CN108871640B - 基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统和方法 - Google Patents

基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统和方法，脉冲激光器产生的激光束经相位光栅分束器和成像透镜后形成以一定角度交叉的两束激光照射在被测试样表面产生固定周期λ的干涉条纹，在周期热弹力作用下在试样表面激发出波长为λ的两沿相反方向传播的相干表面波；然后采用激光干涉仪在激励位置接收所产生的表面波信号，对被接收的信号进行傅立叶变换获得其中心频率f，并根据公式c＝f*λ计算出被测位置表面波的传播速度c；最后获得不同应力情况下表面波波速相对于无应力情况下表面波波速的相对变化量，得到表面波波速相对变化量与应力间的线性关系，基于该线性关系，通过上述方法测量在未知应力状态的试样表面传播的表面波的波速来确定试样表面的应力大小。

Description

基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统和 方法
技术领域
本发明涉及残余应力的无损检测方法，具体涉及一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测方法。
背景技术
机械系统中一些重要结构在加工装配和运行过程中受到过大载荷作用下，容易在结构表面及内部产生残余应力和应变等微观损伤。这些微观损伤的存在不但会大幅度降低结构的机械性能，还容易在结构中引发应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等宏观损伤，对机械结构的安全产生极大的隐患。
目前应用于残余应力测量方法可以分为有损和无损两大类。有损测试方法就是指应力释放法，目前主要是通过钻孔法(盲孔法)，通过在残余应力区域钻孔，使用电阻应变片测量孔周围释放的应变来确定残余应力的大小。该方法可靠性好、技术成熟，但会对工件造成一定的损伤甚至破坏。无损检测方法目前主要有X射线衍射法、中子衍射法、磁性法和超声法等。其中X射线衍射法是目前应用最多无损检测方法，具有检测精度高、空间分辨率好，并以无接触的方式测量等优点。但该方法对试件表面粗糙度要求较高，一般检测前需要对表面进行预处理；此外由于X射线对材料有效穿透深度的限制，只能测量到试样表面几微米到几十微米深度内的残余应力。中子衍射法相比于X射线法具有较大的穿透深度，但该方法需要庞大且昂贵的中子射线源，限制了其应用范围。磁性法主要通过测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力/的大小，但由于材料磁性参数与应力不存在线性关系，使其对残余应力的精确定量测量比较困难、且可靠性比较差、空间分辨率较低，目前应用还比较少。
超声法是目前除X射线法之外测量残余应力的最常用无损检测方法。根据声弹性理论，超声波传播速度的相对变化量和超声瑞利波的偏振极化相对变化量均与残余应力的大小存在线性关系。但超声法目前主用是通过采用压电或电磁超声探头脉冲回波或者一发一收的方式，根据超声波在一定传播路径上所经历的时间计算其波速，通过波速的相对变化量来确定应力的大小和方向。其具有操作简单、适用性好，既可对工件表面也可对试件内部进行测量等优点。但由于探头尺寸、耦合剂等因素的影响，存在检测灵敏度低，测得的应力是某一较大区域的平均值、空间分辨率低，无法测量应力集中等缺点。
发明内容
为了解决目前超声残余应力检测方法精度较低、空间分辨率差等主要缺点，本发明的目的在于提出一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统及方法。该系统由脉冲激光器、相位光栅分束器、成像透镜、二色镜、激光干涉仪和信号采集、处理单元构成。其检测方法为脉冲激光器产生的激光束经相位光栅分束器和成像透镜后形成以一定角度交叉的两束激光照射在被测试样表面产生固定周期λ的干涉条纹，在周期热弹力作用下在试样表面激发出波长为λ的两沿相反方向传播的相干表面波；然后采用激光干涉仪在激励位置接收所产生的表面波信号，对被接收的信号进行傅立叶变换获得其中心频率f，并根据公式c＝f×λ计算出被测位置表面波的传播速度c；进行在线加载测量实验，获得不同应力情况下表面波波速相对于无应力情况下表面波波速的相对变化量，得到表面波波速相对变化量与应力间的线性关系，基于这一线性关系，最终可通过上述方法测量在未知应力状态的试样表面传播的表面波的波速来确定试样表面的应力大小。该方法相对于传统的超声测量方法，具有远距离、非接触、可达性好、空间分辨率高、检测精度高和可靠性好等显著优点，能够大幅度提高残余应力超声检测技术的检测能力和应用范围。