專利名稱：探傷系統(tǒng)及探傷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損探傷領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用超聲波技術(shù)的探傷系統(tǒng)及探傷方法。
背景技術(shù)：
目前，在工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用過程中，對工件進行無損探傷以獲知工件內(nèi)部的缺陷已 成為一種常規(guī)化的檢測手段。其中，超聲波探傷技術(shù)是業(yè)界采用較為廣泛的一種無損探傷 技術(shù)?，F(xiàn)有的超聲波探傷技術(shù)，其簡單來說是通過超聲波探頭向工件的探傷面發(fā)生超聲 波，并根據(jù)所述超聲波經(jīng)由工件缺陷的反射回波或衍射波來確定工件內(nèi)部的缺陷。而依據(jù) 超聲波探頭相對于探傷面的位置及探頭控制方法的不同，現(xiàn)有的超聲波探傷技術(shù)可分為多 種。例如，包括有利用垂直探頭對探傷面垂直收發(fā)超聲波的垂直探傷法、對探傷面傾斜入射 超聲波并接收回波的斜角探傷法、由配置成對的1對斜角超聲波探頭中的1個探頭入射縱 波、并由另1個探頭接收出射衍射波的飛行時間(TOFD，Time Of Flight Diffraction)衍 射法等等。上述舉例的超聲波探傷方法各有利弊，通常還需要基于檢測環(huán)境來選擇適當?shù)奶?傷方法。例如，基于被探測工件的材料、形狀的不同來進行探傷方法的選擇。因此，上述舉 例的超聲波探傷方法都有各自的局限范圍。并且，由于上述舉例的超聲波探傷方法都需要將發(fā)射超聲波的探頭置于工件探傷 面進行接觸式探傷，因而對于一些表面凹凸不平或形狀復(fù)雜的工件，這些超聲波探傷方法 的探傷結(jié)果就很容易受到探頭與探傷面接觸條件的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有超聲波探傷方法的探傷結(jié)果易受到探頭與探傷面接觸 條件的影響的問題。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種探傷系統(tǒng)，包括激光器，產(chǎn)生脈沖激光；光路調(diào)節(jié)裝置，對激光器產(chǎn)生的脈沖激光進行光路調(diào)節(jié)后使所述激光投射到工件 探傷面，對所述探傷面進行激光掃描；信號接收裝置，捕獲被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；成像裝置，基于信號接收裝置接收的熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種探傷方法，包括應(yīng)用脈沖激光掃描被探傷工件表面；接收被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；基于所述熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述探傷系統(tǒng)及探傷方法具有以下優(yōu)點以所述激光掃描代替 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射超聲波的方式作為探傷信號源，由于激光掃描無須如現(xiàn)有技術(shù)般將探頭與被
3探傷工件表面接觸，探傷結(jié)果也不會受到所述探頭與探傷面接觸條件的影響，因而較為精 確。同時，非接觸的掃描方式也使得探傷效率大大提高。另外，對于現(xiàn)有技術(shù)難于探傷的復(fù) 雜形狀工件也可無損檢測。并且，基于所述熱激勵超聲波信號生成的動態(tài)波形影像，也能提供更為直觀且實 時的探傷結(jié)果，相應(yīng)地，不同技術(shù)人員基于該實時波形影像進行分析獲得的探傷結(jié)果差異 較小，因此，探傷結(jié)果受探傷技術(shù)人員水平的影響較小。


圖1是本發(fā)明探傷系統(tǒng)的一種實施方式示意圖；圖2是本發(fā)明探傷系統(tǒng)的一種實施例示意圖；圖3是圖2所示探傷系統(tǒng)中電動掃描鏡的一種可選實現(xiàn)方式示意圖；圖4是圖2所示探傷系統(tǒng)激光投射于工件探傷面的投影示意圖；圖5是圖2所示探傷系統(tǒng)獲取激光投射于工件上的空間投影坐標示意圖；圖6是2探頭構(gòu)成的超聲波接收探頭進行缺陷3D定位的示意圖；圖7是本發(fā)明探傷方法的一種實施方式示意圖。
