固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法与流程

本发明涉及激光超声无损检测技术领域，特别是一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法。

二、

背景技术：

无损检测以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理和化学方法，对各种材料、零部件、结构件进行有效的检验和测试，在机械制造、石油化工、车辆船舶制造、航空航天和核能等诸多工业领域均有应用，一直是工业领域关注的重点问题之一。目前常用的五大无损检测技术有：射线检测、超声检测、电磁检测、渗透检测和磁粉检测等。超声检测不同于其他四大检测技术，具有无污染、无辐射、高能量，以及良好的方向性、穿透性的优点，在无损检测领域受到广泛关注。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1(专利申请号：201310176780.0，《一种焊缝内部缺陷的检测方法和装置》)。

目前能够实现超声的非接触式检测方法主要有：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-空气耦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)，《inspectionofcracksusinglaser-inducedultrasoundwithshadowmethod:modelingandvalidation》)；空气耦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》)。

激光超声技术具有非接触、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。激光超声技术包括激光超声激发技术和激光超声检测技术两方面，前者关注使用激光在材料内激发超声的技术和方法，后者关注使用激光检测在材料内传播超声的技术和方法。目前较为成熟的激光超声检测技术有光偏转技术、泵浦-探针技术、迈克尔逊干涉技术、双波混合干涉技术，以及f-p干涉技术等。这些技术中，前三种检测技术对待测工件表面要求较高，通常需要表面达到镜面反射，后两种检测技术虽然可实现粗糙表面检测，但通常检测系统原理复杂，造价极高。

三、

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种受环境干扰小、设备简单易用、造价低廉的固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法，对沿材料粗糙表面传播的超声扰动实现非接触无损检测，并且实现多种材料粗糙表面声扰动检测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置，包括检测连续激光源、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、固体材料样品、数字微镜阵列、光阑、工业相机ccd、光电探测器、计算机、示波器；其中数字微镜阵列与计算机连接，工业相机ccd连接计算机以获取图像；

所述检测连续激光源发出的检测激光经过第一聚焦透镜照射在固体材料样品表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜聚焦后，照射在数字微镜阵列表面：当数字微镜阵列打开时，反射的散射光斑在微镜阵列表面反射形成多个规则排列的衍射光斑，通过第三聚焦透镜聚焦，并利用光阑选取其中亮度最高的衍射光斑，入射至工业相机ccd光敏面，计算机完成取像；当数字微镜阵列关闭时，向上的反射光经第四聚焦透镜聚焦后，入射至光电探测器的光敏面，转换为电信号在示波器中以波形显示，并传输至计算机记录。

进一步地，所述数字微镜阵列有两个工作位置，一个沿正向翻转设定角度，定义为on，另一个沿负向翻转相同角度，定义为off；所述数字微镜阵列中单个微镜面积需至少小于入射散斑平均面积的1/2。

一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，包括以下步骤：

步骤1、系统初始化，确定工业相机ccd和数字微镜阵列的相对空间关系；

步骤2、检测连续激光源发出的检测激光经过第一聚焦透镜照射在固体材料样品表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜聚焦后，照射在数字微镜阵列表面；

步骤2、将数字微镜阵列打开，反射的散射光斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑选取亮度最高的衍射光斑入射工业相机ccd的光敏面，记录散射光斑图；

步骤3、使用计算机分析散射光斑图位置及亮度变化：分析散射光斑静止时，数字微镜阵列表面散射光斑的亮度变化，将散射光斑亮度增加部分对应的数字微镜阵列关闭，实现所有散射光斑的均分处理；

步骤4、使用第四聚焦透镜搜集关闭的数字微镜阵列反射方向上的所有散射光斑，并入射至光电探测器的光敏面，转换为电信号在示波器中以波形显示，并传输至计算机记录；

步骤5、由声扰动引起的样品表面质点振动转化为散射光斑在数字微镜阵列上的移动，从而引起数字微镜阵列反射光斑的功率变化，最终被光电探测器接收，实现沿粗糙表面传播声扰动的光学检测；

