RU2572293C2 - Optoacoustic analyser of ecological state of environment - Google Patents
Optoacoustic analyser of ecological state of environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572293C2 RU2572293C2 RU2014119885/28A RU2014119885A RU2572293C2 RU 2572293 C2 RU2572293 C2 RU 2572293C2 RU 2014119885/28 A RU2014119885/28 A RU 2014119885/28A RU 2014119885 A RU2014119885 A RU 2014119885A RU 2572293 C2 RU2572293 C2 RU 2572293C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- axis
- optoacoustic
- laser
- environment
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов оптоакустическими (ультразвуковыми) методами для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и может быть использовано для анализа экологического состояния морской среды.The invention relates to the field of non-destructive testing of materials by optoacoustic (ultrasonic) methods for detecting structural heterogeneities in the objects under study and can be used to analyze the ecological state of the marine environment.
Известно устройство лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее источник импульсного оптического излучения, оптическое волокно, для передачи оптического импульса к поверхности исследуемого образца, акустического датчика, имеющего сферическую форму, фокус которого совпадает с положением конца световода, с помощью которого создается точечный акустический источник на поверхности образца (Патент США №5381695, МПК G01N 29/04 от 27.11.1987 г.).A device for laser-acoustic control of solid materials containing a source of pulsed optical radiation, an optical fiber for transmitting an optical pulse to the surface of a sample, an acoustic sensor having a spherical shape, the focus of which coincides with the position of the end of the fiber, with which a point acoustic source is created on the surface of the sample (US Patent No. 5381695, IPC G01N 29/04 of 11/27/1987).
Недостаток устройства заключается в том, что в образце звуковые волны генерируются сфокусированным оптическим пучком, акустический датчик имеет сферическую форму, фокус сферы совпадает с точкой генерации звука, а точка фокуса может не содержать исследуемые неоднородности, если концентрация их невелика, и результат будет недостоверным.The disadvantage of this device is that in the sample sound waves are generated by a focused optical beam, the acoustic sensor has a spherical shape, the focus of the sphere coincides with the point of sound generation, and the focal point may not contain the studied inhomogeneities if their concentration is low and the result will be unreliable.
Известно устройство лазерно-акустического контроля, которое содержит генератор ультразвуковых импульсов на основе импульсного лазера, пластину, которая излучает акустические импульсы и, в свою очередь, колеблется под действием акустических импульсов, отраженных от акустической неоднородности, создавая вибрации поверхности. Вибрации поверхности регистрируются другим зондирующим лазером, имеющим непрерывное излучение (Патент США US №5457997, МПК G01N 29/04 от 17.10.1995 г.). Недостатком устройства является малая чувствительность при обнаружении неоднородностей малого размера, а также неоднородностей, имеющих близкий акустический импеданс к импедансу окружающего частицу материала.A device for laser-acoustic control is known, which contains an ultrasonic pulse generator based on a pulsed laser, a plate that emits acoustic pulses and, in turn, oscillates under the influence of acoustic pulses reflected from acoustic inhomogeneity, creating surface vibrations. Surface vibrations are detected by another probing laser having continuous radiation (US Patent US No. 5457997, IPC G01N 29/04 of 10/17/1995). The disadvantage of this device is the low sensitivity when detecting inhomogeneities of small size, as well as heterogeneities having a close acoustic impedance to the impedance of the material surrounding the particle.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является оптоакустический анализатор экологического состояния среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и акустические датчики, регистрирующие акустические сигналы, а также расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей и расположенный над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а акустический датчик помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером (Патент РФ RU №2232983 С2, МПК G01N 29/02, от 02.10.2002 г.).The closest in technical essence and the achieved result to the invention is an optoacoustic analyzer of the environmental state of the environment, containing a pulse-modulated laser, the output window of which is directed towards the sample under study, and acoustic sensors that record acoustic signals, as well as an expanding lens and an acoustically transparent distributed optical an acoustic transducer emitting an acoustic signal from its both surfaces and located above the surface of the material rial, and the end of the optical fiber through the expanding lens is directed to the optical-acoustic transducer, and the acoustic sensor is placed either between the optical-acoustic transducer and the studied solid material, or from the side of the optical-acoustic transducer opposite to the studied solid material, and is made in the form of a lattice of local piezoelectric elements, each of which is connected through a preamplifier and an analog-to-digital converter to a computer (RF Patent RU No. 2232983 C2, IPC G01N 29/02, dated 02.10.2002 )..
