一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法
【专利摘要】本发明提出一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法。本发明先测定被测物内部缺陷在x-y面上的二维位置和尺寸，然后测定被测物内部缺陷在z方向的深度。本发明方法能够扫查检测得到内部缺陷的三维位置和尺寸信息、具有高精度、高效性、适用于各类材料的无损检测。
【专利说明】一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光超声无损检测【技术领域】，具体涉及一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法。
【背景技术】
[0002]内部缺陷是在各种工件材料中都广泛存在的一种缺陷，如果不及时检测确认，可能会导致工件的断裂、损毁等，严重影响生产安全。然而，由于内部缺陷的隐蔽性和在各类材料中存在的广泛性，又由于高精度、高速在线检测、恶劣环境和安全检测的要求，目前对内部缺陷进行无损检测仍具有很大困难。现有的常规无损检测方法主要有四大类:涡流检测、磁粉检测、射线检测和超声检测。使用涡流检测和磁粉检测具有一定的局限性，不适用于形状复杂的零件，而且只能检测导电材料或铁磁性材料的表面和近表面缺陷；射线检测由于其对人体的危害性、对其他敏感物体的不良作用等的缺点，不满足安全检测的要求；超声检测具有高穿透性、安全性和适用于各类材料等优点，是一种重要的无损检测方法，但是传统的超声检测法是接触式的，需要使用耦合剂，不适于形貌复杂工件的检测和在线快速扫查检测，如文献I (专利申请号=201310176780.0，《一种焊缝内部缺陷的检测方法和装置》)。
[0003]目前能够对内部缺陷进行扫查检测的非接触式超声检测法主要有:电磁超声检测法、空气耦合超声检测法、激光超声检测法以及多种技术相结合的检测方法，如激光激发-电磁超声检测、激光激发-空气稱合超声检测等混合方法。电磁超声检测法只能检测体积较大的导电材料并且受表面质量影响大，如文献2 (专利申请号:201210290309.X，《激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法》)和文献3 (Optics&LaserTechnology,Vol.44, 860-865 (2012),《Inspection of cracks using laser-1nducedultrasound with shadow method:Modeling and validation)));空气稱合超声检测法受其原理限制，探头与探测物要保持合适的距离，超声波在空气中会经过两次严重的衰减，检测精度较差，对于微小的内部缺陷更是难以检出，如文献4 (机械工程学报，Vol.44,10-14(2008)《空气耦合式超声波无损检测技术的发展》)；激光超声检测法具有非接触、宽带、可远程控制、高穿透性、可同时激发多种模式超声波等优点，是一种有潜力的无损检测技术，但需要克服调节困难、超声方向性控制和接收等问题，如文献5 (Japanese Journalof Applied Physics, Vol.40, 1477-1481(2001),《Nondestructive detection of smallinternal defects in carbon steel by laser ultrasonics》)中为了改变超声体波的方向性和激发效率增大了激光能量导致材料表面受损。
[0004]以上方法对于检测材料的内部缺陷还有一个主要缺点就是只能够检测到缺陷的存在和尺寸，不能精准的定位内部缺陷的三维位置。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，能够扫查检测得到内部缺陷的三维位置和尺寸信息、具有高精度、高效性、适用于各类材料的无损检测。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一、测定被测物内部缺陷在x-y面上的二维位置和尺寸:
[0008]使用脉冲激光圆形光源辐照在被测物表面激发超声体波，使用激光测振仪激发出的探测光在被测物另一侧的对心处探测超声体波；
[0009]用与激光测振仪相连的示波器记录激光测振仪探测到的超声体波的检测波形；
[0010]在x-y面上移动被测物完成二维扫描检测，根据示波器记录的被测物在x-y面上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维C-Scan图；
