一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法。本發(fā)明先測定被測物內(nèi)部缺陷在x-y面上的二維位置和尺寸，然后測定被測物內(nèi)部缺陷在z方向的深度。本發(fā)明方法能夠掃查檢測得到內(nèi)部缺陷的三維位置和尺寸信息、具有高精度、高效性、適用于各類材料的無損檢測。
【專利說明】一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光超聲無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)部缺陷是在各種工件材料中都廣泛存在的一種缺陷，如果不及時檢測確認，可能會導致工件的斷裂、損毀等，嚴重影響生產(chǎn)安全。然而，由于內(nèi)部缺陷的隱蔽性和在各類材料中存在的廣泛性，又由于高精度、高速在線檢測、惡劣環(huán)境和安全檢測的要求，目前對內(nèi)部缺陷進行無損檢測仍具有很大困難?，F(xiàn)有的常規(guī)無損檢測方法主要有四大類:渦流檢測、磁粉檢測、射線檢測和超聲檢測。使用渦流檢測和磁粉檢測具有一定的局限性，不適用于形狀復雜的零件，而且只能檢測導電材料或鐵磁性材料的表面和近表面缺陷；射線檢測由于其對人體的危害性、對其他敏感物體的不良作用等的缺點，不滿足安全檢測的要求；超聲檢測具有高穿透性、安全性和適用于各類材料等優(yōu)點，是一種重要的無損檢測方法，但是傳統(tǒng)的超聲檢測法是接觸式的，需要使用耦合劑，不適于形貌復雜工件的檢測和在線快速掃查檢測，如文獻I (專利申請?zhí)?201310176780.0，《一種焊縫內(nèi)部缺陷的檢測方法和裝置》)。
[0003]目前能夠?qū)?nèi)部缺陷進行掃查檢測的非接觸式超聲檢測法主要有:電磁超聲檢測法、空氣耦合超聲檢測法、激光超聲檢測法以及多種技術(shù)相結(jié)合的檢測方法，如激光激發(fā)-電磁超聲檢測、激光激發(fā)-空氣稱合超聲檢測等混合方法。電磁超聲檢測法只能檢測體積較大的導電材料并且受表面質(zhì)量影響大，如文獻2 (專利申請?zhí)?201210290309.X，《激光-電磁超聲無損檢測系統(tǒng)的金屬缺陷檢測方法》)和文獻3 (Optics&LaserTechnology,Vol.44, 860-865 (2012),《Inspection of cracks using laser-1nducedultrasound with shadow method:Modeling and validation)));空氣稱合超聲檢測法受其原理限制，探頭與探測物要保持合適的距離，超聲波在空氣中會經(jīng)過兩次嚴重的衰減，檢測精度較差，對于微小的內(nèi)部缺陷更是難以檢出，如文獻4 (機械工程學報，Vol.44,10-14(2008)《空氣耦合式超聲波無損檢測技術(shù)的發(fā)展》)；激光超聲檢測法具有非接觸、寬帶、可遠程控制、高穿透性、可同時激發(fā)多種模式超聲波等優(yōu)點，是一種有潛力的無損檢測技術(shù)，但需要克服調(diào)節(jié)困難、超聲方向性控制和接收等問題，如文獻5 (Japanese Journalof Applied Physics, Vol.40, 1477-1481(2001),《Nondestructive detection of smallinternal defects in carbon steel by laser ultrasonics》)中為了改變超聲體波的方向性和激發(fā)效率增大了激光能量導致材料表面受損。
[0004]以上方法對于檢測材料的內(nèi)部缺陷還有一個主要缺點就是只能夠檢測到缺陷的存在和尺寸，不能精準的定位內(nèi)部缺陷的三維位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，能夠掃查檢測得到內(nèi)部缺陷的三維位置和尺寸信息、具有高精度、高效性、適用于各類材料的無損檢測。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一、測定被測物內(nèi)部缺陷在x-y面上的二維位置和尺寸:
