一种青铜器表面缺陷检测系统的制作方法

本实用新型属于考古领域，尤其涉及一种用于青铜器表面缺陷检测的系统。

背景技术：

青铜器在世界各地均有出现，是一种世界性文明的象征。随着中国考古事业的发展，我国也相继挖掘出土了大量青铜器文物。青铜器文物主要是指：以古代传统工艺制作的，以锡、铅、铜为基本元素的青铜器具。受铸造工艺及外界环境影响，青铜器表面极易产生砂孔、气眼或疲劳裂纹等缺陷。如不能及时发现并尽快修复，在外界环境（如温度、湿度、外力作用等）影响下，这些缺陷可能会逐步扩展，最终导致青铜器文物产生断裂式破坏，这对于青铜器文物的保护是极其不利的。因此，对青铜器表面缺陷，尤其是表面早期微小缺陷进行检测，对于文物的保护具有重要意义。

国内外现有青铜器表面缺陷检测方式主要有涡流检测、射线检测、超声波检测等。涡流检测首先利用铁磁圈在青铜器表面及内部感应产生电涡流，进而根据电磁场分布情况判断青铜器内部及表面质量情况。但在青铜器内部产生的电涡流会导致青铜器被测部位连续发热，可能会影响青铜器表面及内部材质，这对文物保护极其不利。射线检测一般利用射线（如X射线等）照射待测青铜器，通过观察射线透过青铜器后衰减程度对青铜器表面及内部质量情况进行检测。这种检测方法对环境、对操作工人身体具有较大损伤，目前已基本不采用。青铜器表面缺陷检测最常用的方式是超声波检测。超声波在青铜器表面及内部进行传播时，当青铜器表面存在缺陷，超声波传播特性（如幅值、相位等）发生变化，通过对波传播特性的改变进行分析，可以对缺陷进行检测。传统超声波检测方式一般利用超声换能器在青铜器表面激发超声波，再利用压电陶瓷传感器等在青铜器表面接收与缺陷作用后波形，通过对波传播特性改变进行分析以实现缺陷检测。这种检测方式存在如下缺点：（1）超声换能器需要直接接触青铜器表面进行超声波激发，检测中超声换能器可能会划伤青铜器表面，（2）超声换能器或压电陶瓷传感器需要通过耦合剂与青铜器表面粘接，耦合剂可能对青铜器产生腐蚀作用，（3）在某些特殊条件下（如无氧、高压等），检测用耦合剂可能出现失效问题，（4）所用超声波换能器或压电陶瓷传感器尺寸相对较大，在检测过程中存在较大检测盲区。

技术实现要素：

本实用新型为解决现有青铜器表面缺陷检测方式的不足而提供一种青铜器表面缺陷检测系统，能够对实际青铜器表面缺陷位置、尺寸进行高效、高精度、无损检测。

本实用新型为解决所述技术问题的一种青铜器表面缺陷检测系统，包括：光路产生装置、数据采集装置以及数据处理装置；

其中，光路产生装置包括激光发生器和光路调节器；激光发生器用以激发高能激光脉冲束；光路调节器用以对激光发生器产生的高能激光脉冲束进行对焦、分光，以及控制高能激光脉冲束以预设速率及预设路径对待检测青铜器表面进行扫描检测；

数据采集装置包括电容式位移传感器、前置放大器及高速数据采集卡；电容式位移传感器设置于待检测青铜器表面上方的指定位置，与待检测青铜器表面是非接触关系，以在感应高能激光脉冲束照射到待检测青铜器表面后产生的激光超声波后，产生电位移信号；电容式位移传感器输出端连接前置放大器输入端，前置放大器用以将电容式位移传感器产生的微弱电位移信号进行放大；前置放大器输出端连接高速数据采集卡输入端，用以对放大后电位移信号进行采集；

数据处理装置包括数据处理器和显示器，高速数据采集卡的输出端与数据处理器输入端相连接，数据处理器输出端与显示器相连接，数据处理器用以提取放大后的电位移信号，进行处理得到因缺陷非线性调制作用引起的新的超声频率成份的特征值，并将特征值按照扫描点的空间位置进行排布，以将缺陷位置及尺寸以图像方式表现出来，并传输到显示器进行显示。

其中，经聚焦后高能激光脉冲束的光斑直径为0.3mm。

其中，激光发生器产生高能激光脉冲束后，经过一分束器作用分为第一激光束与第二激光束；其中，第一激光束作为触发信号打开高速数据采集卡使能端口，以使高速数据采集卡进入工作状态，第二激光束在光路调节器的控制下照射到待检测青铜器表面，以对待检测青铜器表面缺陷进行二维点阵扫描检测。

