CN102798667B - 激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

一种激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，使用由脉冲激光器、线型聚焦单元、横波电磁超声传感器、三维机械步进装置、信号放大滤波系统、数字示波器和计算机组成的激光-电磁超声检测系统。利用该系统激励出高斯型激光脉冲，然后经过光学聚焦系统输送至金属材料表面同时激励出表面波及横波。利用横波电磁超声传感器接收，据此来对表面及近表面缺陷进行定位检测；利用横波电磁超声传感器接收横波遇到内部缺陷时生成的衍射横波，当传感器位于金属材料内部缺陷的正上方时，接收到的衍射横波信号幅度最强，据此来确定缺陷的水平位置，并由缺陷回波的时间确定缺陷的垂直位置。本方法可同时检测金属材料表面、近表面和内部缺陷。

Description

激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，属于超声无损检测与评价领域。

背景技术

迄今为止，尚未见到可应用于金属材料缺陷的基于激光-电磁超声技术的非接触式超声波衍射检测的实用化方法。超声衍射法检测材料缺陷时，具有检测精度高、速度快的优点。目前，由于用于检测材料内部缺陷超声衍射法大多数基于接触式的压电超声技术，使得其检测灵敏度受耦合状态影响较大。Mihara在“Time-of-Flight Diffraction Measurement Using Laser Ultrasound”一文提出可以利用激光激励超声波并结合激光干涉仪接收超声波的方式，实现非接触式的超声衍射检测方法。然而，利用激光干涉仪接收的超声波时，所接收到的超声波幅度受制于激光干涉仪接收光强的反应时间和灵敏度，而且对样品表面的光洁度要求较高，随着表面光洁度的变坏，接收灵敏度迅速下降，使得该技术在金属材料实际检测的工程应用中存在一定的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于激光-电磁超声技术的金属材料的非接触式超声波衍射检测方法。它应克服现有非接触式激光超声衍射法难以应用于表面粗糙材料的检测的缺点，且由于电磁超声传感器位于缺陷正上方时，接收到的缺陷衍射超声信号幅度最大，因而易于对缺陷定位。此外，本检测方法利用电磁超声传感器取代激光干涉仪可以简化激光超声检测系统并大幅度降低检测系统的成本。

本发明的技术方案是：一种基于激光-电磁超声技术的金属材料缺陷检测方法，将脉冲激光器、线型聚焦单元、横波电磁超声传感器，三维机械步进装置、信号放大滤波系统、数字示波器和计算机进行电连接；将横波电磁超声传感器固定于三维机械步进装置。

本方法检测金属表面缺陷的步骤如下：

①校准脉冲激光器的输出能量，使其稳定输出10～200 m J/pulse的高斯型脉冲激光。校准脉冲激光器与线型聚焦单元位置，使二者同中心放置。其中：所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器，脉冲宽度8～15 ns，波长1064 nm，能量0～200 m J/pulse，脉冲重复频率为1～20 Hz；所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；

② 调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使金属材料位于柱面透镜焦距处。

③ 将横波电磁超声传感器固定于三维机械步进电机上，开启电磁超声接收单元和三维机械步进装置的工作电源，调整电磁超声接收单元与金属材料之间的距离和水平位置，使电磁超声接收单元与金属材料表面的线型激光斑的中心位置处于同一水平线上。其中：所述的电磁超声接收单元用于将超声表面波遇到表面缺陷时发生波型转换所产生的横波转化成电信号；三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为0.02 mm。

④ 开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的滤波频率和放大倍数，校正数字示波器，并确认信号放大滤波单元、数字示波器和计算机处于联通状态。

⑤ 开启脉冲激光器工作电源，以激励出高斯型脉冲激光，利用线型聚焦单元将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀，以激励出指向性好、能量集中的超声表面波。

⑥ 调整电磁超声接收单元的位置，使其沿线型激光斑与电磁超声接收单元中心所处的水平线方向进行扫查以检测缺陷。观察示波器，当电磁超声接收单元处于缺陷正上方时，接收到的缺陷信号幅度最大；将该状态下的信号输送至计算机进行记录、保存和后期处理。