[0008]使用脈沖激光圓形光源輻照在被測物表面激發(fā)超聲體波，使用激光測振儀激發(fā)出的探測光在被測物另一側(cè)的對心處探測超聲體波；
[0009]用與激光測振儀相連的示波器記錄激光測振儀探測到的超聲體波的檢測波形；
[0010]在x-y面上移動被測物完成二維掃描檢測，根據(jù)示波器記錄的被測物在x-y面上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維C-Scan圖；
[0011]依據(jù)C-Scan圖中代表超聲體波幅值的灰度值的差異確定被測物內(nèi)部缺陷在x_y面上的二維位置和尺寸；
[0012]步驟二、測定被測物內(nèi)部缺陷在z方向的深度:
[0013]使用脈沖激光線形光源輻照在被測物的表面激發(fā)超聲體波，在被測物的同一側(cè)使用激光測振儀激發(fā)出的探測光探測經(jīng)被測物底面反射后的超聲體波，在此過程中，脈沖激光線光源的中軸線位于內(nèi)部缺陷的正上方，探測光位于脈沖激光線光源中軸線方向上；
[0014]調(diào)節(jié)脈沖激光線光源與探測光的距離，使探測的超聲體波的橫波幅值最大；
[0015]在X方向移動被測物從而改變脈沖激光線形光源輻照在被測物表面的相對位置，實現(xiàn)在X方向一維掃描檢測，用與激光測振儀相連的示波器記錄激光測振儀探測到的超聲體波的檢測波形，根據(jù)示波器記錄的被測物在X方向上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維 B-Scan 圖；
[0016]根據(jù)B-Scan圖中代表超聲體波被內(nèi)部缺陷兩次遮擋削弱的幅值的灰度值差異確定超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離，然后根據(jù)公式(I)計算內(nèi)部缺陷的深度位置，
[0017]h=H (w~a) / w (I)
[0018]式(I)中，h為內(nèi)部缺陷的深度位置；a為超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次大幅削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離；W為脈沖激光線形光與探測光的距離，即滿足被測物底面反射的超聲體波的橫波幅值最大時的線光源與探測光的距離為被測物厚度。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于:
[0020](I)利用脈沖激光源在熱彈機制(低能量)下激發(fā)超聲體波，避免材料出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，實現(xiàn)無損檢測；
[0021](2)利用激光激發(fā)、激光接收超聲信號，實現(xiàn)非接觸檢測，可以完成快速掃查檢測，提聞了檢測效率；
[0022](3)通過在被測物的激光激發(fā)表面增加透明覆蓋層，改變了超聲體波的方向性，并且提聞了超聲體波的激發(fā)效率，進一步提聞了缺陷的檢測精度；
[0023](4)通過對心檢測和同側(cè)檢測相結(jié)合，可以精確測定被測物內(nèi)部缺陷的三維位置和尺寸，即使微小缺陷也能精確檢測；
[0024](5)通過計算機全程控制步進電機來掃描含有缺陷的被測物，控制示波器接收并實時處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了全自動化控制，重復性好，易于操作?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]圖1是使用本發(fā)明方法測定內(nèi)部缺陷在x-y面上二維位置和尺寸的示意圖。
[0026]圖2是使用本發(fā)明方法測定內(nèi)部缺陷的深度信息時的示意圖。
[0027]圖3是本發(fā)明實驗中獲得的超聲C-Scan圖。