其中，光路调节器控制第二激光束在待检测青铜器表面检测的扫描路径是周期形方波，相邻两扫描点之间距离为0.1mm。

其中，激光发生器为Nd:YAG激光发生器，所激发脉冲束脉冲宽度为20ns，波长为1064nm，激发频率为20KHz。

本实用新型有益效果是：（1）检测用激光超声波的远程非接触式激发及利用电容式位移传感器对超声信号的非接触式接收的搭配使用，实现了青铜器表面缺陷的非接触式测量，因此本系统能在无氧、高温等极端环境下正常工作；（2）数据处理装置在提取因缺陷存在导致的新频率成份波形特征值时候，引入了状态空间法及非线性特征参数：局部吸引子变化比，相对于传统线性特征参数，如均值、方差等对缺陷敏感度更高，因而缺陷检测精度高；（3）激光发生器、光路调节器、扫描振镜集成在控制柜内，控制柜固定平放在地面或其他支撑物上，因此控制柜内的光路固定稳固，因此能有效避免振动对光路产生的影响；（4）数据处理装置提取的缺陷信号特征能够以图像形式在显示器上进行可视化实时显示，有助于操作人员实时、直观了解待测青铜器表面缺陷情况；（5）激光扫描技术的使用实现了缺陷位置及尺寸信息的精确检测，通过计算缺陷在成像图中占据的扫描点个数，根据相邻两扫描点之间距离，可以精确计算裂纹尺寸。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种青铜器表面缺陷检测系统的整体结构示意图。

图2为本实用新型所述的一种青铜器表面缺陷检测系统的三维结构示意图。

图3为本实用新型所述的一种青铜器表面缺陷检测系统的光路结构图。

图4为含实际砂孔缺陷的青铜器表面图像，该图由基恩士电子显微镜拍摄生成，放大倍数为50倍。

图5为利用本实用新型所述一种青铜器表面微缺陷检测系统对图4所述青铜器表面缺陷进行检测后的缺陷成像图。

附图标号：1-激光发生器、2-光路调节器、3-待测含缺陷青铜器、4-电容式位移传感器、5-前置放大器、6-高速数据采集卡、7-数据处理器、8-显示器、9-第一凸透镜、10-分光镜、11-第二凸透镜、12-反射镜、13-扫描振镜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

参照图1和图2，图1是本实用新型提供的一种青铜器表面缺陷检测系统的结构示意图，图2是本实用新型提供的一种青铜器表面缺陷检测系统的三维结构示意图。该系统包括：光路产生装置、数据采集装置以及数据处理装置；

其中，光路产生装置包括激光发生器1和光路调节器2；激光发生器1用以激发高能激光脉冲束；光路调节器2用以对激光发生器产生的高能激光脉冲束进行对焦、分光，以及控制高能激光脉冲束以预设速率对待检测青铜器3表面进行扫描检测。产生的光路示意图如图3所示。

数据采集装置包括电容式位移传感器4、前置放大器5及高速数据采集卡6；电容式位移传感器4设置于待检测青铜器3表面上方的指定位置，与待检测青铜器3表面是非接触关系，以在感应高能激光脉冲束照射到待检测青铜器表面后产生的激光超声波后，产生电位移信号；电容式位移传感器4输出端连接前置放大器5输入端，前置放大器5用以将电容式位移传感器4产生的微弱电位移信号进行放大；前置放大器5输出端连接高速数据采集卡6输入端，用以对放大后电位移信号进行采集。

数据处理装置包括数据处理器7和显示器8，高速数据采集卡6的输出端与数据处理器7输入端相连接，数据处理器7输出端与显示器8相连接，数据处理器7用以提取放大后的电位移信号，进行处理得到因缺陷非线性调制作用引起的新的超声频率成份的特征值，并将特征值按照扫描点的空间位置进行排布，以将缺陷位置及尺寸以图像方式表现出来，并传输到显示器进行显示。

本实用新型的光路产生装置包括控制用激光发生器1及光路调节器2；光路调节器2控制激光束以一定速率及预设路径对待测青铜器3表面进行扫描检测。

数据采集装置包括电容式位移传感器4、前置放大器5及高速数据采集卡6，电容式位移传感器4放置在待测青铜器3表面上方一固定点处以采集激光脉冲束在待测青铜器3表面所激发激光超声波，电容式位移传感器4与青铜器3表面是非接触关系；电容式位移传感器4输出口与前置放大器5输入口相连接，前置放大器5用以将电容式位移传感器4所感应的微弱电位移信号进行放大；前置放大器5输出口与高速数据采集卡6输入口相连接，用以对放大后位移电信号进行采样；

