专利名称：包括可移动的光束传输的激光超声测量系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及激光超声测量，而更特别地涉及包括可移动的光束传输的激光 超声测量系统。
背景技术：
激光超声测量系统常常用于零件和部件的结构分析。该系统优于非激光类型的系 统(例如基于压电换能器的系统)。激光超声系统是典型的通过测量在结构中诱发的超声 波来测试结构的非接触系统。典型地，第一激光束(也称为激励光束)被引导至结构，造成 结构的热膨胀，这产生超声波。第二激光束(也称为探测光束)用于照射该结构。来自该 结构的反射光被处理，用于分析该结构。激光超声系统很好地适用于许多工业应用，例如测量处于高温的钢铁、测量涂层 厚度和非破坏性的复杂结构测试。现有激光超声测量系统的一个缺点是难以将激励光束和探测光束传输至可能不 易接近的结构或零件。因为现有系统是不易可移动的，传输激励光束和探测光束至不易接 近的结构可能是挑战性的。特别地，激励光束可能难以传输至这样的结构，因为它的波长可 能不能经光学纤维电缆的传输。并且，激励光束较大的峰值能量或较大的平均能量增加了 传输至结构的难度。
发明内容
在一个实施例中，激光超声测量系统包括第一激光源和第二激光源，其分别构造 成产生第一激光束和第二激光束。可移动的机械连接设置成传导第一激光束。该机械连接 由多个通过旋转关节相互连接的刚性部段形成。在一个实施形式中，至少两个反射镜设置 在关节中，以在相邻的刚性部段之间传递第一激光束。自动装置(Robot)构造成支撑和控制机械连接的至少一个部段的运动。该自动装 置使机械连接能够传导第一激光束至对象。光学扫描器定位成紧邻机械连接。该光学扫描 器引导第一激光束和第二激光束至对象上。该光学扫描器安装在旋转的轴线上。干涉仪光 学地联结至光学扫描器。该干涉仪构造成接收来自对象的反射光并作为响应产生电信号。
在一个实施例中，第二激光束通过光学连接被紧邻光学扫描器传导。第一激光源 运动地通过多个支撑件安装在壳体组件中，以将激光源隔离于应力。 自动装置构造成为机械连接提供位移，用于紧邻机械连接的光学扫描器的平移和 旋转运动。该自动装置包括自动臂，其构造成支撑和控制机械连接的运动，用于紧邻机械连 接的光学扫描器的平移和旋转运动。
为了更完整的理解本发明的特征、实施例和可能的优点，现在参考本发明的详细 描述以及附图，其中图1依照实施例显示了激光超声测量系统；图2显示了通过旋转关节联结的两个连接件部段；图3显示了联结至可移动的机械连接的激光源的一个示范性的实施形式；图4显示了面约束、线约束和点约束；图5显示了安装在轨道上的图1中的系统；图6显示了进行结构检查的图1中的系统；而图7显示了依照一个实施形式的激光头组件。
具体实施例方式图1显示了依照一个实施例的激光超声测量系统100。该系统100包括产生激光 束(在图1中未示出)的激光源104。尽管系统100图示成仅具有单一激光源，应意识到该 系统100可以实施成包括两个或更多激光源，每个激光源构造成产生激光束。该系统100 包括可移动的机械连接108，其联结至激光源104。该可移动的机械连接108构造成传导来 自激光源104的激光束至所希望的位置或对象。该激光束例如可以被引导至被分析的零件 或部件。该机械连接108可以构造成传导多个激光束，每个激光束起源于独立的激光源。系统100包括自动装置110，其构造成支撑和控制机械连接108的至少一个部段的 运动。在一个实施形式中，自动装置Iio可以包括自动臂116，以支撑和导引机械连接108。 对本领域技术人员很明显，系统100可以实施成没有该自动臂的自动装置。自动臂116通过导引机械连接108紧邻被测试的零件或部件而为系统100提供了 移动性。在一个实施形式中，该机械连接108由多个通过关节112相互连接的连接件部段 114形成。关节112可以是例如旋转式关节，其使连接件部段114能够绕关节112旋转。旋 转关节112为连接件部段114提供了很大范围的运动角自由度。在一个实施形式中，自动 臂116构造成为机械连接108提供位移，用于平移运动。机械连接108的运动范围可以由 自动臂116通过适当的运动扩展，这对本领域技术人员而言显而易见。在一个实施形式中， 该自动臂116包括多个相互连接的臂部段120，协作控制机械连接108的运动。图2显示了通过旋转关节112联结的两个连接件部段114A和114B。一对镜子 204A和204B设置在旋转关节112中，以在该对连接件部段114A和114B之间传递激光束 208。