[0028]圖4是本發(fā)明實驗中獲得的超聲B-Scan圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明是一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，包括兩個步驟，
[0030]步驟一:測定被測物6內(nèi)部缺陷在x-y面上的二維位置和尺寸；
[0031]步驟二:測定被測物6內(nèi)部缺陷在z方向的深度。
[0032]步驟一具體如圖1所示，使用脈沖激光圓形光源I輻照在被測物6表面激發(fā)超聲體波，超聲體波向被測物6內(nèi)部傳播，使用激光測振儀14激發(fā)出探測光2在被測物6另一側(cè)的對心處探測超聲體波，用與激光測振儀14相連的示波器13記錄激光測振儀14探測到的超聲體波的檢測波形，在x-y面上移動被測物6完成二維掃描檢測，根據(jù)示波器13記錄的被測物在x-y面上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維C-Scan圖，因被測物6內(nèi)部的缺陷對超聲體波的幅值具有削弱作用，所以，可以依據(jù)C-Scan圖中代表超聲體波幅值的灰度值的差異確定被測物6內(nèi)部缺陷在x-y面上的二維位置和尺寸。
[0033]所述脈沖激光圓形光源I系使用脈沖激光器12發(fā)射激光并透過凸透鏡9后形成，觸發(fā)信號10由激光器12產(chǎn)生并輸出給示波器13以控制示波器13工作；
[0034]可以將被測物6固定在步進電機7上，計算機15控制步進電機7移動，實現(xiàn)被測物6在x-y面上的二維移動，計算機15同時控制示波器13對二維掃描檢測數(shù)據(jù)進行逐點記錄保存；
[0035]在被測物6被脈沖激光圓形光源I輻照的一側(cè)，設(shè)置有透明覆蓋層，如透明膠、透明漆等，透明覆蓋層用于改變激光激發(fā)的超聲體波的方向性，使超聲體波在對心方向上傳播的能量最大，并且增加超聲的激發(fā)效率，提高內(nèi)部缺陷的檢測精度。
[0036]步驟二如圖2所示，使用脈沖激光線形光源11輻照在被測物6的表面激發(fā)超聲體波，超聲體波向被測物6內(nèi)部傳播，經(jīng)被測物6底面反射后向被測物6的表面?zhèn)鞑?，在被測物6的同一側(cè)使用激光測振儀14激發(fā)出的探測光2探測超聲體波；
[0037]在上述過程中，根據(jù)圖3可以確定內(nèi)部缺陷在x-y面上的二維位置，保證線光源11的中軸線位于內(nèi)部缺陷的正上方，探測光2位于線光源11中軸線方向上；
[0038]調(diào)節(jié)線光源11與探測光2的距離，使該距離滿足被測物6底面反射的超聲體波的橫波幅值最大；
[0039]在X方向移動被測物6從而改變脈沖激光線形光源11輻照在被測物6表面的相對位置，實現(xiàn)在X方向一維掃描檢測，在移動被測物6進行一維掃描檢測的過程中，超聲體波會被內(nèi)部缺陷遮擋削弱兩次，其中一次是超聲體波入射到被測物6后即被內(nèi)部缺陷遮擋削弱，另一次是超聲體波經(jīng)被測物6底面反射后被內(nèi)部缺陷遮擋削弱，用與激光測振儀14相連的示波器13記錄激光測振儀14探測到的超聲體波的檢測波形，根據(jù)示波器13記錄的被測物在X方向上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維B-Scan圖，根據(jù)B-Scan圖中代表超聲體波被兩次遮擋削弱的幅值的灰度值差異確定超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次大幅削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離，然后根據(jù)公式(I)計算內(nèi)部缺陷的深度位置，
[0040]h=H (w~a) /w (I)
