CN101871894B - 利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，步骤是：1、使用声换能器或其它激发声方式在固体材料表面激发声场；2、使用线元或面元CCD作为光探测器件，利用闪频检测方法探测在固体材料表面传播的高频声信号；3、根据所检测得到的动态干涉场分布特性，分析材料内部弹性参量的分布特性，进而实现固体材料内部缺陷的定位。本发明采用闪频检测方法，使用CCD等面元或线元探测器检测在固体材料表面传播的声场特性，从而获取材料内部缺陷的物理特性，本发明普适性好，系统的分辨率高；系统抗干扰能力强，实现了低成本的非接触式被测材料的大面元无损检测，尤其适合于复合材料的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体材料表面、内部缺陷的大面元快速检测技术，具体是一种利用闪频检测实现材料内部缺陷的弹性成像表征方法。
背景技术
固体材料尤其是复合材料已被广泛地应用到航空、船舶、汽车等现代生产领域，如何快速获取材料的性能参数和缺陷定位是检测领域的研究热点之一。声对介质材料的可穿透性为材料的微区物理性能和不均匀性检测，以及内部结构和缺陷的非破坏性观察提供了可能。目前传统的成熟无损检测手段如x射线系统，超声检测系统等无损检测技术都具有一定的优越性和各自的局限性，尤其针对复合材料中微小的闭合缺陷检测，现有的技术无法实现对其进行大面元的快速检测。因此开发一种新型的非接触式、具有面探测能力的动态加载技术以实现固体材料内部弹性性质的大面元快速表征是非常必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用闪频检测方法实现材料内部缺陷的弹性成像表征方法，低成本的非接触式被测材料的大面元无损检测。
本发明所述的一种利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其包括以下步骤：
(1)以声激发方式在被测固体材料表面激发连续或脉冲弹性声场；
(2)使用线阵或面阵CCD作为光探测器件，利用闪频检测方法探测在固体材料表面传播的高频声信号，所述的闪频检测方法通过以下两种方法之一实现：
方法1：对于频率范围小于20kHz的中低频声场检测，使用连续的相干照明光源，控制CCD的电子快门和曝光时间，与材料表面声场的外激励源保持同步，并通过时间延迟获取不同时间点的声场信号，其控制流程如图3(a)所示；
方法2：对于频率范围大于20kHz的中高频声场检测，使用短脉冲相干照明光源，控制其触发与CCD电子快门同步，与材料表面声场的外激励源保持同步，并通过时间延迟获取不同时间点的声场信号，其控制流程如图3(b)所示。
(3)根据高频声信号的动态干涉场分布，通过图像处理技术识别图像中干涉条纹分布的均匀性，通过均匀性分析，实现材料内部缺陷表征。
上述步骤(1)所述的声激发方式采用以下三种方法之一产生：
方法1：将声换能器耦合在被测材料表面，利用函数发生器或计算机产生信号并导入功率放大器产生声换能器所需的超声信号；
方法2：对于金属样品，采用非接触式的电磁换能器在被测材料上产生超声信号；
方法3：利用高功率脉冲激光经空间调制后在被测材料表面激发所需的声信号。
上述步骤(3)中，CCD如采用线阵CCD，所获得的干涉信号是一维空间不同点的时域信号；如采用面阵CCD，所获得的干涉信号是二维空间不同点的时域信号。所述图像处理技术包括边缘图像分割和阈值分割算法。
上述步骤(3)中，材料内部缺陷表征的判断条件是：当干涉条纹分布均匀时，可确定材料在被测的一维或二维方向上弹性性质分布均匀，无缺陷；而当干涉条纹分布发生畸变时，表明此处材料性质不均匀，导致缺陷。
本发明中的图像处理中常用的条纹细化和边缘检测技术可参考文献(1.京霄等编著，数字图像处理技术，冶金工业出版社，2005。2.朱秀昌，刘峰，胡栋著，数字图像处理与图像通信，北京邮电大学出版社，2002。)从而判断被测材料的弹性参数在被测一维或二维方向上是否均匀分布。如图像分布不均匀，由图像畸变所在位置可直接获取缺陷所在处的二维面源坐标，从而实现材料缺陷的快速定位表征。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点：(1)使用动态加载技术，通过不同强度和频率的超声场加载，提高系统的普适性，以及系统的分辨率，尤其是微缺陷的分辨率；(2)采用CCD作为探测器，结合相应的漫反射干涉光路，提高了系统抗干扰能力，实现了低成本的非接触式被测材料的大面元无损检测，尤其是解决了复合材料的无损检测问题。
附图说明
图1利用闪频检测方法实现材料内部缺陷的弹性成像系统图，其中图1(a)声换能器做为声激励源的系统图，图1(b)脉冲光作为声激励源的系统图。