具體實施例方式參照圖1所示，本發(fā)明探傷系統(tǒng)的一種實施方式包括激光器10，產(chǎn)生脈沖激光；光路調(diào)節(jié)裝置20，對激光器10產(chǎn)生的激光進行光路調(diào)節(jié)后使所述激光投射到工 件探傷面，對所述探傷面進行激光掃描；信號接收裝置30，捕獲被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；成像裝置40，基于信號接收裝置30接收的熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影 像。上述探傷系統(tǒng)的實施方式中，激光器10產(chǎn)生的脈沖激光作為探傷信號源，所述脈 沖激光經(jīng)由所述光路調(diào)節(jié)裝置20的光路調(diào)節(jié)，可以改變在探傷面上的投射位置，從而實現(xiàn) 對探傷面的激光掃描。經(jīng)由實驗證實，所述脈沖激光投射位置處會產(chǎn)生瞬間劇烈的熱膨脹， 從而產(chǎn)生熱激勵超聲波。并且，所述熱激勵超聲波會沿所述探傷面向被探傷工件內(nèi)部傳播。 當所述熱激勵超聲波經(jīng)過工件內(nèi)部的缺陷時，其波形就會發(fā)生異常變化。因此，通過信號接 收裝置30捕獲所述熱激勵超聲波信號，并通過成像裝置40生成動態(tài)波形影像，就可對于被 探傷工件的內(nèi)部情況有一個直觀且實時的了解。以下通過一些具體實例對所述探傷系統(tǒng)的各組成部件及工作過程作進一步說明。參照圖2所示，本發(fā)明探傷系統(tǒng)的一種實施例包括激光器11，產(chǎn)生脈沖激光；電動掃描鏡21，根據(jù)掃描控制信號對脈沖激光發(fā)生器11產(chǎn)生的脈沖激光進行反 射角度調(diào)節(jié)后使所述脈沖激光投射到工件100探傷面，對所述探傷面進行激光掃描；超聲波接收探頭31，捕獲工件100由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；放大器41，對所述熱激勵超聲波信號進行增幅處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換器42，對所述增幅后的熱激勵超聲波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；
中控電腦43，向所述電動掃描鏡21發(fā)送掃描控制信號控制光路調(diào)節(jié)過程，控制激 光器11的開關(guān)，并在開啟激光器11時向模數(shù)轉(zhuǎn)換器42發(fā)送同步信號，以及接收模數(shù)轉(zhuǎn)換 器42輸出的數(shù)字化熱激勵超聲波信號，以此生成動態(tài)波形影像并顯示。結(jié)合圖2和圖3所示，所述電動掃描鏡21的一種可選實現(xiàn)方式包括經(jīng)由電機控 制的2軸掃描鏡，其包括第一鏡面22和第二鏡面23，所述電機由所述中控電腦43發(fā)送的掃 描控制信號控制。當所述脈沖激光發(fā)生器11發(fā)射脈沖激光110后，所述脈沖激光110首先 到達所述電動掃描鏡21的第一鏡面22，所述脈沖激光110經(jīng)由第一鏡面22的反射后到達 第二鏡面23，并再經(jīng)由第二鏡面23的反射后投射到前述的工件100的探傷面。由所述第一鏡面22、第二鏡面23構(gòu)成的電動掃描鏡21的工作過程可以看到，通 過電機分別控制所述兩塊鏡面的角度可以調(diào)節(jié)所述脈沖激光110投射到工件100的探傷面 的投射點200的位置。例如，繼續(xù)參照圖3所示，控制第一鏡面22的法線Nx相對于水平軸 的角度a可以控制所述脈沖激光110在所述探傷面上的水平位置，而控制第二鏡面23的 法線Ny相對于豎直軸的角度0可以控制所述脈沖激光110在所述探傷面上的豎直位置， 從而經(jīng)由所述脈沖激光110在所述探傷面上的水平位置和豎直位置的確定，所述脈沖激光 110在所述探傷面上的投射點200的位置。