数据处理装置包括数据处理器7和显示器8，高速数据采集卡6输出端与数据处理器7输入端相连接，数据处理器7输出端与显示器8相连接，数据处理器7用以提取因缺陷非线性调制作用引起的新的超声频率成份的特征值，并对特征值按照空间位置进行排布，进而可以将缺陷位置及尺寸以图像方式表现出来。

所述光路产生装置还包括顺次位于激光发生器1发射光路上的第一凸透镜9、分光镜10、第二凸透镜11、反光镜12及扫描振镜13；分光镜10位于第一凸透镜9的焦点位置；第二凸透镜11及反光镜12位于分光镜10的透射光路上；扫描振镜位于反光镜12的反射光路上。

激光发生器1发射出的激光经过第一凸透镜9后汇聚到一点，分光镜10恰好放置于第一凸透镜9焦点处以接收汇聚激光束；分光镜10即为分束器，将激光束分为第一激光束与第二激光束，第一激光束自分光镜10下方垂直射出，作为触发信号使能高速数据采集卡6，使高速数据采集卡6进入到工作状态，第二激光束从分光镜10中水平射出，第二凸透镜11将激光束光斑直径进一步缩小，以提高检测精度，经过第二凸透镜11聚焦后的第二激光束入射到反射镜12，反射镜12将第二激光束入射方向从水平改为竖直向下，入射到扫描振镜13中心位置，扫描振镜13控制第二激光束以一定速率及预设路径在待测青铜器3表面进行扫描，扫描入射的第二激光束可以在青铜器3表面激发出激光超声波，所述激光超声波主要包括表面波、纵波及横波。

电容式位移传感器4位于待测青铜器3外表面一固定点上方，与待测青铜器3为非接触式关系，待测青铜器3外表面构成电容式位移传感器4的第一极板，电容式位移传感器4的第二极板由高弹、高敏感材料制成，当激光超声波到达待测青铜器3外表面该固定点时，该点因为波传导产生上下振动，导致电容式位移传感器4的第一极板与第二极板相对位置发生变化，使得电容式位移传感器4的电容发生变化，最终使得电容式位移传感器4输出电压发生变化；电容式位移传感器4输出端通过数据线与前置放大器5相连接，前置放大器5用来将电容式位移传感器4采集到的微弱电位移信号进行放大处理；前置放大器5输出端与高速数据采集卡6输入端相连接，被第二激光束使能的高速数据采集卡6可以对放大后的电位移信号进行高频采样；采用远程入射激光激发的激光超声波以及利用非接触式测量的电容式位移传感器4的搭配使用实现了待测青铜器3表面缺陷的非接触式测量。

高速数据采集卡6采集到的电位移信号会传送到数据处理装置，数据处理器7首先对采集到的信号进行64次叠加平均处理以减小背景噪声，提高信号信噪比，其次数据处理器7会提取信号中因缺陷存在导致的新频率成份特征值，进而逆向推演缺陷位置及尺寸信息，逆向推演缺陷位置及尺寸信息的相关步骤及基本原理如下所述：（1）扫描振镜13控制第二激光束对待测青铜器3表面进行扫描检测，扫描路径为周期性方波，相邻两扫描点之间距离为0.1mm，假设所扫描青铜器3表面区域为10*10mm²，那么扫描点阵将是一个100*100矩阵，该矩阵中每个点都会被第二激光束扫描到；（2）利用电容式位移传感器4记录该点阵中每个点所激发的超声波信号；（3）数据处理器7将电容式位移传感器4测量得到的各点信号按照点阵位置进行存储；（4）取点阵中一点，以该点周围点作为临近点，根据采集得到该点及其临近点超声信号，分别建立该点及其临近点的状态空间；（5）利用非线性特征参数提取该点及其临近点状态空间差异值，本实用新型中所用非线性特征参数为局部吸引子变化比，该参数主要用来衡量两系统（两测量点）状态空间差异值，一个系统的状态空间是指利用该系统所测量得到状态变量（本实用新型中所测量的点的状态变量为位移量）绘制出来相空间，系统的动态特性在相空间中可以用几何图形进行描述，当系统动态特性发生改变（如存在缺陷），状态空间中的几何图形会发生对应改变，利用特征值（如本实用新型所提的局部吸引子变化比）对这些改变进行标定，可以对缺陷进行检测，当缺陷存在时候，受缺陷影响，相邻两测量点动态特性变化大，因此状态空间差异大，局部吸引子变化比计算值较大；当没有缺陷时候，相邻两测量点状态空间差异小，局部吸引子变化比计算值较小；（6）将计算得到的100*100个点阵对应的100*100个局部吸引子变化比特征值的计算值按照原来点的空间位置进行摆放，此时得到100*100的特征值矩阵，利用颜色深浅程度代表特征值大小，最大特征值为白色，最小特征值为黑色，就可以得到特征值分布图像，图像中，缺陷存在位置相邻点的动态特性差异大，状态空间差异也大，因此计算得到局部吸引子变化比的值也大，因此这些点在图像中呈现出白色，没有缺陷位置相邻两测量点动态特性差异小，状态空间差异也小，因此计算得到局部吸引子变化比的值也小，这些点在图像中呈现出黑色，利用所述算法对实际缺陷成像处理的一个实例图如附图5 所示，通过最后图像可以得到待测青铜器表面砂孔缺陷所在位置，进一步，通过计算白色缺陷所占据的扫描点数，可以得到缺陷尺寸信息，这是因为相邻两扫描点距离为0.1mm，图5中白色缺陷图像在X向上最宽边缘的两个点的坐标分别为(46.5,58.2)与(62.4,58.2)，可以知道在X向上该缺陷所占点数为62.4-46.5=15.9则该砂孔缺陷最大宽度应为0.1*15.9mm，即1.59mm。

