一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置，方法包括：將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區(qū)域；確定待檢對象的檢測區(qū)域；在待檢對象上選取某一點作為激光干涉儀接收超聲波聲信號的接收點；脈沖激光器對檢測區(qū)域中的每個點依次發(fā)射脈沖激光，從而在每個點激發(fā)超聲波，同時激光干涉儀在接收點接收超聲波聲信號，并存儲于計算機中；根據(jù)互易定理，得到脈沖激光器激發(fā)接收點傳播到檢測區(qū)域中所有點的聲信號；通過計算機得到的各個點的聲信號與其所在檢測區(qū)域模型中的位置相對應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明突破了傳統(tǒng)超聲探頭需接觸待檢對象的瓶頸，實現(xiàn)現(xiàn)場無損檢測，具有檢測分辨率、帶寬及靈敏度高等優(yōu)點。
【專利說明】一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光超聲檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類生活水平的不斷提高，對環(huán)境、出行及工業(yè)產(chǎn)品的安全要求越來越高，如何防止核電的泄露、飛行器的空難、高溫高壓設(shè)備的爆炸等災(zāi)難性事故的發(fā)生是反映一個國家的工業(yè)水平及管理能力的綜合指標(biāo)，而超聲無損檢測因其適用范圍廣、穿透能力強、分辨率高、檢測成本低以及對人無害是國家工業(yè)進(jìn)步必不可少的有效工具之一。運用計算機圖像處理技術(shù)，將超聲無損檢測的聲場數(shù)據(jù)以形象、直觀的形式呈現(xiàn)出來的聲場可視化方法可以方便現(xiàn)場工作人員的判斷，提高安檢的可靠性和效率，是目前超聲無損檢測技術(shù)的一個發(fā)展方向。
[0003]目前常用的超聲場可視化方法是利用聲場引起透明媒質(zhì)光折射率的變化而實現(xiàn)聲場可視化的動態(tài)光彈技術(shù)，由光源、聲源、聲光延時同步控制及CCD圖像采集系統(tǒng)組成，它對透明介質(zhì)中的聲場進(jìn)行無干擾、快速成像。該技術(shù)主要應(yīng)用于撞擊應(yīng)力和動應(yīng)力集中的觀察、應(yīng)力波和聲波的傳播規(guī)律研究、地震波在透明地球物理模型中傳播規(guī)律研究、斷裂力學(xué)中裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究。但受透光性的限制，動態(tài)光彈法不能用來觀察不透明介質(zhì)中的超聲場。另外超聲探頭需與試樣接觸或是浸入液體中來產(chǎn)生超聲場，不適合有彎曲表面及空間受限不能與傳感器接觸的試樣。
[0004]目前超聲無損檢測大多采用壓電換能器來實現(xiàn)超聲的激發(fā)和接收，需要被檢試樣與其接觸或浸泡在水中，很難實現(xiàn)實時在線檢測，更不能適用高溫、輻射、彎曲下的構(gòu)件。而由激光脈沖產(chǎn)生超聲并由激光干涉儀檢測的激光超聲檢測技術(shù)可非接觸地實現(xiàn)超聲的激發(fā)和接收，而且靈敏度高、時空分辨率好，已在實驗室用于細(xì)觀及納觀結(jié)構(gòu)材料的聲、光、熱特性的研究，也用于大型飛機構(gòu)件、高溫鋼管等傳統(tǒng)超聲無法接觸的在線無損檢測。但目前的激光超聲檢測系統(tǒng)大多用到高功率激光，系統(tǒng)復(fù)雜龐大，而且系統(tǒng)昂貴，使用和維護(hù)成本高，還沒有低成本且便攜式的系統(tǒng)，因此還沒有在工業(yè)中得到廣泛使用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007](I)將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區(qū)域；
[0008](2)確定待檢對象的檢測區(qū)域，通過計算機將該檢測區(qū)域建立為由行列交叉的點陣表示的模型；
[0009](3)在待檢對象上選取某一點作為激光干涉儀接收超聲波聲信號的接收點；[0010](4)脈沖激光器從檢測區(qū)域的某個點開始，對檢測區(qū)域中的每個點依次發(fā)射脈沖激光，從而在每個點激發(fā)超聲波，與此同時，激光干涉儀在接收點接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后存儲于計算機中；
[0011](5)根據(jù)互易定理，得到脈沖激光器激發(fā)接收點傳播到檢測區(qū)域中所有點的聲信號;
[0012](6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在檢測區(qū)域模型中的位置相對應(yīng)，并利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現(xiàn)待檢對象的缺陷情況。