此處僅為舉例，并非用以限定，所述激光掃描的可以為光柵式掃描。具體地說，設(shè) 定電動掃描鏡21中兩塊鏡面各自的初始角度，然后由中控電腦43向電動掃描鏡21中的電 機發(fā)送掃描控制信號，控制第一鏡面22不動，而第二鏡面23從下向上轉(zhuǎn)動。并且，每當?shù)?二鏡面23轉(zhuǎn)動一個角度(包括初始角度)后，使得第二鏡面23靜止一定時間。此時，中控 電腦43開啟激光器11產(chǎn)生一個脈沖激光110投射到所述探傷面上。隨后，中控電腦43再 次使得第二鏡面23轉(zhuǎn)動一個角度，并再次開啟激光器11產(chǎn)生一個脈沖激光110投射到所 述探傷面上。從而依此過程，使得所述脈沖激光110在所述探傷面的某一水平位置從下向 上依次進行激光投射。當完成探傷面上的一列激光投射后，中控電腦43向電動掃描鏡21中的電機發(fā)送 掃描控制信號，控制第二鏡面23回復(fù)到其初始角度，并且控制第一鏡面22相對于其初始角 度偏轉(zhuǎn)一定角度，以使得此后脈沖激光110在所述探傷面上的起始投射位置相對于第一次 掃描的起始投射位置發(fā)生水平位移，所述位移沿圖2中箭頭201方向。此后，中控電腦43向電動掃描鏡21中的電機發(fā)送掃描控制信號，控制第一鏡面22 不動，而第二鏡面23從下向上依次轉(zhuǎn)動一個角度。和之前相同地，對應(yīng)每一個轉(zhuǎn)動角度(包 括初始角度)，中控電腦43開啟激光器11產(chǎn)生一個脈沖激光110投射到所述探傷面上。從 而，使得所述脈沖激光110在所述探傷面上再次從下向上依次進行激光投射。如此周而復(fù) 始，最終實現(xiàn)在所述探傷面上的光柵式掃描。而在上述激光掃描期間，通過超聲波接收探頭31，就可捕獲工件100由所述激光 掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號。根據(jù)超聲波接收探頭31接收所述熱激勵超聲波信號的方 式不同可以有多種可選的實現(xiàn)方式。在一種可選方式中，所述超聲波接收探頭31為單個探頭，其可以貼附于所述探傷 面上或工件100的側(cè)面或背面。所述單個探頭可以垂直探測所述熱激勵超聲波信號或以一 定斜角探測所述熱激勵超聲波信號。在另一種可選方式中，所述超聲波接收探頭31為多個探頭(2個或2個以上)構(gòu)成的探頭組。所述多個探頭分別貼附于工件100的不同位置上，以對工件，特別是對厚度較 大的工件，進行內(nèi)部缺陷的3D定位。不僅可以獲得工件內(nèi)部缺陷在探傷面上的位置，還可 以獲得該內(nèi)部缺陷在工件內(nèi)部的深度。因此，通過多個探頭的探測有助于進行更精確的缺 陷定位。所述超聲波接收探頭31在捕獲所述熱激勵超聲波信號后會將該熱激勵超聲波信 號發(fā)送至放大器41。所述放大器41用于將所述熱激勵超聲波信號進行增幅，以便于后續(xù)形成的波形 影像能夠更清晰地反映工件100的內(nèi)部情況。更進一步，為獲得更準確的波形影像，在所述 放大器41中還可集成濾波裝置，以去除干擾波并選擇感興趣的信號波。例如，通過選擇濾 波裝置的低通、高通、帶通工作模式以及濾波器的截止頻率或中心頻率，就可以得到特定頻 率成分的信號波。所述放大器41在對所述熱激勵超聲波信號增幅后，會將其發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器42 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器42由中控電腦43控制，在中控電腦43開啟激光器11產(chǎn)生一個 脈沖激光110時，同時向所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器42發(fā)送同步信號，從而使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器42的模數(shù) 轉(zhuǎn)換處理與激光器11的開啟時刻完全同步。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器42完成模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，將 數(shù)字化的熱激勵超聲波信號以波形列數(shù)據(jù)的方式發(fā)送至中控電腦43。