Недостатком устройства является то, что неоднородности могут быть обнаружены только в том случае, если их акустический импеданс отличается от окружающего материала, следовательно, невозможно проводить измерение параметров морской среды, содержащей жидкие неоднородности в виде эмульсий.The disadvantage of this device is that inhomogeneities can be detected only if their acoustic impedance is different from the surrounding material, therefore, it is impossible to measure the parameters of the marine environment containing liquid inhomogeneities in the form of emulsions.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей, поскольку при поглощении света в этих материалах создаются акустические сигналы с разными спектральными и пространственными характеристиками, которые фиксируются акустическими датчиками.The technical result of the invention is the ability to detect inhomogeneous inclusions in liquids due to different thermophysical characteristics of their microinhomogeneities, because when light is absorbed in these materials, acoustic signals with different spectral and spatial characteristics are generated, which are detected by acoustic sensors.
Технический результат достигается за счет того, что оптоакустический анализатор экологического состояния морской среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики, снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезодатчика, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.The technical result is achieved due to the fact that the optoacoustic analyzer of the ecological state of the marine environment, containing a pulse-modulated laser, the output window of which is directed towards the sample under study, and acoustic piezoelectric transducers recording acoustic signals, is equipped with an optoacoustic cell consisting of input and output prisms, between which a cuvette is formed for the test sample, and two acoustic piezoelectric sensors are installed on the outer surface of the output prism, one of which is located n on the axis line drawn through the center of the irradiated region is perpendicular to the laser axis, and the second is at an angle of 50-80 degrees to this axis.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.The drawing shows a diagram of the proposed device.
Устройство содержит импульсно-модулированный лазер 1, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца 3, оптоакустическую ячейку, состоящую из входной 2 и выходной 4 призм, между которыми образована кювета для помещения в нее исследуемого образца 3, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики 5 и 6, установленные на внешней поверхности выходной призмы 4, при этом один из пьезодатчиков 5 расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера 1, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.The device contains a pulse-modulated laser 1, the output window of which is directed towards the sample under study 3, an optoacoustic cell consisting of an input 2 and output 4 prisms, between which a cuvette is formed to place the sample 3 into it, and acoustic piezoelectric sensors 5 and recording acoustic signals 6 mounted on the outer surface of the output prism 4, while one of the piezosensors 5 is located on the axis of the line drawn through the center of the irradiated region perpendicular to the axis of the laser 1, and the second is located at an angle of 50-80 degrees to this axis.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Луч импульсно-модулированного лазера 1 направляется на анализируемый образец жидкости 3, помещенный в оптоакустическую ячейку, состоящую из входной призмы 2, выходной призмы 4, акустического пьезодатчика 5 и акустического пьезодатчика 6. Проходя через образец 3, энергия лазерного луча частично поглощается в нем и создает акустические импульсы, которые регистрируются акустическими пьезодатчиками 5 и 6. Сигналы с акустических датчиков подаются на АЦП, а затем в компьютер (на чертеже не показаны). Перед началом измерений производится калибровка устройства. Для этого в оптоакустическую ячейку помещают образец чистой жидкости (без примесей) и измеряют амплитуды акустических импульсов, приходящих на оба пьезодатчика 5 и 6. После этого можно проводить измерения исследуемого образца. Для этого в ячейку 3 помещают образец жидкости с примесями и также измеряют амплитуды акустических импульсов. Величина амплитуды акустического сигнала в каждом направлении является суммой сигналов от двух источников звука, возникающих при поглощении лазерного излучения в образце. Один источник звука возникает вследствии теплового расширения жидкости, вызванного ее нагревом при прохождении лазерного излучения в образце. Время нагрева и теплового расширения образца определяется длительностью лазерного импульса τ=10-8 сек. При этом амплитуда и длительность акустических импульсов, регистрируемая акустическим датчиком, будет сильно зависеть от его положения относительно области излучения звука. Так, при диаметре лазерного луча 5-6 мм, для акустических импульсов, регистрируемых под углом 70-80 град, амплитуда уменьшится, а длительность акустических импульсов увеличится более чем в 100 раз. Другой источник звука возникает в результате быстрого нагрева частиц примеси лазерным излучением и затем относительно медленным нагревом окружающей частицу жидкости. Нагретая