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，该系统包括脉冲激光器1、反射镜3、相位光栅分束器4、成像透镜7、二色镜9、激光干涉仪13以及信号采集和处理单元16；所述反射镜3的放置位置使得脉冲激光器1产生的脉冲激光束2经反射镜3反射后垂直入射到相位光栅分束器4上，相位光栅分束器4的激光束出射端依次放置有成像透镜7、二色镜9和试件11，相位光栅分束器4形成的第一子激光束5和第二子激光束6经成像透镜7和二色镜9后在试件11表面交叉汇聚形成干涉条纹12；激光干涉仪13的放置位置使得其发出的聚焦激光束14经二色镜9反射后聚焦到试件11表面的干涉条纹12中心处形成圆形光点15；所述激光干涉仪13与信号采集和处理单元16连接；脉冲激光器1产生的激光束2经反射镜3垂直入射到相位光栅分束器4上，形成两束夹角为2θ、能量相同的子激光束即第一子激光束5和第二子激光束6；两子激光束经成像透镜7和二色镜9后以一定夹角汇聚在试件11表面发生干涉，形成固定周期λ的干涉条纹12，在周期热弹力作用下在试样11表面激发出波长为λ的两个沿相反方向传播的相干表面波；采用激光干涉仪13作为表面波信号检测单元，激光干涉仪13所发出的聚焦激光束14与脉冲激光器2发出的激光具有不同的波长，聚焦激光束14经二色镜9反射后聚焦到试件11表面干涉条纹12中心处形成圆形光点15；最后信号采集和处理单元16对激光干涉仪13接收到的超声信号进行记录和处理。
所述脉冲激光器1发射的脉冲激光束2为纳秒级脉冲激光，用于超声波的激发。
所述相位光栅分束器4为正负一级相位光栅，其周期为d，用于将脉冲激光束2分束成两束夹角为2θ、能量相同的子激光束。
所述相位光栅分束器4与成像透镜7固定在一圆形镜筒8中，其间距u为物距，大于成像透镜7的焦距F。
所述二色镜9固定于45度圆筒形安装座10上，圆形镜筒8与45度圆筒形安装座10通过螺纹连接，圆形镜筒8可通过螺纹沿轴线方向移动。
所述的无损检测系统基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测方法，包括如下步骤：
步骤1：首先准备与被测构件材料相同、无残余应力试件11，将试件11固定于单轴拉伸加载实验机上；
步骤2：将两交叉的第一子激光束5和第二子激光束6照射到试件11上，圆形镜筒8的轴线垂直于试件11表面，调整圆形镜筒8与试件11之间的距离v，直至激光束在试件11表面形成一轮廓清晰的圆斑，根据透镜成像定律
Figure GDA0002306848930000051
计算此时的物距u；
步骤3：根据激光诱导瞬态光栅的基本原理，确定圆斑内部干涉条纹12的周期(即激发激光超声表面波的波长)
Figure GDA0002306848930000052
其中M为成像透镜的放大比例，M＝v：u；
步骤4：调节激光干涉仪13镜头，使激光干涉仪13发出的聚焦激光束14聚焦到试件11表面圆斑处，接收激光超声表面波信号；
步骤5：信号采集和处理单元16对激光干涉仪13接收到的激光超声表面波信号进行采集和快速傅立叶变换，获取其频谱，根据其频谱得到其中心频率f0，并根据公式c0＝f0×λ计算无应力状态下的激光超声表面波波速c0；
步骤6：对试件11进行拉伸加载，测量不同应力状态下的激光超声表面波信号，重复步骤5，获取不同应力状态下的激光超声表面波波速c，并计算其相对变化量Δc/c0，其中Δc＝c-c0为存在应力试件中的表面波波速与无应力试件中的表面波波速之差，最后采用线性拟合得到Δc/c0与相对应的应力σ之间的线性关系：Δc/c0＝kσ，k为求得的声弹性系数；
步骤7：采用上述系统，按照步骤2-4对未知应力状态的残余应力试件进行测量，获取表面波的波速cr，根据步骤6获得的声弹性系数，即可求得被测试件表面残余应力大小为：
Figure GDA0002306848930000061
本发明通过激光诱导瞬态光栅激发已知波长的窄带相干表面波，并通过频谱分析来确定其波速，和传统时程波速测量方法法相比，这一方法具有更高的灵敏度和空间分辨率，更高的抗噪声能力，并且可对某一微小区域的应力集中进行测量。
附图说明
图1为基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统的示意图。
图2为瞬态光栅激光超声表面波激发原理。
图3为激光干涉仪测量被测点处激光超声表面波信号波形。
图4为所测激光超声表面波信号频谱。
