光纤激光器输出光的波长为1550nm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用同一相干检测光学链路和望远镜实现激光信号的发射和接收，同轴收发的光路结构降低了光路调整的难度并减小了复合材料实时在线无损检测装置所占用的体积，增强了该装置的便携性，同时通过压电系数为5nm/V的环形结构压电陶瓷、信号发生器以及光学调整架构成待检测复合材料振动所需的激励声源，该激励声源具有安装快速方便、振动特性稳定可靠的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中相干检测光学链路的光路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明涉及一种复合材料实时在线无损检测装置，如图1所示，包括激励声源模块I、复合材料振动特征检测模块II、回波信号光相干检测模块III和信号正交微分鉴频模块IV四部分。环形结构压电陶瓷1、光学调整架2、信号发生器3构成了激励声源模块I；单频窄线宽连续输出光纤激光器4、相干检测光学链路5、望远镜6构成了复合材料振动特征检测模块II；平衡探测器7、带通滤波器8、放大器9构成了回波信号光相干检测模块III；正交解调单元10、微分鉴频单元11、时频特征分析单元12构成了信号正交微分鉴频模块IV；最后，复合材料实时在线无损检测装置的输出信号传递给下级计算机数据存储单元13。其位置关系如图1所示，环形结构压电陶瓷1固定在光学调整架2上，此时环形结构压电陶瓷1的振动方向与光学调整架2所在平面垂直；信号发生器3的信号输出端直接连接至环形结构压电陶瓷1，提供振动所需的驱动信号；另外，环形结构压电陶瓷1的表面紧密粘贴待检测复合材料0，该复合材料将在由环形结构压电陶瓷1、光学调整架2和信号发生器3共同构成的激励声源模块I的作用下发生振动。单频窄线宽连续输出光纤激光器4输出激光到相干检测光学链路5，再经望远镜6发射，垂直入射到待检测复合材料0的表面并获取其振动特征信息，返回的光信号再经同一望远镜6回到相干检测光学链路5并经该光学链路处理，得到复合材料振动特征检测模块II的输出信号。平衡探测器7接收复合材料振动特征检测模块II的输出信号并将其转换为电信号，该电信号携带有待检测复合材料0的振动信息，再经带通滤波器8和放大器9的作用得到回波信号光相干检测模块III的输出信号。回波信号光相干检测模块III的输出信号依次经信号正交微分鉴频模块IV中正交解调单元10、微分鉴频单元11和时频特征分析单元12的作用，最终得到一种复合材料实时在线无损检测装置的输出信号，从该输出信号的频谱特征分布规律即可获知待检测复合材料0缺陷/损伤的分布位置及分布规律。最后，将一种复合材料实时在线无损检测装置的输出信号传递给下级计算机数据存储单元13进行后期的数据显示和储存。

所述的回波信号光相干检测模块III采用平衡探测器实现光电信号的转换，有效降低了共模噪声对复合材料缺陷/损伤检测灵敏度的不利影响。

所述的单频窄线宽连续输出光纤激光器的工作波长为1550nm，在降低激光器相位噪声对检测灵敏度影响的同时，还有效降低了激光对操作人员产生损伤的可能性。

在本装置设计过程中，通过对回波信号光相干检测模块的输出信号实施正交解调、微分鉴频和时频特征分析三种信号处理手段，从而实现待检测复合材料缺陷/损伤的实时检测和判断。

所述的相干检测光学链路和望远镜同时实现激光信号的发射和接收，该同轴收发结构降低了光路调整的难度，并有效减小了所述一种复合材料实时在线无损检测装置的体积。

由于本发明的实现原理是相干激光检测技术，在装置设计过程中，必须考虑望远镜到待检测复合材料之间距离引入的噪声影响，因此，需对装置中的相干检测光学链路进行合理的设计和调试，降低远距离检测时距离对检测灵敏度的影响。如图2所示，相干检测光学链路包括隔离器51、分束器52、声光调制器53、环形器54以及合束器55，其相互位置关系如下：单频窄线宽连续输出光纤激光器4输出激光到隔离器51，再经分束器52分为两路，一路经声光调制器53调制产生外差中频，一路经环形器54后直接连至望远镜6，声光调制器53输出光信号和环形器54输出光信号再经合束器55作用发生拍频，最后由平衡探测器7检测合束器输出光信号。