镜子204A和204B设置成使激光束208能够与连接件部段114A和114B的角度方位 无关地传递。在一个实施形式中，连接件部段114A和114B是能够传导激光束的刚性管件。在一个实施例中，激光头组件124联结至机械连接108。该激光头组件124构造成接收激光束并引导激光束至被测试的对象。光学扫描器(在图1中未示出)安装在头组件 124中。该光学扫描器可以是安装在紧邻激光束的旋转轴线上的扫描器。 在一个实施例中，激光超声测量系统包括第一激光源和第二激光源(在图1中未 示出)，其分别构造成产生第一激光束和第二激光束。第一激光源联结至可移动的机械连接 108，其引导第一激光束至被测试的对象。第二激光源联结至引导第二激光束至对象的光学 连接。在一个实施形式中，该光学连接为通过自动装置110支撑的光学纤维。备选地，第二 激光源可以安装在头组件124中，或在自动装置110的任何部分上安装成使第二激光束能 够被引导至对象。第一激光束在对象中引起超声波，而第二激光束照射该对象。应意识到部分第二 激光束被对象反射。该反射光束被对象中的超声波移相。反射光束由干涉仪(在图1中未示出)接收，该干涉仪联结至光学扫描器。干涉 仪响应反射光束产生超声信号。更准确地说，干涉仪响应反射光束中的移相而产生超声信号。在一个实施形式中，激光源包括共振器，其构造成产生激光束。图3显示了联结至 可移动的机械连接108的激光源300的示范性的实施形式。该激光源300包括共振器308， 其构造成从激光材料产生激光束。在一个实施形式中，该共振器308例如可以包括容纳有 气态物质的气体容器304，其构造成产生激光束。机械连接108的一个端部附于激光共振 器308，并对准成激光束能够穿过机械连接108的全长传播。一旦对准，机械连接108的该 端部就被锁定在激光共振器308上。激光束传播的方向由共振器308的位置限定。共振器 308的构造对本领域技术人员而言显而易见。气体容器304安装在组件或框架中(在图3中未示出)。特别地，共振器308通过 多个支撑件运动地安装在气体容器304上。在一个实施形式中，共振器308经支撑件316、 320和324运动地安装，以隔离应力和变形。例如，支撑件316可以提供面约束，支撑件320 可以提供线约束，而支撑件324可以提供点约束，如图4所示。支撑件的构造对本领域技术 人员而言显而易见。平面约束、线约束和点约束隔离共振器308于应力和变形，从而使激光 束能够以相对于共振器308固定的方位离开共振器308。因为机械连接相对于共振器308 被对准和锁定入位，任何由于气体容器应力或变形而产生的共振器的运动将维持激光束对 准进入机械连接。在一个实施形式中，激光超声测量系统包括第一激光源和第二激光源，其中第一 激光源为气体激光器(例如C02激光器)，而第二激光源为固态激光器或纤维式激光器。第 二激光源可以是由固态部件和纤维部件构成的混合激光器。在一个实施形式中，第二激光 源稳定的低能量单频激光，通过一个或多个放大级放大。该单频激光器和放大级可以基于 纤维激光技术、固态激光技术、闪光灯技术或这些技术的组合。第一激光器(例如C02激光 器)产生第一激光束，用于在被分析的对象中引起超声波，而第二激光器产生照射对象的 第二激光束。在一个实施形式中，只有第一激光源是运动地安装的，如图3所示。图5显示了一种实施形式，根据该实施形式，系统100安装在轨道504上，以提供 增加的移动性。通过将系统100安装在轨道504上，总检查范围显著增加。图6显示了安 装在轨道504上的系统100，进行结构608的检查。图7显示了依照一个实施形式的激光头组件124。该激光头组件124在附件760处附于自动装置臂116 (在图7中未示出)。机械连接108 (在图7中未示出)的一个端部 在附件764处附于激光头124，传导第一激光束208至激光头124。第二激光源(在图7中 未示出)通过光学纤维724光学地联结至激光头124，传导第二激光束728至激光头124， 第一激光束208和第二激光束728使用透镜(optics)和镜子730、732、734、736、738和740 光学地联结至光学扫描器704。光学扫描器704安装在旋转轴线708上，其中旋转轴线与由 激光束208和728限定的光学轴线同心。光学扫描器704辅助引导激光束208和728 至被 测试的对象。在一个实施例中，光学扫描器包括两个镜子712和714，各在检流计 (galvanometer)(在图7中未示出)上安装成引导激光束208和728至对象上。