利用激光激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法與光路系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及管道結構的缺陷檢測領域，具體而言涉及一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法與光路系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]管道結構的缺陷檢測是石油、化工、電力等行業(yè)中迫切需要的技術。超聲導波技術因其能進行快速、長距離、大范圍、相對低成本的管道缺陷檢測，受到廣泛關注。
[0003]在管中傳播的導波分為三種模態(tài):縱向模態(tài)(L模態(tài))、彎曲模態(tài)(F模態(tài))和扭轉模態(tài)(T模態(tài))，這三種模態(tài)的導波分別用L(0，m)、F(0，m)和T(n，m)表示，其中η和m分別代表周向和徑向模態(tài)參數(shù)，且均為整數(shù)。L模態(tài)和T模態(tài)是軸對稱模態(tài)，F(xiàn)模態(tài)是非軸對稱模態(tài)。不同的導波模態(tài)具有不同的激發(fā)方式與應用，其中軸對稱L(0，2)模態(tài)的導波有以下的優(yōu)點:(I)在某一特定頻率附近(40?10kHz)的很寬頻率范圍內(nèi)，此模態(tài)幾乎是非頻散的，即群速度、相速度不隨頻率明顯變化，因此使得信號形狀在傳播過程中基本保持不變；
(2)它是傳播最快的模態(tài)，因此任何不希望出現(xiàn)的模態(tài)信號都在其后到達，易于在時域內(nèi)區(qū)分感興趣的信號；(3)該導波模態(tài)內(nèi)外軸向的相對位移較大,而且,在管壁方向上縱向位移分布比較均勻，因此對于任何圓周位置的內(nèi)外表面缺陷具有相同的靈敏度，很適合探測內(nèi)外表面缺陷；(4)該導波模態(tài)內(nèi)外徑向的相對位移較小，這樣波在傳播過程中能量泄漏現(xiàn)象相對較小，傳播距離相對較大。基于這四點，L(O, 2)導波模態(tài)成為超聲導波管道缺陷檢測中常用的導波模式。
[0004]在文獻 I[Review of Progress in Quantitative NondestructiveEvaluat1n, Vol.9(1990)《Ultrasonics inspect1n of steam generator tubing bycylindrical guided waves))]中Μ.V Brook等由管道一端施加法向載荷激勵縱向?qū)Р↙(0，2)，對管道進行檢測，證明了利用軸向?qū)Р▽艿肋M行檢測的可行性。此方法是利用傳感器陣列，將電壓激勵信號轉換為縱向載荷加載到管道端部，從而激勵出沿管道縱向軸對稱的L(0，2)模態(tài)的導波。但是，上述方法中傳感器需要與管道接觸，不能實現(xiàn)非接觸測量或高溫以及腐蝕性強等惡劣條件下的測量，并且傳感器與管道之間的接觸情況也會影響激發(fā)波的效果。在文獻 2 [Experimental Mechanics, Vol37 (1997) ((Laser based, guidedwave experiments for tubing))]中，J.L.Rose采用了內(nèi)插式環(huán)狀拋物線形銅反射鏡,使得脈沖激光的能量經(jīng)反射后沿圓周方向均勻分布，進而可容易地產(chǎn)生縱向軸對稱的L(0，m)模式導波。此方法雖然利用激光激發(fā)實現(xiàn)了非接觸激發(fā)，但是在管內(nèi)部采用內(nèi)插式環(huán)狀拋物線銅反射鏡，對管道的大小有一定要求，裝置復雜；而且利用該方法得到的導波模態(tài)有多個。
[0005]因此，開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)L(0，2)模的方法對管道進行缺陷檢測是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法以及一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的光路系統(tǒng)，采用激光實現(xiàn)非接觸激發(fā)，避免傳感器激發(fā)無法實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下測量帶來的缺陷，而且通過將激光對稱聚焦于管道端面激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)L(0，2)，得到適合于管道檢測的導波模態(tài)。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過獨立權利要求的技術特征實現(xiàn)，從屬權利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨立權利要求的技術特征。
[0008]為達成上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0009]一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1、利用一脈沖激光器發(fā)出激光束；
[0011 ] 步驟2、對激光束進行擴束和準直處理，得到一準直激光束；
[0012]步驟3、將準直激光束轉換為環(huán)狀光束，所形成環(huán)狀光束的厚度為入射準直激光束直徑的一半；
[0013]步驟4、將環(huán)狀光束進行會聚；以及
