激光超声检测装置设计和实现物理学专业.docx

摘 要 激光超声检测技术是一种新兴无损检测方法，具有非接触、宽频带、波形丰富、分辨率高、能在恶劣环境下正常工作等优点，适用于金属材料的缺陷检测和材料力学性能的在线检测等，是无损检测领域的热门技术之一。 本文的工作是对激光超声检测装置进行设计研究，主要内容有： 首先在了解激光超声检测装置的基本检测原理之后，对激光超声检测在实际应用中的相关要求和国内外现有检测装置的局限性进行分析，提出了一种新的设计方案：利用多轴运动控制器和双转头实现激光超声检测装置的5轴同时测量。 然后对激光超声检测装置的各零部件的材料和尺寸以及运动控制装置作具体设计，并利用Inventor进行装置的三维建模和重要零部件的刚度和强度分析，以确定所设计的零部件可以达到使用要求。之后选择装置的驱动装置并编写驱动部分的控制程序。 最后对西安金波检测仪器公司产品测得的相关数据进行分析，数图结合，简单直观的介绍了激光超声检测装置的测量方式和数据处理方法。 本文的设计研究为激光超声检测装置的应用发展提供了一种思路。 关键词：激光超声；多轴运动控制器；Inventor；编程控制 - I - Design of Laser Ultrasonic Testing Device Abstract Laser ultrasonic detection technology is a new non-destructive testing method, with non-contact, wide band, rich waveform, high resolution, great adaptability, etc., becoming one of the popular technologies in the field of nondestructive testing. This technology is suitable for the detection of metal materials and the on-line detection of mechanical properties of materials. The work of this paper is the laser ultrasonic detection device design research, the main contents are: Firstly, after understanding the basic detection principle of laser ultrasonic detection device, this paper analyzes the relevant requirements of laser ultrasonic detection in practical application and the limitations of existing detection devices, and then proposes a new design scheme: Achieve a 5-axis simultaneous measurement of the laser ultrasonic inspection device by the controller and the double head. Secondly, this article designs the specific of the device, including the selection of the material and size of each component of the laser ultrasonic inspection device and a motion control devicethe, then carries out the three-dimensional modeling of the device and analysis the stiffness and strength of important parts, to determine the design of the components can meet the requirements. After which the driving means of the apparatus is selected and a control program of the driving section is programming. Finally, this paper analyzes the data of the products measured by Xi'an Jinbo Detection Instrument Company, and introduces the measurement method and data processing method of laser ultrasonic detection device with data and graphics, simple and intuitive. The design of this paper provides a way for the development of laser ultrasonic detection device. Key Words： Laser Ultrasonic; Multi - axis motion controller; Inventor; Programming control - IV - 目 录 摘 要 I Abstract II 引 言 1 1 绪论 2 1.1 课题的研究背景与意义 