图2是CCD采集系统光路图，其中图2(a)采用独立的反射镜光路系统，2(b)采用在分光棱镜镜表面直接镀反射膜光路系统。
图3是检测系统的控制流程图，其中图3(a)低频(频率低于20KHz)激励下的系统控制流程图；图3(b)中高频(频率大于20kHz)激励下的系统控制流程图。
图4是内部具有缺陷的复合材料检测结果，其中图4(a)、(b)分别在不同加载时刻的声场。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做详细说明。
1)首先使用一纳秒脉冲激光器经物镜扩束后照射到被测材料表面，在样品表面形成一基本均匀的亮斑；
2)如图1(a)所示方案，将声换能器耦合到被测材料上，用于在被测材料表面激发连续或脉冲超声，其声频范围随所采用的换能器相一致，本系统范围可达100MHz。本具体实施方案中采用的换能器中心频率为10MHz。此外也可以采用图1(b)所示的脉冲光作为声激励源。
3)使用CCD和相应的光学元件构造如图2所示的检测光路，调节两反射镜的位置，使两反射镜夹角满足检测所需的分辨要求，光路满足等倾干涉条件，检测中保持结构不变。本实施方案中两反射镜的夹角约为5度。其中，图2(a)采用独立的反射镜光路系统，2(b)采用在分光棱镜镜表面直接镀反射膜光路系统。
4)使用计算机控制声换能器、脉冲探测光源和CCD的电子快门和曝光时间，电子快门和曝光时间根据所采用的相干探测光源调整，本实施方案中采用纳秒脉冲激光器作为探测光源，因而只需控制CCD的电子快门、换能器和脉冲光源同步即可，其控制流程如图3(b)所示。图3(a)则是低频(频率低于20KHz)激励下的系统控制流程图。
5)利用时间延迟控制器控制CCD电子快门和脉冲光源的同步延迟时间，以获取材料在不同延迟时刻时的被测材料表面被激发声信号。并通过计算机加以处理和储存，从而得到被测材料不同加载时刻的动态信息。延迟时间的长短应根据所需获取的最高频率的周期确定，可取最高频率周期的十分之一，本案例中采用纳秒脉冲激光作为探测光源，采用见图3(b)所示的延迟控制流程。其延迟时间步长取10纳秒。
6)通过图像处理中的边缘检测技术分析所获取的动态图像，将技术和理论拟合可获取材料内部缺陷的二维坐标，实现材料内部缺陷的快速识别，如图4所示。
Claims (5)
1.一种利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)以声激发方式在被测固体材料表面激发连续或脉冲弹性声场；
(2)使用线阵或面阵CCD作为光探测器件，利用闪频检测方法探测在固体材料表面传播的高频声信号，所述的闪频检测方法通过以下两种方法之一实现：
方法1：对于频率范围小于20kHz的中低频声场检测，使用连续的相干照明光源，控制CCD的电子快门和曝光时间，与材料表面声场的外激励源保持同步，并通过时间延迟获取不同时间点的声场信号；
方法2：对于频率范围大于20kHz的中高频声场检测，使用短脉冲相干照明光源，控制其触发与CCD电子快门同步，与材料表面声场的外激励源保持同步，并通过时间延迟控制短脉冲照明光源的照射时间点以获取不同时间点的声场信号；
(3)根据高频声信号的动态干涉场分布，通过图像处理技术识别图像中干涉条纹分布的均匀性，通过均匀性分析，实现材料内部缺陷表征。
2.根据权利要求1所述的利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其特征在于步骤(1)所述的声激发方式采用以下三种方法之一产生：
方法1：将声换能器耦合在被测材料表面，利用函数发生器或计算机产生信号并导入功率放大器产生声换能器所需的超声信号；
方法2：对于金属样品，采用非接触式的电磁换能器在被测材料上产生超声信号；
方法3：利用高功率脉冲激光经空间调制后在被测材料表面激发所需的声信号。
3.根据权利要求1或2所述的利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其特征在于步骤(3)中，CCD如采用线阵CCD，所获得的干涉信号是一维空间不同点的时域信号；如采用面阵CCD，所获得的干涉信号是二维空间不同点的时域信号。
4.根据权利要求1或2所述的利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其特征在于步骤(3)图像处理技术包括边缘图像分割和阈值分割算法。
5.根据权利要求1或2所述的利用闪频检测实现材料内部缺陷的动态加载成像表征方法，其特征在于步骤(3)中，当干涉条纹分布均匀时，可确定材料在被测的一维或二维方向上弹性性质分布均匀，无缺陷；而当干涉条纹分布发生畸变时，表明此处材料性质不均匀，导致缺陷。
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