图5为激光超声表面波波速相对变化量与残余应间的线性关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，该系统包括脉冲激光器1、反射镜3、相位光栅分束器4、成像透镜7、二色镜9、圆形镜筒8、45度圆筒形安装座10、激光干涉仪13以及信号采集和处理单元16；所述反射镜3的放置位置使得脉冲激光器1产生的脉冲激光束2经反射镜3反射后垂直入射到相位光栅分束器4上，相位光栅分束器4的子激光束出射端依次放置有成像透镜7、二色镜9和试件11，相位光栅分束器4形成的第一子激光束5和第二子激光束6经成像透镜7和二色镜9后在试件11表面形成干涉条纹12；激光干涉仪13的放置位置使得其发出的聚焦激光束14经二色镜9反射后聚焦到试件11表面的干涉条纹12中心处形成圆形光点15；所述激光干涉仪13与信号采集和处理单元16连接；脉冲激光器1产生的激光束2经反射镜3垂直入射到相位光栅分束器4上，形成两束夹角为2θ、能量相同的子激光束5、6；两子激光束即第一子激光束5和第二子激光束6经成像透镜7和二色镜9后以一定夹角汇聚在试件11表面发生干涉，形成固定周期λ的干涉条纹12，在周期热弹力作用下在试样11表面激发出波长为λ的两个沿相反方向传播的相干表面波；采用激光干涉仪13作为表面波信号检测单元，激光干涉仪13所发出的聚焦激光束14与脉冲激光器2发出的激光具有不同的波长，聚焦激光束14经二色镜9反射后聚焦到试件11表面干涉条纹12中心处形成圆形光点15；最后信号采集和处理单元16对激光干涉仪13接收到的超声信号进行记录和处理。
作为本发明的优选实施方式，所述脉冲激光器1发射的脉冲激光束2为纳秒级脉冲激光，用于超声波的激发。
作为本发明的优选实施方式，所述相位光栅分束器4为正负一级相位光栅，其周期为d，用于将脉冲激光束2分束成两束夹角为2θ、能量相同的子激光束。
所述相位光栅分束器4与成像透镜7固定在一圆形镜筒8中，其间距u为物距，应大于该透镜的焦距F。
所述二色镜9固定于45度圆筒形安装座10上，圆形镜筒8与45度圆筒形安装座10通过螺纹连接，圆形镜筒8可通过螺纹沿轴线方向移动。
本发明方法的检测原理为：脉冲激光器1产生的激光束2经相位光栅分束器4和成像透镜7后形成两束以一定角度交叉、能量相同的两个子激光束5、6照射在被测试样表面产生固定周期λ的干涉条纹12，在周期热弹力作用下在试样表面激发出波长为λ的两沿相反方向传播的相干表面波；然后采用激光干涉仪13在激励位置接收所产生的表面波信号，对被接收的信号进行傅立叶变换获得其中心频率f，并根据公式c＝f×λ计算出被测位置表面波的传播速度c；最后获得不同应力情况下表面波波速相对于无应力情况下表面波波速的相对变化量，得到表面波波速相对变化量与应力间的线性关系，基于这一线性关系，最终可通过上述方法测量在未知应力状态的试样表面传播的表面波的波速来确定试样表面的应力大小。
下面结合图1、图2、图3、图4、图5和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：首先准备与被测构件材料相同、无残余应力试件11，将试件11固定于单轴拉伸加载实验机上；
步骤2：将两交叉的第一子激光束5和第二子激光束6照射到试件11上，圆形镜筒8的轴线垂直于试件表面，调整圆形镜筒8与试件11之间的距离v，直至激光束在试件11表面形成一轮廓清晰的圆斑，此时基于激光诱导瞬态光栅原理，圆斑内部形成周期为λ的明显相间的干涉条纹12，在周期热弹力作用下在试样11表面激发出波长为λ的两沿相反方向传播的相干表面波，如图2所示，然后根据透镜成像定律
Figure GDA0002306848930000091
计算此时的物距u；
步骤3：根据激光诱导瞬态光栅的基本原理，确定圆斑内部干涉条纹12的周期(即激发激光超声表面波的波长)
Figure GDA0002306848930000092
其中M为成像透镜7的放大比例，M＝v：u；
步骤4：调节激光干涉仪13镜头，使激光干涉仪13发出的聚焦激光束14聚焦到试件11表面圆斑处，接收激光超声表面波信号，如图3所示；
步骤5：对接收到的激光超声表面波信号进行采集和快速傅立叶变换，获取其频谱，如图4所示，根据其频谱得到其中心频率f，并根据公式c0＝f0×λ计算无应力状态下的激光超声表面波波速c0；
步骤6：对试件11进行拉伸加载，测量不同应力状态下的激光超声表面波信号，重复步骤5，获取不同应力状态下的激光超声表面波波速c，并计算其相对变化量Δc/c0，其中Δc＝c-c0为存在应力试件中的表面波波速与无应力试件中的表面波波速之差，最后采用线性拟合得到Δc/c0与相对应的应力σ之间的线性关系：Δc/c0＝kσ，k为求得的声弹性系数，如图5所示；
步骤7：采用上述系统，按照步骤2-4对未知应力状态的残余应力试件进行测量，获取表面波的波速cr，根据步骤6获得的声弹性系数，即可求得被测试件表面残余应力大小为：
Figure GDA0002306848930000101

Claims (6)