частицей жидкость излучает акустический импульс, длительность которого зависит от теплофизических свойств частицы и жидкости и размеров частицы. Для частиц размером больше 2-3 мкм характерная длительность акустического импульса больше 5 мкс. При диаметре лазерного луча 5-6 мм амплитуда и длительность акустических импульсов слабо зависит от угла, под которым расположен приемный датчик. Пусть А1 и А2 - амплитуды сигналов, создаваемых за счет теплового расширения жидкости, регистрируемые на оси и под углом соответственно в чистой жидкости. Они связаны линейным соотношением А1=κ·А2. В результате калибровки по результатам измерения амплитуд определяется коэффициент κ. Пусть B1 и В2 - амплитуды сигналов, создаваемых за счет присутствия частиц в жидкости на оси и под углом соответственно. Тогда, при измерении жидкости с примесями, с помощью датчиков будет измерена амплитуда A1+B1 - на оси и А2+В2 - под углом. Поскольку в направлении оси амплитуда A1 определяется высокочастотными компонентами сигнала, лежащими в области частот около 100 МГц, а амплитуда B1 определяется частотами до 100 кГц, измеренная амплитуда сигнала равна A1. Таким образом, в результате измерений получаем величины A1 и κ, по которым вычисляем А2, а затем и В2, по величине которой можно судить о наличии в жидкости неоднородностей и определить их объемное содержание. Величина В2 линейным образом связана с величиной объемной концентрацией N: В2=К·N. Коэффициент К может определяться с помощью калибровки по известному раствору или расчетным путем.The beam of a pulse-modulated laser 1 is directed to an analyzed sample of liquid 3 placed in an optoacoustic cell consisting of an input prism 2, an output prism 4, an acoustic piezoelectric transducer 5 and an acoustic piezoelectric transducer 6. Passing through the sample 3, the energy of the laser beam is partially absorbed in it and creates acoustic pulses, which are recorded by acoustic piezoelectric sensors 5 and 6. The signals from the acoustic sensors are fed to the ADC, and then to the computer (not shown in the drawing). Before starting the measurements, the device is calibrated. For this, a sample of pure liquid (without impurities) is placed in the optoacoustic cell and the amplitudes of the acoustic pulses arriving at both piezoelectric sensors 5 and 6 are measured. After that, the test sample can be measured. For this, a sample of liquid with impurities is placed in cell 3 and the amplitudes of acoustic pulses are also measured. The magnitude of the amplitude of the acoustic signal in each direction is the sum of the signals from two sound sources arising from the absorption of laser radiation in the sample. One sound source arises due to the thermal expansion of the liquid caused by its heating during the passage of laser radiation in the sample. The time of heating and thermal expansion of the sample is determined by the laser pulse duration τ = 10 -8 sec. In this case, the amplitude and duration of the acoustic pulses recorded by the acoustic sensor will strongly depend on its position relative to the region of sound emission. So, with a laser beam diameter of 5-6 mm, for acoustic pulses recorded at an angle of 70-80 degrees, the amplitude will decrease, and the duration of the acoustic pulses will increase by more than 100 times. Another sound source arises as a result of rapid heating of impurity particles by laser radiation and then relatively slow heating of the liquid surrounding the particle. A liquid heated by a particle emits an acoustic impulse, the duration of which depends on the thermophysical properties of the particle and liquid and the particle size. For particles larger than 2-3 μm, the characteristic duration of the acoustic pulse is more than 5 μs. With a laser beam diameter of 5-6 mm, the amplitude and duration of acoustic pulses weakly depends on the angle at which the receiving sensor is located. Let A 1 and A 2 be the amplitudes of the signals generated due to the thermal expansion of the fluid, recorded on the axis and at an angle, respectively, in a clean fluid. They are connected by the linear relation A 1 = κ · A 2 . As a result of calibration, the coefficient κ is determined from the results of measuring the amplitudes. Let B 1 and B 2 be the amplitudes of the signals generated due to the presence of particles in the liquid on the axis and at an angle, respectively. Then, when measuring liquid with impurities, with the help of sensors the amplitude A 1 + B 1 - on the axis and А 2 + В 2 - at an angle will be measured. Since, in the direction of the axis, the amplitude A 1 is determined by the high-frequency components of the signal lying in the frequency region of about 100 MHz, and the amplitude B 1 is determined by frequencies up to 100 kHz, the measured signal amplitude is A 1 . Thus, as a result of the measurements, we obtain the values of A 1 and κ, from which we calculate A 2 , and then B 2 , by the value of which we can judge the presence of inhomogeneities in the liquid and determine their volumetric content. The value of B 2 is linearly related to the volume concentration N: B 2 = K · N. The coefficient K can be determined by calibration using a known solution or by calculation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119885/28A RU2572293C2 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Optoacoustic analyser of ecological state of environment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119885/28A RU2572293C2 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Optoacoustic analyser of ecological state of environment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014119885A RU2014119885A (en) | 2015-11-27 |