为了更为有效的减小一种复合材料实时在线无损检测装置占用的体积，装置中的相干检测光学链路可采用工作波段为1550nm的商用级光纤及其相关器件实现。

本发明采用各种光学、电子学器件实现了一种复合材料实时在线无损检测装置，通过灵活移动激励声源模块的位置可以实现任意位置复合材料缺陷/损伤的检测，正交解调、微分鉴频和时频特征分析三种信号处理手段可以实时准确处理复合材料的振动特性，分辨复合材料中存在的细微缺陷/损伤，测定缺陷/损伤的分布位置及取向。由于装置中采用了同一相干检测光学链路和望远镜实现激光信号的发射和接收，从而有效降低了光路调节的难度并在一定程度上减小了装置占用的体积，同时，通过合理选择激光的工作波长，能够充分降低发射激光对操作人员产生损伤的可能性。因此，本发明装置具有结构紧凑、检测机动性好、测量实时性强、操作安全性高的优点。

Claims

1.一种复合材料实时在线无损检测装置，包括用于使待测复合材料（0）发生振动的激励声源模块（Ⅰ）、复合材料振动特征检测模块（Ⅱ）、回波信号光相干检测模块（Ⅲ）、信号正交微分鉴频模块（Ⅳ）和计算机数据存储单元（13），其特征在于，所述复合材料振动特征检测模块（Ⅱ）包括光纤激光器（4）、相干检测光学链路（5）和望远镜（6）；所述信号正交微分鉴频模块（Ⅳ）包括正交解调单元（10）、微分鉴频单元（11）和时频特征分析单元（12）；所述光纤激光器（4）的输出光依次经过所述相干检测光学链路（5）和望远镜（6）垂直入射到所述待测复合材料，该输出光获取待测复合材料的振动特征信息后，返回的光信号经所述望远镜（6）回到所述相干检测光学链路（5）；所述相干检测光学链路（5）将返回的光信号传输至所述回波信号光相干检测模块（Ⅲ）；所述回波信号光相干检测模块（Ⅲ）将该光信号转换为电信号；所述正交解调单元（10）的输入端接收所述的电信号，输出端与所述微分鉴频单元（11）的输入端相连；所述微分鉴频单元（11）的输出端与所述时频特征分析单元（12）输入端相连；所述时频特征分析单元（12）的输出端与计算机数据存储单元（13）相连；所述激励声源模块（Ⅰ）包括环形结构压电陶瓷（1）、光学调整架（2）和信号发生器（3）；所述环形结构压电陶瓷（1）固定在光学调整架（2）上，并且使得环形结构压电陶瓷（1）的振动方向与光学调整架（2）所在平面垂直；所述信号发生器（3）的信号输出端与所述环形结构压电陶瓷（1）连接；所述环形结构压电陶瓷（1）的表面紧密粘贴所述待检测复合材料；所述相干检测光学链路（5）包括隔离器（51）、分束器（52）、声光调制器（53）、环形器（54）和合束器（55）；所述输出光输入到隔离器（51），再经所述分束器（52）分为两路，一路经所述声光调制器（53）调制产生外差中频，另一路经所述环形器（54）后直接连至所述望远镜（6）；所述声光调制器（53）输出光信号和所述环形器（54）输出光信号再经所述合束器（55）发生拍频，最后由所述回波信号光相干检测模块（Ⅲ）检测合束器（55）输出光信号；所述回波信号光相干检测模块（Ⅲ）包括依次相连的平衡探测器（7）、带通滤波器（8）和放大器（9）。

2.根据权利要求1所述的复合材料实时在线无损检测装置，其特征在于，所述环形结构压电陶瓷（1）的压电系数为5nm/V。

3.根据权利要求1所述的复合材料实时在线无损检测装置，其特征在于，所述光纤激光器（4）为单频窄线宽连续输出光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的复合材料实时在线无损检测装置，其特征在于，所述光纤激光器（4）输出光的波长为1550nm。