[0011]依据C-Scan图中代表超声体波幅值的灰度值的差异确定被测物内部缺陷在x_y面上的二维位置和尺寸；
[0012]步骤二、测定被测物内部缺陷在z方向的深度:
[0013]使用脉冲激光线形光源辐照在被测物的表面激发超声体波，在被测物的同一侧使用激光测振仪激发出的探测光探测经被测物底面反射后的超声体波，在此过程中，脉冲激光线光源的中轴线位于内部缺陷的正上方，探测光位于脉冲激光线光源中轴线方向上；
[0014]调节脉冲激光线光源与探测光的距离，使探测的超声体波的横波幅值最大；
[0015]在X方向移动被测物从而改变脉冲激光线形光源辐照在被测物表面的相对位置，实现在X方向一维扫描检测，用与激光测振仪相连的示波器记录激光测振仪探测到的超声体波的检测波形，根据示波器记录的被测物在X方向上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维 B-Scan 图；
[0016]根据B-Scan图中代表超声体波被内部缺陷两次遮挡削弱的幅值的灰度值差异确定超声体波幅值被内部缺陷两次削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离，然后根据公式(I)计算内部缺陷的深度位置，
[0017]h=H (w~a) / w (I)
[0018]式(I)中，h为内部缺陷的深度位置；a为超声体波幅值被内部缺陷两次大幅削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离；W为脉冲激光线形光与探测光的距离，即满足被测物底面反射的超声体波的横波幅值最大时的线光源与探测光的距离为被测物厚度。
[0019]本发明与现有技术相比，其显著优点在于:
[0020](I)利用脉冲激光源在热弹机制(低能量)下激发超声体波，避免材料出现熔融现象，实现无损检测；
[0021](2)利用激光激发、激光接收超声信号，实现非接触检测，可以完成快速扫查检测，提闻了检测效率；
[0022](3)通过在被测物的激光激发表面增加透明覆盖层，改变了超声体波的方向性，并且提闻了超声体波的激发效率，进一步提闻了缺陷的检测精度；
[0023](4)通过对心检测和同侧检测相结合，可以精确测定被测物内部缺陷的三维位置和尺寸，即使微小缺陷也能精确检测；
[0024](5)通过计算机全程控制步进电机来扫描含有缺陷的被测物，控制示波器接收并实时处理数据，实现了全自动化控制，重复性好，易于操作。【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是使用本发明方法测定内部缺陷在x-y面上二维位置和尺寸的示意图。
[0026]图2是使用本发明方法测定内部缺陷的深度信息时的示意图。
[0027]图3是本发明实验中获得的超声C-Scan图。
[0028]图4是本发明实验中获得的超声B-Scan图。
【具体实施方式】
[0029]本发明是一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，包括两个步骤，
[0030]步骤一:测定被测物6内部缺陷在x-y面上的二维位置和尺寸；
[0031]步骤二:测定被测物6内部缺陷在z方向的深度。
[0032]步骤一具体如图1所示，使用脉冲激光圆形光源I辐照在被测物6表面激发超声体波，超声体波向被测物6内部传播，使用激光测振仪14激发出探测光2在被测物6另一侧的对心处探测超声体波，用与激光测振仪14相连的示波器13记录激光测振仪14探测到的超声体波的检测波形，在x-y面上移动被测物6完成二维扫描检测，根据示波器13记录的被测物在x-y面上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维C-Scan图，因被测物6内部的缺陷对超声体波的幅值具有削弱作用，所以，可以依据C-Scan图中代表超声体波幅值的灰度值的差异确定被测物6内部缺陷在x-y面上的二维位置和尺寸。
[0033]所述脉冲激光圆形光源I系使用脉冲激光器12发射激光并透过凸透镜9后形成，触发信号10由激光器12产生并输出给示波器13以控制示波器13工作；
[0034]可以将被测物6固定在步进电机7上，计算机15控制步进电机7移动，实现被测物6在x-y面上的二维移动，计算机15同时控制示波器13对二维扫描检测数据进行逐点记录保存；
[0035]在被测物6被脉冲激光圆形光源I辐照的一侧，设置有透明覆盖层，如透明胶、透明漆等，透明覆盖层用于改变激光激发的超声体波的方向性，使超声体波在对心方向上传播的能量最大，并且增加超声的激发效率，提高内部缺陷的检测精度。