| RU2572293C2 true RU2572293C2 (en) | 2016-01-10 |
Family
ID=54753297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014119885/28A RU2572293C2 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Optoacoustic analyser of ecological state of environment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2572293C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4276780A (en) * | 1979-11-29 | 1981-07-07 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Optoacoustic spectroscopy of thin layers |
| SU1126869A1 (en) * | 1982-06-23 | 1984-11-30 | Отдел Теплофизики Ан Узсср | Method of measuring physical properties of liquid and gaseous media |
| SU1753402A1 (en) * | 1990-01-03 | 1992-08-07 | А.К.Бровцын | Acoustic apparatus for researching liquids |
| WO1998003852A1 (en) * | 1996-07-20 | 1998-01-29 | Optel Instruments Limited | Measurement sensor and method |
| RU2162219C1 (en) * | 1999-12-17 | 2001-01-20 | Житов Александр Николаевич | Laser photoacoustic detector for liquid chromatography |
| RU2232983C2 (en) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Method and device for laser-acoustic test of solid materials |
-
2014
- 2014-05-19 RU RU2014119885/28A patent/RU2572293C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4276780A (en) * | 1979-11-29 | 1981-07-07 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Optoacoustic spectroscopy of thin layers |
| SU1126869A1 (en) * | 1982-06-23 | 1984-11-30 | Отдел Теплофизики Ан Узсср | Method of measuring physical properties of liquid and gaseous media |
| SU1753402A1 (en) * | 1990-01-03 | 1992-08-07 | А.К.Бровцын | Acoustic apparatus for researching liquids |
| WO1998003852A1 (en) * | 1996-07-20 | 1998-01-29 | Optel Instruments Limited | Measurement sensor and method |
| RU2162219C1 (en) * | 1999-12-17 | 2001-01-20 | Житов Александр Николаевич | Laser photoacoustic detector for liquid chromatography |
| RU2232983C2 (en) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Method and device for laser-acoustic test of solid materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014119885A (en) | 2015-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3173781B1 (en) | Airborne ultrasound testing system for a test object | |
| US10352911B2 (en) | Airborne ultrasound testing system for a test object | |
| KR101163549B1 (en) | Calibration block for phased-array ultrasonic inspection | |
| Zhang et al. | Effect of roughness on imaging and sizing rough crack-like defects using ultrasonic arrays | |
| WO2016090589A1 (en) | Nondestructive measurement method and device for residual stress of laser ultrasonic metal material | |
| JP2005504985A (en) | Method and apparatus for measuring electromagnetic wave absorption of substances | |
| CN108871640A (en) | Residual stress nondestructive detection system and method based on transient grating Laser thermo-elastic generated surface acoustic waves | |
| CN111426919A (en) | Basin-type insulator detection device based on laser-induced ultrasound | |
| CN110672047A (en) | Laser ultrasonic measurement method for thickness of high-temperature metal material | |
| KR20100124242A (en) | Calibration block (reference block) and calibration procedure for phased-array ultrasonic inspection | |
| Osumi et al. | Imaging slit in metal plate using aerial ultrasound source scanning and nonlinear harmonic method | |
| CN104142326A (en) | Attenuation coefficient detection method | |
| CN105050020A (en) | Free sound field device based on optical non-destructive monitoring technology | |
| Costley Jr et al. | Dispersion curve analysis of laser-generated Lamb waves | |
| US7395711B2 (en) | System and technique for characterizing fluids using ultrasonic diffraction grating spectroscopy | |
| KR20100124238A (en) | Calibration (Contrast) Specimen and Calibration Procedure for Phased Array Ultrasonic Testing | |
| Hosoya et al. | Lamb waves evaluation in CFRP plates with laser shock wave technique | |
| CN119023588A (en) | A system and method for measuring temperature-dependent elastic coefficients of materials by simultaneously using longitudinal and shear wave delays | |
| RU2596242C1 (en) | Method for ultrasonic inspection | |
| RU2572293C2 (en) | Optoacoustic analyser of ecological state of environment | |
| Quan et al. | Photoacoustic generation in liquids with low optical absorption | |
| Nakase et al. | Nondestructive evaluation of plane crack tip in a thin plate using laser-induced pulse wave and symmetric lamb wave | |
| KR101767422B1 (en) | Seperable Ultrasonic Transducer with Enhanced Space Resolution | |
| Ermolov | Progress in the theory of ultrasonic flaw detection. Problems and prospects | |
| RU2732470C2 (en) | Device for laser-acoustic control of solid and liquid media |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160520 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20191002 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20211115 |