若检测位置固定，则每次检测重复步骤4～5；若检测位置发生移动，则需重复进行步骤2～5。

进一步地，步骤1所述的系统初始化，确定工业相机ccd和数字微镜阵列的相对空间关系，具体如下：

1)检测连续激光源发出的检测激光经过第一聚焦透镜聚焦成点光斑，照射固体材料样品表面的检测位置；

2)样品表面的反射散斑经过第二聚焦透镜聚焦后，完全照射在数字微镜阵列表面，保证数字微镜阵列搜集到完整的反射散斑；

3)将数字微镜阵列的所有微镜打开，经数字微镜阵列的反射散斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑选取亮度最高的衍射光斑入射至工业相机ccd光敏面，使用计算机取像记为figure_0；

4)确定数字微镜阵列中心列在工业相机ccd上的投影位置，将数字微镜阵列正中第n列微镜列的偏转方向设置为关闭，使用计算机获取此时工业相机ccd的图像，记为figure_n；

5)将figure_n与figure_0各对应点信号作差，获得图像dn，然后通过dn计算获得数字微镜阵列正中第n列微镜列在工业相机ccd上的对应位置n列；

6)首先以数字微镜阵列正中第n列微镜列为基准，同时将n-i、n+i列微镜阵列偏转方向设置为关闭，i＝5，然后每隔5列将一列微镜阵列偏转方向设置为关闭，直至微镜阵列边缘；设这些微镜阵列的关闭列为s5序列，通过工业相机ccd获得图像记为figure_s5，再将figure_s5与figure_0各对应点信号作差，获得图像ds5，通过ds5计算获得数字微镜阵列中s5序列各列在工业相机ccd上的对应位置s5序列，最后将关闭的微镜复原至打开；

7)分别设定步骤6)中i＝4,3,2,1，此时微镜阵列的关闭列序列为s4、s3、s2和s1，按步骤6)分别获得数字微镜阵列中s4,s3,s2和s1序列各列在工业相机ccd上的对应位置s4、s3、s2、s1序列，最后将关闭的微镜复原至打开；

8)综合s1、s2、s3、s4和s5序列，获得数字微镜阵列所有列在工业相机ccd上的投影位置；

9)对行操作重复步骤4)～8)，获得数字微镜阵列所有行在工业相机ccd上的投影位置；

10)结合行、列信息，获得数字微镜阵列上所有微镜在工业相机ccd上的投影位置。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)不需要检测样品表面达到镜面级，可以实现固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测；(2)有效地保护了待检测固体材料不受污染，且对待检测固体材料的损伤程度减小到最低，不影响材料的使用性能；(3)可实现多种材料粗糙表面声扰动检测、受环境干扰小、造价低廉；(4)结构简单、体积小，可便携，方便现场检测以及大型待检测设备中的局部检测，且操作简单，非专业人员亦可进行操作。

四、附图说明

图1是本发明固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置的结构示意图。

图2是数字微镜阵列处衍射的光斑示意图。

图3是工业相机ccd接收到的散斑图，其中(a)是当数字微镜阵列处于全打开时工业相机ccd接收到的散斑图，(b)是所有散斑经过均分后工业相机ccd接收到的散斑图。

图4是数字微镜阵列均分散斑的示意图，其中(a)是数字微镜阵列均分散斑的示意图，(b)是声扰动引起散斑移动导致关闭位置反射散斑变化示意图。

图5是检测装置初始化时数字微镜阵列与工业相机ccd对应关系的示意图，(a)是改变数字微镜阵列上一列微镜的偏转方式时的对应关系示意图，(b)是改变数字微镜阵列上每一列微镜的偏转方式时的对应关系示意图，(c)是改变数字微镜阵列上一行微镜的偏转方式时的对应关系示意图，(d)是改变数字微镜阵列上每一行微镜的偏转方式时的对应关系对应图，(e)是所有数字微镜阵列点在工业相机ccd上的实际映射位置示意图。