[0036]步骤二如图2所示，使用脉冲激光线形光源11辐照在被测物6的表面激发超声体波，超声体波向被测物6内部传播，经被测物6底面反射后向被测物6的表面传播，在被测物6的同一侧使用激光测振仪14激发出的探测光2探测超声体波；
[0037]在上述过程中，根据图3可以确定内部缺陷在x-y面上的二维位置，保证线光源11的中轴线位于内部缺陷的正上方，探测光2位于线光源11中轴线方向上；
[0038]调节线光源11与探测光2的距离，使该距离满足被测物6底面反射的超声体波的横波幅值最大；
[0039]在X方向移动被测物6从而改变脉冲激光线形光源11辐照在被测物6表面的相对位置，实现在X方向一维扫描检测，在移动被测物6进行一维扫描检测的过程中，超声体波会被内部缺陷遮挡削弱两次，其中一次是超声体波入射到被测物6后即被内部缺陷遮挡削弱，另一次是超声体波经被测物6底面反射后被内部缺陷遮挡削弱，用与激光测振仪14相连的示波器13记录激光测振仪14探测到的超声体波的检测波形，根据示波器13记录的被测物在X方向上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维B-Scan图，根据B-Scan图中代表超声体波被两次遮挡削弱的幅值的灰度值差异确定超声体波幅值被内部缺陷两次大幅削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离，然后根据公式(I)计算内部缺陷的深度位置，
[0040]h=H (w~a) /w (I)
[0041]式(I)中，h为内部缺陷的深度位置；a为超声体波幅值被内部缺陷两次大幅削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离；W为脉冲激光线形光11与探测光2的距离，即满足被测物6底面反射的超声体波的横波幅值最大时的线光源11与探测光2的距离；H为被测物厚度；
[0042]所述脉冲激光线形光源11是使用脉冲激光器12激发短脉冲激光并透过柱面凸透镜8聚焦后形成的线形光斑。
[0043]将被测物6固定在步进电机7上，计算机15控制步进电机7移动，实现被测物6在x-y面上的二维移动，计算机15同时控制示波器13对二维扫描检测数据进行逐点记录保存。
[0044]最后综合步骤(I)和步骤(2)的结果，得到内部缺陷的三维位置和尺寸信息。
[0045]本发明可以通过以下实验进一步说明:
[0046]本实验选取的被测物为专门定制的招合金板式工件，规格为80mmX60mmX IOmm,工件内部人工加入了直径为1.2mm的气孔缺陷，外部完全不可见，气孔缺陷位于x-y面中央，埋深为4mm，使用本发明方法对气孔缺陷进行检测。
[0047]首先，根据图1所示，对内部气孔缺陷在x-y面上的二维位置和尺寸进行测定。使用Nd:YAG激光器作为脉冲激光器激发出波长为532nm、脉宽为7ns的脉冲激光经过凸透镜汇聚成直径为2mm的脉冲激光圆形光源辐照在铝合金板式工件表面，为了改变激光在热弹机制下激发出的超声体波的方向性和激发效率，被铝合金板式工件激发的表面被覆盖了一层约0.1mm厚的耐高温透明胶带。激光测振仪在铝合金板式工件另一侧的激发光对心位置处进行接收探测超声体波。被测物被固定在步进机上来实现精密扫描移动，每步移动0.2mm,扫描区域为被测物中央区域20mmX20mm。示波器与测振仪相连,记录每一个扫描位置处的超声信号，计算机连接步进机与示波器，实现全程自动化扫描检测和数据处理。
[0048]将探测得到的超声信号进行处理，提取每一个扫描位置处的超声直达纵波的峰峰值，绘制成C-Scan图，如图3所示。该图中的阴影部分3精确的显示了内部气孔缺陷在x-y面上的位置和尺寸。
[0049]然后，按照图2所示，对内部缺陷的深度信息进行测定。Nd: YAG激光器激发出波长为532nm、脉宽为7ns的脉冲激光经过柱面凸透镜汇聚成5_X0.5mm的线形光斑辐照在被测物表面，在热弹机制下无损激发出超声体波并向被测物内部传播，经底面反射后被激光测振仪在被测物表面同侧接收探测得到。被测物被固定在步进机上来实现精密扫描移动，扫描方向为沿激发线源中轴线方向，步长0.1mm，扫描距离为20mm。示波器与测振仪相连，记录每一个扫描位置处的超声信号，计算机连接步进机与示波器，实现全程自动化扫描检测和数据处理。
[0050]保证探测光位于激发线源的中轴线上，并且结合此前探测得到的内部缺陷的x-y面上的位置，保证该中轴线位于气孔缺陷正上方。调节激发入射点与出射点之间的距离，保证经底面反射的超声体波的幅值最大，记录此时激发入射点与出射点的距离为w=18mm。保证该距离不变，利用步进机移动被测物进行扫描，扫描间距为0.1mm。利用计算机控制步进机和示波器实现自动化扫描检测和数据处理，记录每一个扫描位置处的超声信号。