1.一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，其特征在于：该系统包括脉冲激光器(1)、反射镜(3)、相位光栅分束器(4)、成像透镜(7)、二色镜(9)、激光干涉仪(13)以及信号采集和处理单元(16)；所述反射镜(3)的放置位置使得脉冲激光器(1)产生的脉冲激光束(2)经反射镜(3)反射后垂直入射到相位光栅分束器(4)上，相位光栅分束器(4)的激光束出射端依次放置有成像透镜(7)、二色镜(9)和试件(11)，相位光栅分束器(4)形成的第一子激光束(5)和第二子激光束(6)经成像透镜(7)和二色镜(9)后在试件(11)表面交叉汇聚形成干涉条纹(12)；激光干涉仪(13)的放置位置使得其发出的聚焦激光束(14)经二色镜(9)反射后聚焦到试件(11)表面的干涉条纹(12)中心处形成圆形光点(15)；所述激光干涉仪(13)与信号采集和处理单元(16)连接；脉冲激光器(1)产生的激光束(2)经反射镜(3)垂直入射到相位光栅分束器(4)上，两子激光束经成像透镜(7)和二色镜(9)后以一定夹角汇聚在试件(11)表面发生干涉，形成固定周期λ的干涉条纹(12)，在周期热弹力作用下在试样(11)表面激发出波长为λ的两个沿相反方向传播的相干表面波；采用激光干涉仪(13)作为表面波信号检测单元，激光干涉仪(13)所发出的聚焦激光束(14)与脉冲激光器(2)发出的激光具有不同的波长，聚焦激光束(14)经二色镜(9)反射后聚焦到试件(11)表面干涉条纹(12)中心处形成圆形光点(15)；最后信号采集和处理单元(16)对激光干涉仪(13)接收到的超声信号进行记录和处理。
2.根据权利要求书1所述的一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，其特征在于：所述脉冲激光器(1)发射的脉冲激光束(2)为纳秒级脉冲激光，用于超声波的激发。
3.根据权利要求书1所述的一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，其特征在于：所述相位光栅分束器(4)为正负一级相位光栅，其周期为d，用于将脉冲激光束(2)分束成两束夹角为2θ、能量相同的子激光束。
4.根据权利要求书1所述的一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，其特征在于：所述相位光栅分束器(4)与成像透镜(7)固定在一圆形镜筒(8)中，其间距u为物距，大于成像透镜(7)的焦距F。
5.根据权利要求书1所述的一种基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统，其特征在于：所述二色镜(9)固定于45度圆筒形安装座(10)上，圆形镜筒(8)与45度圆筒形安装座(10)通过螺纹连接，圆形镜筒(8)通过螺纹沿轴线方向移动。
6.权利要求1至5任一项所述的无损检测系统基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：首先准备与被测构件材料相同、无残余应力试件(11)，将试件(11)固定于单轴拉伸加载实验机上；
步骤2：将两交叉的第一子激光束(5)和第二子激光束(6)照射到试件(11)上，圆形镜筒(8)的轴线垂直于试件(11)表面，调整圆形镜筒(8)与试件(11)之间的距离v，直至激光束在试件(11)表面形成一轮廓清晰的圆斑，根据透镜成像定律
Figure FDA0002306848920000021
计算此时的物距u；
步骤3：根据激光诱导瞬态光栅的基本原理，确定圆斑内部干涉条纹(12)的周期即激发激光超声表面波的波长
Figure FDA0002306848920000022
其中M为成像透镜(7)的放大比例，M＝v∶u；
步骤4：调节激光干涉仪(13)镜头，使激光干涉仪(13)发出的聚焦激光束(14)聚焦到试件(11)表面圆斑处，接收激光超声表面波信号；
步骤5：信号采集和处理单元(16)对激光干涉仪(13)接收到的激光超声表面波信号进行采集和快速傅立叶变换，获取其频谱，根据其频谱得到其中心频率f0，并根据公式c0＝f0×λ计算无应力状态下的激光超声表面波波速c0；
步骤6：对试件(11)进行拉伸加载，测量不同应力状态下的激光超声表面波信号，重复步骤5，获取不同应力状态下的激光超声表面波波速c，并计算其相对变化量Δc/c0，其中Δc＝c-c0为存在应力试件中的表面波波速与无应力试件中的表面波波速之差，最后采用线性拟合得到Δc/c0与相对应的应力σ之间的线性关系：Δc/c0＝kσ，k为求得的声弹性系数；
步骤7：采用上述系统，按照步骤2-4对未知应力状态的残余应力试件进行测量，获取表面波的波速cr，根据步骤6获得的声弹性系数，即能够求得被测试件表面残余应力大小为：
Figure FDA0002306848920000031
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