[0013]所述的待檢對象包括金屬、陶瓷或復(fù)合材料。
[0014]一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特征在于，包括信號控制與處理箱、振鏡掃描頭及激光干涉儀，所述的信號控制與處理箱包括脈沖激光器、振鏡控制卡、信號采集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭包括激光通道、干涉儀通道及振鏡；
[0015]所述的脈沖激光器發(fā)射激光，該激光通過激光通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調(diào)節(jié)振鏡的反射鏡角度，對待檢對象的檢測區(qū)域進(jìn)行掃描；
[0016]所述的激光在待檢對象上激發(fā)產(chǎn)生超聲波，該超聲波信號經(jīng)由干涉儀通道被所述的激光干涉儀同步接收，之后傳輸給所述的信號采集卡，再經(jīng)過所述的計算機進(jìn)行分析處理得到待檢對象的缺陷情況。
[0017]所述的振鏡是由X、Y方向的旋轉(zhuǎn)小鏡組成。
[0018]所述的振鏡掃描頭的掃描視角為+20°，掃描頻率可達(dá)為1kHz。
[0019]所述的圖像包括A型掃描顯示(簡稱A掃)圖、B型掃描顯示(簡稱B掃)圖及最大振幅圖。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021 ] 1、不僅突破了傳統(tǒng)超聲探頭需接觸待檢對象的瓶頸，而且可快速得到超聲在不透明材料中傳播的聲場，檢測分辨率、帶寬及靈敏度高，可應(yīng)用于不適合接觸的極端環(huán)境，實現(xiàn)現(xiàn)場無損檢測；
[0022]2、裝置各個部分均可攜帶，適合應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場檢測；
[0023]3、通過計算機建模，方便現(xiàn)場工作人員直觀判斷缺陷存在而產(chǎn)生的聲場擾動，提高安檢的可靠性和效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例薄鋁板的檢測區(qū)域模型圖；
[0026]圖3實施例中本發(fā)明裝置對含有人工缺陷的鋁板進(jìn)行掃描檢測后得到的聲信號圖像:(a)A掃圖，(b)B掃圖，(C)最大振幅圖；
[0027]圖4為實施例中聲波在掃描區(qū)域內(nèi)傳播時的動畫截圖，a為聲波經(jīng)過缺陷前聲場(t = 12.2 μ s), b為聲波經(jīng)過缺陷時聲場(t = 14.3 μ s), c為聲波經(jīng)過缺陷時聲場(t =15.5 μ s)，d為聲波經(jīng)過缺陷后聲場(t = 16.4 μ s)。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。[0029]如圖1所示，一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特征在于，包括信號控制與處理箱1、振鏡掃描頭2及激光干涉儀3，所述的信號控制與處理箱I包括脈沖激光器、振鏡控制卡、信號采集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭2包括激光通道、干涉儀通道及振鏡；所述的脈沖激光器發(fā)射激光，該激光通過激光通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調(diào)節(jié)振鏡的反射鏡角度，對待檢對象Q的檢測區(qū)域進(jìn)行掃描；所述的激光在待檢對象Q上激發(fā)產(chǎn)生超聲波，該超聲波信號經(jīng)由干涉儀通道被所述的激光干涉儀3同步接收，之后傳輸給所述的信號采集卡，再經(jīng)過所述的計算機進(jìn)行分析處理得到待檢對象Q的缺陷情況。所述的待檢對象Q包括金屬、陶瓷或復(fù)合材料。所述的振鏡掃描頭2的掃描視角為±20°，掃描頻率為100Hz。所述的圖像包括A掃圖、B掃圖及最大振幅圖。
[0030]實施例:本例為厚度為0.2mm的薄招板表面缺陷檢測,具體檢測步驟為:
[0031](I)將薄鋁板置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區(qū)域；
[0032](2)通過振鏡掃描頭的紅光標(biāo)示，確定薄鋁板的檢測區(qū)域S，通過計算機將該檢測區(qū)域S建立為由行列交叉的點陣M表示的模型，再根據(jù)檢測需求，通過計算機中聲場可視化軟件設(shè)置點陣M的行列數(shù)，以獲取足夠的空間分辨率，如圖2所示；
[0033](3)在薄鋁板上選取某一點作為激光干涉儀接收超聲波聲信號的接收點P ；
[0034](4)脈沖激光器從檢測區(qū)域S的某個點開始，對檢測區(qū)域S中的每個點依次發(fā)射脈沖激光，從而在每個點激發(fā)超聲波，與此同時，激光干涉儀在接收點P接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后存儲于計算機中；