[0051]将探测得到的超声信号进行处理，提取每一个扫描位置处的超声反射体波的峰峰值，绘制成B-Scan图，如图4所示。由于内部缺陷的存在，在扫描过程中，底面反射的超声体波会被两次遮挡，造成幅值的明显衰弱，从图4中可以精确的显示体波被遮挡的位置，测定两次遮挡位置之间的距离a=10.5mm,结合铝合金板式工件的厚度H=IOmm和w=18mm，根据公式h=H(w-a)/w，可以计算得到气孔缺陷的埋深h=4.2mm，与已知的加工埋深4mm非常接近。根据反射体波被遮挡的宽度和延迟时间可以评估出缺陷的尺寸。
[0052]综合以上实施步骤，直径1.2mm，埋深4mm的内部气孔缺陷可以被精确地检测得到。
【权利要求】
1.一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、测定被测物6内部缺陷在χ-y面上的二维位置和尺寸: 使用脉冲激光圆形光源I辐照在被测物6表面激发超声体波，使用激光测振仪14激发出的探测光2在被测物6另一侧的对心处探测超声体波； 用与激光测振仪14相连的示波器13记录激光测振仪14探测到的超声体波的检测波形； 在χ-y面上移动被测物6完成二维扫描检测，根据示波器13记录的被测物在x-y面上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维C-Scan图； 依据C-Scan图中代表超声体波幅值的灰度值的差异确定被测物6内部缺陷在χ-y面上的二维位置和尺寸； 步骤二、测定被测物6内部缺陷在z方向的深度: 使用脉冲激光线形光源11辐照在被测物6的表面激发超声体波，在被测物6的同一侧使用激光测振仪14激发出的探测光2探测经被测物6底面反射后的超声体波，在此过程中，脉冲激光线光源11的中轴线位于内部缺陷的正上方，探测光2位于脉冲激光线光源11中轴线方向上； 调节脉冲激光线光源11与探测光2的距离，使探测的超声体波的横波幅值最大； 在X方向移动被测物6从而改变脉冲激光线形光源11辐照在被测物6表面的相对位置，实现在X方向一维扫描检测，用与激光测振仪14相连的示波器13记录激光测振仪14探测到的超声体波的检测波形，根据示波器13记录的被测物6在X方向上每个位置处检测波形的峰峰值绘制二维B-Scan图； 根据B-Scan图中代表超声体波被内部缺陷两次遮挡削弱的幅值的灰度值差异确定超声体波幅值被内部缺陷两次削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离，然后根据公式(I)计算内部缺陷的深度位置，h=H(w~a)/w (I) 式(I)中，h为内部缺陷的深度位置；a为超声体波幅值被内部缺陷两次大幅削弱时内部缺陷在X方向上所处位置之间的距离；w为脉冲激光线形光11与探测光2的距离，即满足被测物6底面反射的超声体波的横波幅值最大时的线光源11与探测光2的距离；H为被测物厚度。
2.如权利要求1所述的材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，其特征在于， 所述脉冲激光圆形光源I是使用脉冲激光器12发射激光并透过凸透镜9后形成； 所述脉冲激光线形光源11是使用脉冲激光器12激发短脉冲激光并透过柱面凸透镜8聚焦后形成的线形光斑。
3.如权利要求1所述的材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，其特征在于，激光器12产生触发信号10并输出给示波器13以控制示波器13工作。
4.如权利要求1所述的材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，其特征在于，将被测物6固定在步进电机7上,计算机15控制步进电机7移动,实现被测物6在x-y面上的二维移动，计算机15同时控制示波器13对二维扫描检测数据进行逐点记录保存。
5.如权利要求1所述的材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法，其特征在于，步骤一中，在被测物6被脉冲激光圆形光源I辐照的一侧，设置有透明覆盖层，使超声体波在对心方向上传播的能量最大。
【文档编号】G01N29/06GK103808802SQ201410067983
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】沈中华, 孙凯华, 倪辰荫, 倪晓武, 徐志洪 申请人:南京理工大学