来自被对 象反射的第二激光束728的光744通过透镜746和镜子734被光学地从光学扫描器704传 导至光学纤维750。镜子738做的足够�。狗瓷涔�744能够到达光学纤维750。光学纤维 750传导反射光744至干涉仪(在图7中未示出)。该干涉仪因此通过镜子734、透镜746 和纤维750被光学地联结至光学扫描器。还应意识到在图中示出的一个或多个元件也能够以更分散或更整体的方式实施， 或甚至在一定的情况下移除其或使其不工作一当依照特别的应用其是有帮助的。当用在这里的描述以及贯穿整个权利要求中时，除非上下文明确指明，否则“一”、 “一个”和“这”、“这个”包括复数含义。同样，当用在这里的描述中以及当贯穿整个权利要 求中使用时，除非上下文明确指明，否则“在...中”的意思包括“在...中”和“在...上”。前面对图示的本发明的实施例的描述一包括摘要中的描述一不意图穷尽本发明 或将本发明限制在这里所公开的精确形式。而这里描述本发明特定的实施例和例子仅用于 描述目的，在本发明的要旨和范围内可以有各种等同的修改，如相关领域技术人员能够认 识到和意识到的那样。如同所指出的，可以根据对图示的本发明的实施例的描述作出这些 修改，而其包括在本发明的要旨和范围内。因此，当这里参考其特别的实施例描述本发明时，在前述公开中意图包括一定范 围的修改、各种改变和替代，并且应意识到在某些情况下，本发明的实施例的某些特征会被 使用，而不相应地使用其它特征，这也不脱离之前设立的本发明的要旨和范围。因此，可以 进行许多修改，以使特别的情况或材料适应本发明的核心要旨和范围。这里的意图是，本发 明不限于在权利要求中所使用的特定的术语和/或所公开的作为预期的用于实施本发明 的最佳模式的特别的实施例，但本发明包括任何及所有落入所附的权利要求范围中的实施 例和等同例。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求决定。
权利要求
1.一种激光超声测量系统，其包括第一激光源和第二激光源，其分别构造成产生第一激光束和第二激光束； 可移动的机械连接，其设置成传导所述第一激光束，所述机械连接由通过旋转关节相 互连接的多个刚性部段形成；自动装置，其构造成支撑和控制所述机械连接的至少一个部段的运动，以传导所述第 一激光束至对象；紧邻机械连接的光学扫描器，所述光学扫描器构造成引导所述第一激光束和第二激光 束至对象上；以及干涉仪，其光学地联结至所述光学扫描器；所述干涉仪构造成接收来自所述对象的反 射光并作为响应产生电信号。
2.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第二激光束通过光学 连接紧邻所述光学扫描器被传导。
3.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第二激光源被紧邻光 学扫描器放置。
4.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述光学扫描器安装在旋 转轴线上。
5.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第一激光源通过多个 支撑件运动地安装在壳体组件中，以将所述激光源与应力隔离。
6.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第一激光源为气体激光器。
7.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第一激光源为CO2激光器。
8.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第一激光源为固态激光器。
9.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第二激光源为固态激 光器或纤维激光器。
10.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述第二激光源为混合激光器。
11.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述自动装置构造成为所 述机械连接提供位移，用于紧邻机械连接的所述光学扫描器的平移和旋转运动。