图6是使用本发明检测装置探测沿铝样品表面传播的超声表面波脉冲信号图。

五、具体实施方式

本发明固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置及方法，在检测沿材料粗糙表面传播的声扰动时，将一束连续检测激光聚焦于样品表面，使用高精度数字微镜阵列搜集并均分反射的散斑光斑。由声扰动引起的样品表面质点振动可转化为散射光斑在高精度数字微镜阵列上的移动，从而引起高精度数字微镜阵列反射光斑的功率变化，最终被光电探测器接收，实现粗糙表面声扰动的光学检测。具体实施装置如下：

一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测装置如图1所示，包括检测连续激光源1、第一聚焦透镜2、第二聚焦透镜3、第三聚焦透镜4、第四聚焦透镜5、固体材料样品6、数字微镜阵列7、光阑8、工业相机ccd9、光电探测器10、计算机11、示波器12；其中数字微镜阵列7与计算机11连接，工业相机ccd9连接计算机11以获取图像；所述检测连续激光源1发出的检测激光经过第一聚焦透镜2照射在固体材料样品6表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜3聚焦后，照射在数字微镜阵列7表面：当数字微镜阵列7打开时，反射的散射光斑在微镜阵列表面反射形成多个规则排列的衍射光斑，通过第三聚焦透镜4聚焦，并利用光阑8选取其中亮度最高的衍射光斑，入射至工业相机ccd9光敏面，计算机11完成取像；当数字微镜阵列7关闭时，向上的反射光经第四聚焦透镜5聚焦后，入射至光电探测器10的光敏面，转换为电信号在示波器12中以波形显示，并传输至计算机11记录。

所述数字微镜阵列7有两个工作位置，一个沿正向翻转设定角度，定义为on，另一个沿负向翻转相同角度，定义为off；所述数字微镜阵列7中单个微镜面积需至少小于入射散斑平均面积的1/2。

检测装置所用数字微镜阵列7的单个微镜面积需至少小于入射散斑平均面积的1/2，尺寸越小对入射散斑的均分效果越好。数字微镜阵列7可自制亦可使用如texasinstruments生产的0.3wvgaseries220dmd芯片(微镜阵列684列*608行，单个微镜面积58.3μm²)。

一种固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测方法，包括以下步骤：

步骤1、系统初始化，确定工业相机ccd9和数字微镜阵列7的相对空间关系；

步骤2、检测连续激光源1发出的检测激光经过第一聚焦透镜2照射在固体材料样品6表面，反射的散射光斑经过第二聚焦透镜3聚焦后，照射在数字微镜阵列7表面；

步骤2、将数字微镜阵列7打开，反射的散射光斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑8选取亮度最高的衍射光斑入射工业相机ccd9的光敏面，记录散射光斑图；

步骤3、使用计算机分析散射光斑图位置及亮度变化：分析散射光斑静止时，数字微镜阵列7表面散射光斑的亮度变化，将散射光斑亮度增加部分对应的数字微镜阵列7关闭，实现所有散射光斑的均分处理；

步骤4、使用第四聚焦透镜5搜集关闭的数字微镜阵列7反射方向上的所有散射光斑，并入射至光电探测器10的光敏面，转换为电信号在示波器12中以波形显示，并传输至计算机11记录；

步骤5、由声扰动引起的样品表面质点振动转化为散射光斑在数字微镜阵列7上的移动，从而引起数字微镜阵列7反射光斑的功率变化，最终被光电探测器10接收，实现沿粗糙表面传播声扰动的光学检测；

若检测位置固定，则每次检测重复步骤4～5；若检测位置发生移动，则需重复进行步骤2～5。

步骤1所述的系统初始化，确定工业相机ccd9和数字微镜阵列7的相对空间关系，具体如下：

1)检测连续激光源1发出的检测激光经过第一聚焦透镜2聚焦成点光斑，照射固体材料样品6表面的检测位置；

2)样品表面的反射散斑经过第二聚焦透镜3聚焦后，完全照射在数字微镜阵列7表面，保证数字微镜阵列7搜集到完整的反射散斑；

3)将数字微镜阵列7的所有微镜打开，经数字微镜阵列7的反射散斑形成规则排列的多个衍射光斑，使用光阑8选取亮度最高的衍射光斑入射至工业相机ccd9光敏面，使用计算机11取像记为figure_0；