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器42 的模數(shù)轉(zhuǎn)換處理與激光器11的開啟時刻完全同步，因而所述數(shù)字化的熱激勵超聲波信號 也包含了激光發(fā)射時刻的信息。所述中控電腦43中的波形影像生成裝置就會基于所獲得的數(shù)字化的熱激勵超聲 波信號產(chǎn)生動態(tài)波形影像。具體地說，就是將所述數(shù)字化的熱激勵超聲波信號的數(shù)據(jù)列按 照激光對工件探傷面掃描時的空間投影坐標進行排列。并對激光發(fā)射的各個時刻的振幅值 進行輝度調(diào)制，就可得到各個時刻的輝度圖像。然后，對所述輝度圖像按時間序列連續(xù)顯 示，就可構(gòu)成動態(tài)的波形影像。參照圖4所示，以激光在工件探傷面的掃描區(qū)域的中心點120為基準點，設(shè)置基準 點在xy坐標系中的坐標為基準坐標，以第二鏡面23與所述中心點120的距離為基準舉例， 在已知激光投射點相對于基準點的角度時，通過計算來獲得所述激光投射點相對于中心點 的相對空間投影坐標。結(jié)合圖4和圖5所示，假定中心點120的基準坐標為(xO，yO)，第二鏡面23與所 述中心點120的距離為D，則所述掃描區(qū)域110中的其他激光投射點的相對空間投影坐標 可基于中心點的基準坐標來獲取。例如，某一激光投射點沿y方向的坐標點yl與第二鏡 面23的連線與中心點沿y方向的坐標點yO與第二鏡面23的連線的夾角為0 y。則，yl = yO+DXtan(0 y)。同樣地，該激光投射點沿x方向的坐標點xl與第二鏡面23的連線與中 心點沿x方向的坐標點xO與第二鏡面23的連線的夾角為0 x。則，xl = x0+DXtan(6 x)。 至此，該激光投射點相對于中心點的相對空間投影坐標確定。以下以2探頭構(gòu)成的超聲波接收探頭為例，對定位工件內(nèi)部缺陷的缺陷深度的過
程進一步說明。參照圖6所示，在激光投射到工件探傷面上的某一點G時，工件由所述激光投射產(chǎn) 生熱激勵超聲波信號，當所述熱激勵超聲波信號傳播經(jīng)過缺陷點F時，所述熱激勵超聲波信號會產(chǎn)生相應(yīng)變化。而該變化會被接收探頭S1、S2所捕獲。則在經(jīng)由圖4、5的舉例獲得 激光投射點的空間投影坐標后，即可通過所述探頭SI、S2與激光投射點的位置關(guān)系，以及 探頭SI、S2獲得經(jīng)由缺陷點F傳播的熱激勵超聲波信號的時間來確定缺陷深度。具體地說，假定探頭S1至缺陷點F的距離為D1，探頭S2至缺陷點F的距離為D2， 探頭S1獲得經(jīng)由缺陷點F傳播的熱激勵超聲波信號的時間為，探頭S2獲得經(jīng)由缺陷點 F傳播的熱激勵超聲波信號的時間為T2，超聲波傳播速度為v，探頭S1至激光投射點G的距 離為L1，探頭S2至激光投射點G的距離為L2，缺陷深度為h，則有Dl = vXT1;D2 = vXT2 ；h2 = D12_L12 = D22_L22 = (vXT1)2_L12 = (vXT2)2_L22 (1)基于上述說明，I\、T2、L1、L2均可測，則利用式(1)可解得v2 = (L12_L22) + (T^-T/)(2)將式⑵代入式(1)可得缺陷深度 由此，就可獲得工件內(nèi)部缺陷的缺陷深度。上述定位工件內(nèi)部缺陷是以2探頭舉例，但并非對此作出限定。當探頭數(shù)量增加 至2個以上時，仍可參照上述方法進行缺陷定位，此處就不再贅述了。對應(yīng)上述探傷系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種探傷方法。參照圖7所示，根據(jù)其一種實施 方式，所述探傷方法包括步驟sl，應(yīng)用激光掃描被探傷工件表面；步驟s2，接收被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；步驟S3，基于所述熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。對于探傷的詳細過程，可參考上述探傷系統(tǒng)相關(guān)的舉例說明，此處就不再贅述了。