12.根据权利要求1所述的激光超声测量系统1，其特征在于，所述自动装置包括自动 臂，所述自动臂构造成支撑和控制所述机械连接的运动，用于紧邻机械连接的所述光学扫 描器的平移和旋转运动。
13.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述自动装置安装在轨道 上，用于增加移动性。
14.根据权利要求1所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述激光超声测量系统还 包括至少两个反射镜，所述反射镜设置在所述关节中，以在相邻的刚性部段之间传递所述 激光束。
15.一种激光超声测量系统，其包括第一激光源和第二激光源，其分别构造成产生第一激光束和第二激光束； 可移动的机械连接，其设置成传导至少一个所述激光束，所述机械连接由通过旋转关 节相互连接的多个刚性部段形成；自动装置，其构造成支撑和控制所述机械连接的至少一个部段的运动，以传导至少一 个所述激光束至对象；紧邻机械连接的光学扫描器，所述光学扫描器构造成引导所述第一激光束和第二激光 束至所述对象上；以及 g干涉仪，其光学地联结至所述光学扫描器；所述干涉仪构造成接收来自所述对象的反 射光并作为响应产生电信号。
16.根据权利要求15所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述光学扫描器安装在 旋转轴线上。
17.根据权利要求15所述的激光超声测量系统，其特征在于，至少一个所述 激光源通 过多个支撑件运动地安装在壳体组件中，其中所述支撑件将所述激光源与应力隔离。
18.根据权利要求15所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述自动装置构造成为 所述机械连接提供位移，用于紧邻机械连接的所述光学扫描器的平移和旋转运动。
19.根据权利要求18所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述自动装置包括自动 臂，所述自动臂设置成支撑和控制所述机械连接的运动，用于紧邻机械连接的所述光学扫 描器的平移和旋转运动。
20.根据权利要求15所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述自动装置安装在轨 道上，用于增加移动性。
21.根据权利要求15所述的激光超声测量系统，其特征在于，所述激光超声测量系统 还包括至少两个反射镜，所述反射镜设置在所述关节中，以在相邻的刚性部段之间传递所 述激光束。
22.一种激光超声测量系统，其包括第一激光源和第二激光源，其分别构造成产生第一激光束和第二激光束，所述第一激 光源为CQe激光器，其通过多个支撑件运动地安装在壳体组件中；可移动的机械连接，其联结至所述壳体组件并设置成传导所述第一激光束，所述机械 连接由多个通过旋转关节相互连接的刚性部段形成；自动装置，其具有自动臂，构造成支撑和控制所述机械连接的至少一个部段的运动，以 传导至少一个所述激光束至对象；紧邻机械连接的光学扫描器，所述光学扫描器构造成引导所述第一激光束和第二激光 束至对象上；以及干涉仪，其光学地联结至所述光学扫描器；所述干涉仪构造成接收来自所述对象的反 射光并作为响应产生电信号。
全文摘要
本发明涉及一种激光超声测量系统，其包括第一激光源和第二激光源，该第一激光源和第二激光源分别构造成产生第一激光束和第二激光束。可移动的机械连接设置成传导第一激光束。该可移动的机械连接由多个通过旋转关节相互连接的刚性部段形成。自动装置构造成支撑并控制机械连接的至少一个部段的运动，以传导第一激光束至对象。光学扫描器定位成紧邻该机械连接。该光学扫描器构造成引导第一激光束和第二激光束至对象上。干涉仪光学地联结至光学扫描器。该干涉仪构造成接收来自对象的反射光并作为响应产生电信号。第一激光源运动地安装在壳体组件中。
文档编号G01B11/00GK102037310SQ200980119035
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月20日
发明者M·克莱因, M·迪布瓦, T·E·德雷克 申请人:埃福顿技术有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
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