将高精度数字微镜阵列7的所有微镜置于“on”位置，经高精度数字微镜阵列7反射的光斑形成规则排列的多个衍射光斑，如图2所示，使用光阑8选取亮度最高的光斑入射工业相机ccd9光敏面，使用计算机取像，记为figure_0，如图3所示，其中(a)是当数字微镜阵列处于全打开时工业相机ccd接收到的散斑图，(b)是所有散斑经过均分后工业相机ccd接收到的散斑图；

4)确定数字微镜阵列7中心列在工业相机ccd9上的投影位置，将数字微镜阵列7正中第n列微镜列的偏转方向设置为关闭，使用计算机11获取此时工业相机ccd9的图像，记为figure_n；

结合图4，确定高精度数字微镜阵列7中心列在工业相机ccd9上的投影位置，将高精度数字微镜阵列7正中第n列微镜列的偏转方向变为“off”，使用计算机获取此时工业相机ccd9的图像，记为figure_n；其中图4(a)是数字微镜阵列均分散斑的示意图，图4(b)是声扰动引起散斑移动导致关闭位置反射散斑变化示意图

5)将figure_n与figure_0各对应点信号作差，获得图像dn，然后通过dn计算获得数字微镜阵列7正中第n列微镜列在工业相机ccd9上的对应位置n列，如图5(a)所示；

6)首先以数字微镜阵列7正中第n列微镜列为基准，同时将n-i、n+i列微镜阵列偏转方向设置为关闭，i＝5，然后每隔5列将一列微镜阵列偏转方向设置为关闭，直至微镜阵列边缘；设这些微镜阵列的关闭列为s5序列，通过工业相机ccd9获得图像记为figure_s5，再将figure_s5与figure_0各对应点信号作差，获得图像ds5，通过ds5计算获得数字微镜阵列7中s5序列各列在工业相机ccd9上的对应位置s5序列，最后将关闭的微镜复原至打开；

7)分别设定步骤6)中i＝4,3,2,1，此时微镜阵列的关闭列序列为s4、s3、s2和s1，按步骤6)分别获得数字微镜阵列7中s4,s3,s2和s1序列各列在工业相机ccd9上的对应位置s4、s3、s2、s1序列，最后将关闭的微镜复原至打开，如图5(b)所示；

8)综合s1、s2、s3、s4和s5序列，获得数字微镜阵列7所有列在工业相机ccd9上的投影位置，如图5(c)、图5(d)所示；

9)对行操作重复步骤4)～8)，获得数字微镜阵列7所有行在工业相机ccd9上的投影位置，如图5(e)所示；

10)结合行、列信息，获得数字微镜阵列7上所有微镜在工业相机ccd9上的投影位置。

实施例1

1.选取的被测材料为一铝板，规格为200mm×100mm×1.94mm(长*宽*厚)，表面未经任何处理，使用传统光偏转手段难以实现对在固体材料表面传播的超声实现光学检测；