2 1.2 国内外发展现状 4 1.3 论文的主要研究工作及安排 5 2 激光超声检测技术的基本原理及其应用要求分析 7 2.1 激光超声检测技术的基本原理 7 2.1.1 激光超声的激发 7 2.1.2 超声波的接收方法 8 2.1.3 激发产生的超声波的基本性质 10 2.2 激光超声检测装置的应用要求分析 11 3 激光超声检测装置的设计 16 3.1 检测装置设计方案 16 3.2 检测装置部件的设计选择 17 3.2.1 激光器运动控制部件设计 18 3.2.2 运动形式的分析选型 18 3.2.3 承重梁的设计 20 3.2.4 其他部分设计 21 3.3 Inventor建模及结构应力分析 22 3.4 驱动部分设计 24 3.4.1 伺服电机的选用 25 3.4.2 控制器编程控制 26 3.5 去噪方法 27 3.6 本章小结 27 4 激光超声检测实验数据的分析 28 4.1 激光超声检测实验系统 28 4.2 实验数据分析 29 结 论 33 参 考 文 献 35 致 谢 36 激光超声检测装置设计 引 言 随着工业技术的飞速发展以及科学技术的不断进步，各种各样的新型复合材料应运而生，人们对各种高精密产品和复合材料的检测评估的要求不断提高。材料检测方面常用的无损检测技术也随之不断地发展进步。新兴的激光超声检测技术更是以及其突出的优越性被广泛应用。 激光超声检测技术是将传统超声检测技术和激光检测技术结合起来的一种新的检测方法，原理是利用激光脉冲激发超声波并进行接收分析来达到检测目的，主要用于解决常规激光或超声检测难以解决的问题。激光超声技术具有得非接触、宽频带、波形多、能适应较差的环境能力等优点，相同条件下激光超声测量方法测得的数据更加精确、更加可靠，这一系列的优点使它在材料的无损检测方面被广泛的应用。 课题激光超声检测装置设计的主要工作是在了解激光超声检测技术的基本原理之后，分析国内外现有的激光超声检测装置的局限性，进行激光超声检测装置的设计。目前已有的激光超声检测装置主要适用于实验室中相关研究使用，测量装置的类型较少，大多装置采用三脚架支撑来固定激光器进行测量。这种测量形式导致在测量多面体或者需要对高度差较大的不同部位测量时不够灵活，效率较低。而且测量装置的滤波器、放大器、计算机分析系统等都是单独放置，占用空间较大，在转移地点测量时也比较麻烦。以上种种缺点使得激光超声检测装置在工业生产中的使用受到很大限制。针对激光超声检测技术应用的局限性，在现有的激光超声检测装置基础上，通过相关知识的学习，设计一种可以简单高效率的实现多面、具有较大高度差物体的测量，并且可以应用于工业生产中检测的激光超声检测装置。 激光超声检测技术的基本原理是对由激光发射器发射的激光以热弹效应产生的不同超声波进行接收分析，来判断材料缺陷部分的具体信息。针对检测装置的局限性通过各方面比较以下3种可以达到实际目的的方案： 1.激光器固定，通过移动被测量物体的放置方向和位置进行测量； 2.被测量物体固定，通过改变激光器的扫描形式进行测量； 3.激光器和被测量物体在不同时刻分别运动进行测量。 确定方案2为最理想设计方案。以三坐标机运动形式为原型设计，具体分析和仿真在下文中会具体给出。设计的装置适用于工业生产中大、中型材料、零件的测量，以及航空航天相关方面的检测。 1 绪论 1.1 课题的研究背景与意义 无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测等五大常规方式，是现代工业生产中必不可少的检测技术之一，在各个领域都有广泛的应用。其主要优点是可以在不改变被检测对象的状态和使用性能的前提下对其进行表面、内部缺陷检测，也可以对被测物的物理特性进行无损评价，是一种不可或缺的能保证生产质量和稳定的重要手段。在航空航天、精密测量等无损检测主要应用领域不断进步发展的情况下，对无损检测技术也提出了越来越高的要求。激光超声检测技术作为一种新兴的无损评价技术也受到越来越多的关注。 五大常规无损检测技术之一的超声检测技术是利用超声波进行检测和接收分析的技术。超声波在遇到不同介质时会发生反射、衍射以及波形转换，根据实际情况对接收到的波信号进行分析，即可得到所要探测的缺陷的位置、形状的信息。超声检测技术具有检测范围广、穿透性好、灵敏度高、成本低、设备简单等优点。超声波检测中的Lamb波检测可以检测整个构件的界面，能对水下或覆盖物下的试件进行检测。但是对所要测量的物件的表面要求较高，操作难度较大，并且波的组成比较复杂，因此需要具有一定经验和知识的人来进行操作和判断结果。传统的超声检测技术大多是利用压电式换能器发射超声信号并进行接收，但是压电探头通常会与被测样品有接触。虽然这样做会提高灵敏度，但是这样检测时会对样品产生影响，对外部检测条件要求也比较高，不能适应高温、高压等环境，无法进行在线检测，因此并不能被广泛普及使用。 激光作为20世纪最伟大的发明之一，具有方向性好、单色性好、亮度高等优点，激光检测技术也被广泛应用于各个领域，极大地推动了当代科学的发展进步。激光检测具有超远距离检测、可以在极其恶劣的环境下工作、测量精度高等特别显著的优点。随着科学技术的不断深入研究，人们发现激光可以在材料中激发产生超声波。这为传统的超声检测技术提供了一种新思路——通过激光在介质内部激发超声波进行检测。这也推动了激光超声学的诞生。 激光超声检测有别于利用压电晶体激发超声波进行检测，而是利用激光激发超声波，同时具备激光检测和超声检测的优点。涉及声、光、电、热等多种学科。近年来，激光超声检测逐渐成为一种重要的无损检测手段，并且还在不断地发展进步中。 在对多种无损检测技术了解对比分析后总结出激光超声检测技术比之传统检测技术有如下优越性： （1）宽频带：激光超声检测有着比传统无损检测更加宽的频带。随着激光器技术的发展，其脉冲