[0041]式(I)中，h為內(nèi)部缺陷的深度位置；a為超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次大幅削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離；W為脈沖激光線形光11與探測光2的距離，即滿足被測物6底面反射的超聲體波的橫波幅值最大時的線光源11與探測光2的距離；H為被測物厚度；
[0042]所述脈沖激光線形光源11是使用脈沖激光器12激發(fā)短脈沖激光并透過柱面凸透鏡8聚焦后形成的線形光斑。
[0043]將被測物6固定在步進電機7上，計算機15控制步進電機7移動，實現(xiàn)被測物6在x-y面上的二維移動，計算機15同時控制示波器13對二維掃描檢測數(shù)據(jù)進行逐點記錄保存。
[0044]最后綜合步驟(I)和步驟(2)的結(jié)果，得到內(nèi)部缺陷的三維位置和尺寸信息。
[0045]本發(fā)明可以通過以下實驗進一步說明:
[0046]本實驗選取的被測物為專門定制的招合金板式工件，規(guī)格為80mmX60mmX IOmm,工件內(nèi)部人工加入了直徑為1.2mm的氣孔缺陷，外部完全不可見，氣孔缺陷位于x-y面中央，埋深為4mm，使用本發(fā)明方法對氣孔缺陷進行檢測。
[0047]首先，根據(jù)圖1所示，對內(nèi)部氣孔缺陷在x-y面上的二維位置和尺寸進行測定。使用Nd:YAG激光器作為脈沖激光器激發(fā)出波長為532nm、脈寬為7ns的脈沖激光經(jīng)過凸透鏡匯聚成直徑為2mm的脈沖激光圓形光源輻照在鋁合金板式工件表面，為了改變激光在熱彈機制下激發(fā)出的超聲體波的方向性和激發(fā)效率，被鋁合金板式工件激發(fā)的表面被覆蓋了一層約0.1mm厚的耐高溫透明膠帶。激光測振儀在鋁合金板式工件另一側(cè)的激發(fā)光對心位置處進行接收探測超聲體波。被測物被固定在步進機上來實現(xiàn)精密掃描移動，每步移動0.2mm,掃描區(qū)域為被測物中央?yún)^(qū)域20mmX20mm。示波器與測振儀相連,記錄每一個掃描位置處的超聲信號，計算機連接步進機與示波器，實現(xiàn)全程自動化掃描檢測和數(shù)據(jù)處理。
[0048]將探測得到的超聲信號進行處理，提取每一個掃描位置處的超聲直達縱波的峰峰值，繪制成C-Scan圖，如圖3所示。該圖中的陰影部分3精確的顯示了內(nèi)部氣孔缺陷在x-y面上的位置和尺寸。
[0049]然后，按照圖2所示，對內(nèi)部缺陷的深度信息進行測定。Nd: YAG激光器激發(fā)出波長為532nm、脈寬為7ns的脈沖激光經(jīng)過柱面凸透鏡匯聚成5_X0.5mm的線形光斑輻照在被測物表面，在熱彈機制下無損激發(fā)出超聲體波并向被測物內(nèi)部傳播，經(jīng)底面反射后被激光測振儀在被測物表面同側(cè)接收探測得到。被測物被固定在步進機上來實現(xiàn)精密掃描移動，掃描方向為沿激發(fā)線源中軸線方向，步長0.1mm，掃描距離為20mm。示波器與測振儀相連，記錄每一個掃描位置處的超聲信號，計算機連接步進機與示波器，實現(xiàn)全程自動化掃描檢測和數(shù)據(jù)處理。
[0050]保證探測光位于激發(fā)線源的中軸線上，并且結(jié)合此前探測得到的內(nèi)部缺陷的x-y面上的位置，保證該中軸線位于氣孔缺陷正上方。調(diào)節(jié)激發(fā)入射點與出射點之間的距離，保證經(jīng)底面反射的超聲體波的幅值最大，記錄此時激發(fā)入射點與出射點的距離為w=18mm。保證該距離不變，利用步進機移動被測物進行掃描，掃描間距為0.1mm。利用計算機控制步進機和示波器實現(xiàn)自動化掃描檢測和數(shù)據(jù)處理，記錄每一個掃描位置處的超聲信號。
[0051]將探測得到的超聲信號進行處理，提取每一個掃描位置處的超聲反射體波的峰峰值，繪制成B-Scan圖，如圖4所示。由于內(nèi)部缺陷的存在，在掃描過程中，底面反射的超聲體波會被兩次遮擋，造成幅值的明顯衰弱，從圖4中可以精確的顯示體波被遮擋的位置，測定兩次遮擋位置之間的距離a=10.5mm,結(jié)合鋁合金板式工件的厚度H=IOmm和w=18mm，根據(jù)公式h=H(w-a)/w，可以計算得到氣孔缺陷的埋深h=4.2mm，與已知的加工埋深4mm非常接近。根據(jù)反射體波被遮擋的寬度和延遲時間可以評估出缺陷的尺寸。