2.首先对检测系统进行初始化：

所用检测装置如图1所示，检测连续激光源1发射的检测光经第一聚焦透镜2聚焦成点光斑照射在铝样品6的表面，反射散斑光斑经过第二聚焦透镜3聚焦成合适大小，保证高精度数字微镜阵列7搜集到完整反射光斑。将高精度数字微镜阵列7所有微镜置于“on”位置，反射光斑在其微镜阵列表面反射形成多个规则排列的衍射光斑。如图2所示，通过第三聚焦透镜4并利用光阑8选取其中亮度最高的光斑入射工业相机ccd9光敏面，如图2所示，计算机11完成取像并记为figure_0，如图3(a)所示。将高精度数字微镜阵列7正中(记为第n列)微镜列的偏转方向变为“off”，使用计算机11获得此时工业相机ccd9的图像，记为figure_n，从而确定高精度数字微镜阵列7中心列在工业相机ccd9上的投影位置。将figure_n与figure_0各对应点信号作差，获得图像记为dn，然后通过dn计算获得高精度数字微镜阵列7正中第n列在工业相机ccd9上的对应位置n列，如图5(a)所示。以高精度数字微镜阵列7正中第n列为基准，同时将其上、下方i＝5列后一列微镜阵列偏转方向设置为“off”，后每隔5列将一列微镜阵列偏转方向设置为“off”，直至微镜阵列边缘，设这些翻转列为s5序列，通过工业相机ccd9获得图像记为figure_s5，再将figure_s5与figure_0各对应点信号作差，获得图像记为ds5，通过ds5计算获得高精度数字微镜阵列7中s5序列各列在工业相机ccd9上的对应位置s5序列，再将翻转的微镜复原至“on”。然后分别设定i＝4，3，2，1列；其他不变，分别设此时翻转列序列为s4、s3、s2和s1，按上述流程分别获得dmd7阵列中s4,s3,s2和s1序列各列在工业相机ccd9上的对应位置s4、s3、s2、s1序列，最后将翻转的微镜复原至“on”。综合s1、s2、s3、s4，和s5，获得高精度数字微镜阵列7所有列在工业相机ccd9上的投影位置，如图5(b)所示。对行操作重复以上步骤，获得高精度数字微镜阵列7所有行在工业相机ccd9上的投影位置，如图5(c)、图5(d)所示。最后结合行、列信息，获得高精度数字微镜阵列7上所有微镜在工业相机ccd9上的投影位置，如图5(e)所示。

3.初始化完成后，使用本发明检测方法对粗糙表面声扰动进行检测：

使用nd:yag激光器发出的脉冲激光(输出波长λ＝1064nm，时域脉宽τ＝7ns，重复频率f＝10hz)作为超声激发源。脉冲激发光被柱面镜聚焦成为宽度～80μm，长度约6mm的线激光源，经过衰减辐照于铝材料表面中心，以微弱的融蚀机制激发超声波。开启检测连续激光源1，检测激光通过第一聚焦透镜2聚焦在固体材料样品6表面距离激发光源～20mm远处，且保证检测采样时间范围内不会探测到由材料边缘反射的声波。反射散斑光斑经过第二聚焦透镜3聚焦成合适大小，使其完全照射在高精度数字微镜阵列7微镜阵列表面。首先将所有高精度数字微镜阵列7微镜翻转至“on”工作位置，反射的光斑形成规则排列的多个衍射光斑，通过第三聚焦透镜4并使用光阑8选取亮度最高的光斑入射工业相机ccd9光敏面，如图2所示，记录散斑图，如图3(a)所示；第二步通过计算机11分析散斑图位置及亮度，声扰动会引起dmd微镜阵列表面散射光斑沿一定方向移动，分析散射光斑静止时沿该方向的亮度变化，将散斑亮度增加部分对应的dmd微镜旋转到“off”位置，实现所有散斑亮斑的均分处理，如图4(a)所示，此时工业相机ccd9光敏面接收到的图像如图3(b)所示；第三步通过第四聚焦透镜5搜集沿dmd“off”反射方向上所有光斑并入射光电探测器8光敏面，完成光电信号的转换，并在示波器12上显示，数据结果输入计算机11并记录。由声扰动引起的样品表面质点振动可转化为散射光斑在dmd上的移动，从而引起dmd反射光斑的功率变化，如图4(b)所示，最终被光电探测器8接收，实现沿粗糙表面传播声扰动的光学检测，所检测到的声表面波信号如图6所示。

综上所述，本发明不需要检测样品表面达到镜面级，可以实现固体材料粗糙表面声扰动的光学非接触检测；有效地保护了待检测固体材料不受污染，且对待检测固体材料的损伤程度减小到最低，不影响材料的使用性能。