[0014]步驟5、將步驟4得到的環(huán)狀光束投射于管道端面，通過調(diào)整管道位置，使得環(huán)狀光束的中心與管道中心重合，環(huán)狀光束與管道端面滿足:(rl+r2)/2=(r3+r4)/2,其中:rl為環(huán)形光束的內(nèi)徑，r2為環(huán)形光束的外徑，r3為管道內(nèi)徑，r4為管道外徑。
[0015]進一步，所述步驟2，利用光學擴束器對脈沖激光發(fā)出的激光束進行擴束和準直。
[0016]進一步，所述步驟3，利用角錐棱鏡將準直激光束轉換為環(huán)狀光束。
[0017]進一步，針對不同孔徑的管道，通過選擇不同角度的角錐棱鏡得到匹配不同孔徑管道的環(huán)狀光束。
[0018]進一步，所述步驟4，將環(huán)狀光束通過一平凸透鏡使光束會聚。
[0019]進一步，針對不同管壁厚的管道，通過調(diào)節(jié)管道與平凸透鏡之間的距離得到匹配不同管壁厚的環(huán)狀光束。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的改進，本發(fā)明的另一方面還提出一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的光路系統(tǒng)，該光路系統(tǒng)包括脈沖激光器、光學擴束器、角錐棱鏡、平凸透鏡以及一管道，光學擴束器、角錐棱鏡及平凸透鏡位于同一光軸上，角錐棱鏡位于光學擴束器的出射光路上，平凸透鏡位于角錐棱鏡的出射光路上，管道位于平凸透鏡的出射光路上，其中:
[0021]脈沖激光器位于光學擴束器的入射光路上，向光學擴束器發(fā)射激光；
[0022]光學擴束器用于對脈沖激光器發(fā)出的激光束進行擴束和準直，得到一準直激光束；
[0023]角錐棱鏡用于將準直激光束轉換為環(huán)狀光束，該環(huán)狀光束的厚度為入射準直激光束直徑的一半；
[0024]平凸透鏡用于會聚光束，得到比入射前的環(huán)狀光束能量密度更強的環(huán)狀光束，該環(huán)狀光束投射于所述管道的端面上，環(huán)狀光束與管道端面滿足:(rl+r2) /2= (r3+r4) /2，其中:rl為環(huán)形光束的內(nèi)徑，r2為環(huán)形光束的外徑，r3為管道內(nèi)徑，r4為管道外徑。
[0025]進一步，所述光學擴束器由一平凹透鏡及準直透鏡構成，平凹透鏡用于對脈沖激光器發(fā)出的光束進行發(fā)散，準直透鏡位于平凹透鏡的出射光路上用于對發(fā)散后的光束進行準直，形成準直激光束。
[0026]進一步，所述準直透鏡為一平凸透鏡或雙凸透鏡。
[0027]進一步，所述光學擴束器由2個雙凸透鏡構成。
[0028]由以上本發(fā)明的技術方案可知，本發(fā)明的有益效果在于:
[0029]I)利用激光作為激發(fā)源產(chǎn)生導波，根據(jù)不同材料特性選擇低于材料損傷閾值的激光能量，在熱彈機制下激發(fā)，避免產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而實現(xiàn)無損檢測。
[0030]2)克服了傳統(tǒng)方法中使用傳感器激發(fā)導波時需要與管道接觸這一缺點，實現(xiàn)遠距離，非接觸及在惡劣環(huán)境下的檢測。
[0031]3)利用激光對稱加載在管道端面可以激發(fā)得到單一的縱向模態(tài)導波L(0，2)，該模態(tài)導波在低頻范圍內(nèi)幾乎是非頻散的，且該導波在管壁方向上縱向位移分布比較均勻，且對于任何圓周位置的內(nèi)外表面缺陷具有相同的靈敏度，因此很適合探測管道內(nèi)外表面缺陷。實際應用中的基模激光其在空間的光場分布具有對稱性，其發(fā)出的激光束經(jīng)角錐棱鏡及平凸透鏡聚焦后形成的環(huán)形光束在管道端面徑向分布具有對稱性，當對稱加載于管道端面時，產(chǎn)生的導波為對稱模態(tài)；而且，由于激光作用產(chǎn)生的波的頻譜范圍在高階對稱模態(tài)的截止頻率以下區(qū)域，因此只能得到低階的對稱模態(tài)導波。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明一實施方式利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法的示例性實現(xiàn)流程示意圖。
[0033]圖2為圖1實施例中利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法的示例性激發(fā)光路示意圖。
[0034]圖3為圖2中角錐棱鏡的光線追跡示意圖。
[0035]圖4為環(huán)形光束照于管道端面的效果示意圖。
[0036]圖5為光學擴束器一實施方式的不意圖。
[0037]圖6為光學擴束器另一實施方式的示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了更了解本發(fā)明的技術內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0039]圖1所示為本發(fā)明一實施方式利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法的示例性實現(xiàn)流程，其中，一種利用激光在管道結構中激發(fā)單一縱向?qū)РB(tài)的方法，包括以下步驟:
[0040]步驟1、利用一脈沖激光器發(fā)出激光束；
[0041 ] 步驟2、對激光束進行擴束和準直處理，得到一準直激光束；
[0042]步驟3、將準直激光束轉換為環(huán)狀光束，所形成環(huán)狀光束的厚度為入射準直激光束直徑的一半；
[0043]步驟4、將環(huán)狀光束進行會聚；
[0044]步驟5、將步驟4得到的環(huán)狀光束投射于管道端面，通過調(diào)整