[0052]綜合以上實施步驟，直徑1.2mm，埋深4mm的內(nèi)部氣孔缺陷可以被精確地檢測得到。
【權(quán)利要求】
1.一種材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、測定被測物6內(nèi)部缺陷在χ-y面上的二維位置和尺寸: 使用脈沖激光圓形光源I輻照在被測物6表面激發(fā)超聲體波，使用激光測振儀14激發(fā)出的探測光2在被測物6另一側(cè)的對心處探測超聲體波； 用與激光測振儀14相連的示波器13記錄激光測振儀14探測到的超聲體波的檢測波形； 在χ-y面上移動被測物6完成二維掃描檢測，根據(jù)示波器13記錄的被測物在x-y面上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維C-Scan圖； 依據(jù)C-Scan圖中代表超聲體波幅值的灰度值的差異確定被測物6內(nèi)部缺陷在χ-y面上的二維位置和尺寸； 步驟二、測定被測物6內(nèi)部缺陷在z方向的深度: 使用脈沖激光線形光源11輻照在被測物6的表面激發(fā)超聲體波，在被測物6的同一側(cè)使用激光測振儀14激發(fā)出的探測光2探測經(jīng)被測物6底面反射后的超聲體波，在此過程中，脈沖激光線光源11的中軸線位于內(nèi)部缺陷的正上方，探測光2位于脈沖激光線光源11中軸線方向上； 調(diào)節(jié)脈沖激光線光源11與探測光2的距離，使探測的超聲體波的橫波幅值最大； 在X方向移動被測物6從而改變脈沖激光線形光源11輻照在被測物6表面的相對位置，實現(xiàn)在X方向一維掃描檢測，用與激光測振儀14相連的示波器13記錄激光測振儀14探測到的超聲體波的檢測波形，根據(jù)示波器13記錄的被測物6在X方向上每個位置處檢測波形的峰峰值繪制二維B-Scan圖； 根據(jù)B-Scan圖中代表超聲體波被內(nèi)部缺陷兩次遮擋削弱的幅值的灰度值差異確定超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離，然后根據(jù)公式(I)計算內(nèi)部缺陷的深度位置，h=H(w~a)/w (I) 式(I)中，h為內(nèi)部缺陷的深度位置；a為超聲體波幅值被內(nèi)部缺陷兩次大幅削弱時內(nèi)部缺陷在X方向上所處位置之間的距離；w為脈沖激光線形光11與探測光2的距離，即滿足被測物6底面反射的超聲體波的橫波幅值最大時的線光源11與探測光2的距離；H為被測物厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，其特征在于， 所述脈沖激光圓形光源I是使用脈沖激光器12發(fā)射激光并透過凸透鏡9后形成； 所述脈沖激光線形光源11是使用脈沖激光器12激發(fā)短脈沖激光并透過柱面凸透鏡8聚焦后形成的線形光斑。
3.如權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，其特征在于，激光器12產(chǎn)生觸發(fā)信號10并輸出給示波器13以控制示波器13工作。
4.如權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，其特征在于，將被測物6固定在步進電機7上,計算機15控制步進電機7移動,實現(xiàn)被測物6在x-y面上的二維移動，計算機15同時控制示波器13對二維掃描檢測數(shù)據(jù)進行逐點記錄保存。
5.如權(quán)利要求1所述的材料內(nèi)部缺陷的全光學激光超聲測定方法，其特征在于，步驟一中，在被測物6被脈沖激光圓形光源I輻照的一側(cè)，設(shè)置有透明覆蓋層，使超聲體波在對心方向上傳播的能量最大。
【文檔編號】G01N29/06GK103808802SQ201410067983
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】沈中華, 孫凱華, 倪辰蔭, 倪曉武, 徐志洪 申請人:南京理工大學