[0035](5)經(jīng)過步驟(4)后，脈沖激光器激發(fā)檢測區(qū)域S中所有點傳播到接收點P的聲信號被依次記錄下來，根據(jù)互易定理，得到脈沖激光器激發(fā)接收點P傳播到檢測區(qū)域S中所有點的聲信號；
[0036](6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在點陣M中的位置相對應(yīng)，并利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現(xiàn)待檢對象的缺陷情況。
[0037]如圖3所示為本發(fā)明裝置對含有人工缺陷(直徑1.5mm深度1.5mm盲孔)的鋁板(厚2_)試樣進(jìn)行檢測得到的聲信號A掃圖、B掃圖和最大振幅圖。由A掃圖可以看到各點陣M的聲波隨時間變化的幅度信息即射頻信號；B掃圖可以看到聲波隨水平位置點陣M變化的幅度信息；最大振幅圖上可以看到掃描區(qū)域內(nèi)各點陣M聲波最大幅度信息，圖中圓形黑線區(qū)域為直徑1.5mm的人工缺陷。圖4為聲波在掃描區(qū)域內(nèi)傳播時的動畫截圖，可以清楚看到聲波與人工缺陷作用的情況。圖中圓形黑線區(qū)域為直徑1.5mm的人工缺陷。
[0038]本發(fā)明的裝置采用脈沖激光器和便攜式激光干涉儀結(jié)合實現(xiàn)激光超聲場的可視化檢測，基于聲場互易性實現(xiàn)聲場的快速非接觸實時顯示，可直觀判斷超聲場中是否存在由缺陷引起的異常散射，并能進(jìn)行進(jìn)一步的定量檢測分析評價。本裝置不僅適用于實驗室復(fù)雜結(jié)構(gòu)超聲場及與缺陷相互作用規(guī)律的研究，而且適用于工業(yè)現(xiàn)場的材料結(jié)構(gòu)的超聲無損檢測，可非接觸、實時快速得到材料無損檢測的A掃圖、B掃圖、最大振幅圖及超聲傳播的動畫圖。
【權(quán)利要求】
1.一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區(qū)域； (2)確定待檢對象的檢測區(qū)域，通過計算機將該檢測區(qū)域建立為由行列交叉的點陣表示的模型； (3)在待檢對象上選取某一點作為激光干涉儀接收超聲波聲信號的接收點； (4)脈沖激光器從檢測區(qū)域的某個點開始，對檢測區(qū)域中的每個點依次發(fā)射脈沖激光，從而在每個點激發(fā)超聲波，與此同時，激光干涉儀在接收點接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后存儲于計算機中； (5)根據(jù)互易定理，得到脈沖激光器激發(fā)接收點傳播到檢測區(qū)域中所有點的聲信號； (6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在檢測區(qū)域模型中的位置相對應(yīng)，并利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現(xiàn)待檢對象的缺陷情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特征在于，所述的待檢對象包括金屬、陶瓷或復(fù)合材料。
3.一種實施如權(quán)利要求2所述的用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法的裝置，其特征在于，包括信號控制與處理箱、振鏡掃描頭及激光干涉儀，所述的信號控制與處理箱包括脈沖激光器、振鏡控制卡、信號采集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭包括激光通道、干涉儀通道及振鏡； 所述的脈沖激光器發(fā)射激光，該激光通過激光通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調(diào)節(jié)振鏡的反射鏡角度，對待檢對象的檢測區(qū)域進(jìn)行掃描； 所述的激光在待檢對象上激發(fā)產(chǎn)生超聲波，該超聲波信號經(jīng)由干涉儀通道被所述的激光干涉儀同步接收，之后傳輸給所述的信號采集卡，再經(jīng)過所述的計算機進(jìn)行分析處理得到待檢對象的缺陷情況。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特征在于，所述的振鏡是由X、Y方向的旋轉(zhuǎn)小鏡組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特征在于，所述的振鏡掃描頭的掃描視角為±20°，掃描頻率可達(dá)1kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特征在于，所述的圖像包括A型掃描顯示、B型掃描顯示及最大振幅圖。
【文檔編號】G01N29/06GK103713048SQ201310669619
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】潘永東, 李立兵, 劉磊, 陳亙, 凌松 申請人:同濟(jì)大學(xué)