待测青铜器3放置在三维移动平台上，通过三维移动平台实现待测青铜器3在三个方向的移动，配合扫描振镜13作用，实现激光束对待测青铜器3整个表面的扫描检测，所述三维移动平台在X/Y/Z三个方向的移动精度均为0.01mm，这样，待测青铜器3在X/Y/Z三个空间方向的移动精度均可以达到0.01mm，因此待测青铜器3的移动精度高。

本实施例中，所述经第二凸透镜11聚焦后激光束光斑直径为0.3mm。

本实施例中，所述激光发生器1为Nd:YAG激光发生器，所激发脉冲束脉冲宽度为20ns，波长为1064nm，激发频率为20KHz。

以下对采用本实用新型所述的方法及其系统进行一次实验进行简述：

选取一含实际砂孔缺陷的青铜器试件块，如图4所示，该图由基恩士电子显微镜拍摄而成，显微镜放大倍数为50倍，在图中测量得到实际砂孔缺陷最大宽度为1.52mm。

依次打开数据采集装置、激光发生器，初始化扫描振镜及高速数据采集卡，控制激光发生器发射激光脉冲束，激光束通过光路产生装置照射在待检测青铜器上表面一点处，设置激光扫描路径，通过扫描振镜及一三维移动平台的共同作用开始逐步扫描整个青铜器试件上表面，每次振镜扫描区域为10*10mm²，扫描点之间距离为0.1mm。

利用电容式传感器接收青铜器试件上表面各个扫描点所激发出的超声波信号，各扫描点信号经过数据采集系统集成后被传送到数据处理系统集成，根据所采集各扫描点及其临近点超声信号，计算各个扫描点的平均局部吸引子特征值，而后将各个特征值按照各个点所在空间位置进行排布，结合激光扫描点间隔，将缺陷二维尺寸信息以图像形式表示出来，如图5所示，从图5中可以直观看出缺陷所在位置信息。

从图5中提取砂孔缺陷所占据的X/Y向点的个数，将点数乘以相邻点间隔0.1mm，则该青铜试件上砂孔缺陷的位置及尺寸信息就能被检测出来，图5中白色缺陷图像在X向上最宽边缘的两个点的坐标分别为(46.5,58.2)与(62.4,58.2)，可以知道在X向上该缺陷所占点数为62.4-46.5=15.9则该砂孔缺陷最大宽度应为0.1*15.9mm，即1.59mm，这与其实际值1.52mm是非常吻合的。

本实用新型有益效果是：（1）检测用激光超声波的远程非接触式激发及利用电容式位移传感器对超声信号的非接触式接收的搭配使用，实现了青铜器表面缺陷的非接触式测量，因此本系统能在无氧、高温等极端环境下正常工作；（2）数据处理装置在提取因缺陷存在导致的新频率成份波形特征值时候，引入了状态空间法及非线性特征参数：局部吸引子变化比，相对于传统线性特征参数，如均值、方差等对缺陷敏感度更高，因而本系统对缺陷检测精度高；（3）激光发生器、光路调节器、扫描振镜一起集成在控制柜内，控制柜固定平放在地面或其他支撑物上，因此控制柜内的光路固定稳固，因此能有效避免振动对光路产生的影响；（4）数据处理装置提取的缺陷信号特征能够以图像形式在显示器上实时显示，有助于操作人员实时、直观了解待测青铜器表面缺陷情况；（5）激光扫描技术的使用实现了缺陷位置及尺寸信息的精确检测，通过计算缺陷在成像图中占据的扫描点个数，根据相邻两扫描点之间距离，可以精确计算裂纹尺寸。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。