基于以上的舉例說明可以看到，本發(fā)明探傷系統(tǒng)及探傷方法以所述激光掃描代替 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射超聲波的方式作為探傷信號源，由于激光掃描無須如現(xiàn)有技術(shù)般將探頭與被 探傷工件表面接觸，探傷結(jié)果也不會受到所述探頭與探傷面接觸條件的影響，因而較為精 確。并且，基于所述熱激勵超聲波信號生成的動態(tài)波形影像，也能提供更為直觀且實 時的探傷結(jié)果。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù) 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所做的各種更動與修改，均包含在本發(fā)明的保護范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種探傷系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器，產(chǎn)生脈沖激光；光路調(diào)節(jié)裝置，對激光器產(chǎn)生的脈沖激光進行光路調(diào)節(jié)后使所述激光投射到工件探傷面，對所述探傷面進行激光掃描；信號接收裝置，捕獲被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；成像裝置，基于信號接收裝置接收的熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。
2.如權(quán)利要求1所述的探傷系統(tǒng)，其特征在于，所述光路調(diào)節(jié)裝置為2軸掃描鏡，所述 2軸掃描鏡包括第一鏡面和第二鏡面，所述第一鏡面經(jīng)由其法線相對于水平軸的角度確定 所述激光在工件探傷面上的水平投射位置，所述第二鏡面經(jīng)由其法線相對于豎直軸的角度 確定所述激光在工件探傷面上的豎直投射位置。
3.如權(quán)利要求1所述的探傷系統(tǒng)，其特征在于，所述信號接收裝置為單個或多個超聲 波接收探頭，其置于工件探傷面上或工件的側(cè)面或工件的背面。
4.如權(quán)利要求1所述的探傷系統(tǒng)，其特征在于，所述成像裝置包括 放大器，對所述熱激勵超聲波信號進行增幅處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對增幅處理后的熱激勵超聲波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理； 波形影像生成裝置，對模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)字化的熱激勵超聲波信號的各個時刻的振 幅值進行亮度調(diào)制獲得圖像化的波形圖形，并對所述圖像化的圖形按時間序列連續(xù)顯示， 生成動態(tài)的波形影像。
5.如權(quán)利要求4所述的探傷系統(tǒng)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換處理與所 述激光器的激光發(fā)射同步。
6.一種探傷方法，其特征在于，包括 應(yīng)用脈沖激光掃描被探傷工件表面；接收被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號； 基于所述熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。
全文摘要
一種探傷系統(tǒng)及探傷方法。所述探傷系統(tǒng)包括激光器，產(chǎn)生脈沖激光；光路調(diào)節(jié)裝置，對激光器產(chǎn)生的激光進行光路調(diào)節(jié)后使所述激光投射到工件探傷面，對所述探傷面進行激光掃描；信號接收裝置，捕獲被探傷工件由所述激光掃描產(chǎn)生的熱激勵超聲波信號；成像裝置，基于信號接收裝置接收的熱激勵超聲波信號，生成動態(tài)波形影像。所述探傷系統(tǒng)及探傷方法能夠?qū)θ我庑螤钗矬w實施高速探傷，探傷可靠性較高，且能夠獲得直觀、實時的探傷結(jié)果。
文檔編號G01N29/34GK101852774SQ201010178619
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉小軍, 王波 申請人:王波