本方法检测金属内部缺陷的步骤如下：

①校准脉冲激光器的输出能量，使其稳定输出10～200 m J/pulse的高斯型脉冲激光。校准脉冲激光器与线型聚焦单元位置，使二者同中心放置。其中：所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器，脉冲宽度8～15ns，波长1064 nm，能量0～200 m J/pulse，脉冲重复频率为1～20 Hz；所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；

② 调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使金属材料位于柱面透镜焦距处。

③ 将横波电磁超声传感器固定于三维机械步进电机上，开启横波电磁超声传感器和三维机械步进电机的工作电源，调整横波电磁超声传感器与金属材料之间的距离至10 mm。其中：所述的横波电磁超声传感器用于将横波遇到内部缺陷时发生衍射所产生的横波转化成电信号；三维机械步进电机由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为0.02 mm。

③ 开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的滤波频率和放大倍数，校正数字示波器，并确认信号放大滤波系统、数字示波器和计算机处于联通状态。

④ 开启脉冲激光器工作电源，以激励出高斯型脉冲激光，利用线型聚焦单元将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，激励出超声横波信号。

⑤ 调整三维机械步进电机，以使横波电磁超声传感器与金属材料表面的线型激光斑的中心位置处于同一水平线上，并将横波电磁超声传感器沿平行于金属材料表面向激光束方向进行扫查，以接收缺陷的衍射横波。根据电磁感应原理，当所述横波电磁超声传感器位于缺陷正上方时，接收到的衍射波信号最强，依此标记缺陷的水平位置。

⑥ 缺陷的深度位置则可依据公式(1)计算出：

公式(1):                                                

其中d为缺陷深度，v金属材料中的横波声速，t为接收到衍射波的时间，l为线型光斑与横波电磁超声传感器之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

本发明将激光超声技术与电磁超声技术结合起来，利用激光激发出高能量的超声横波，采用受表面几何形状及粗糙度影响很小的横波电磁超声传感器来接受缺陷的衍射横波，实现了可用于金属材料表面及内部缺陷超声衍射的检测方法。该检测方法无需耦合剂并可以远距离激励出超声横波，且不受激光入射角度、金属材料几何形状及表面粗糙度影响，能够在0～10 mm范围内对金属材料内部缺陷进行定位检测，检测相对误差小于1%。本方法的检测灵敏度不受耦合状态的限制，所用设备简单、可操作性强，易于实用化，测量精度高，可重复性好，具有较大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1为一种激光-电磁超声无损检测系统示意图。图2为45号钢中人工伤表面裂纹制作示意图。图3为一种激光-电磁超声无损检测金属材料表面缺陷示意图。图4一种非接触式的45号钢表面裂纹缺陷的激光-电磁超声无损检测结果。图5 为45号钢中内部人工伤孔洞制作示意图。图6为一种激光-电磁超声无损检测金属材料表面缺陷示意图。图7一种非接触式的45号钢内部孔洞缺陷的激光-电磁超声无损检测结果。图8 给出电磁超声单元的结构设计图。图9为激光-电磁超声无损系统的信号放大滤波单元中前置放大电路原理图。图10为激光-电磁超声无损系统的信号放大滤波单元中滤波电路原理图。

图中：1-耐磨陶瓷片；2-隔热陶瓷片；3-PCB检测线圈（Printed Circuit Board，PCB，即印制电路板）；4-前端盖；5-传感器外壳；6-紧固螺钉；7-中间端盖；8-气嘴；9-后端盖；10-连接螺钉；11-接插件；12-前置放大器；13-固定架；14-垫板；15-第一圆形磁铁；16-第二圆形磁铁；17-第三圆形磁铁；18-第四圆形磁铁；19-磁铁固定架；20-压缩空气出口；21-羰基铁粉板。

具体实施方式

如图1所示，一种激光-电磁超声无损检测系统，它包括脉冲激光器，所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器；脉冲激光器输出激光至线型聚焦单元；线型聚焦单元，所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；可调焦距的光学镜架用于将线型聚焦单元与被检测金属材料之间的距离调节至线型聚焦透镜的焦距处；所述的线型聚焦单元用于将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀或烧蚀，以激励出指向性好、能量集中的超声波；电磁超声接收单元，所述的电磁超声接收单元可在0～10 mm范围内将10～200 m J/pulse脉冲激光在金属材料中激励出的超声横波信号或缺陷衍射出横波信号接收并转化为电信号并输出至信号放大滤波单元；三维机械步进装置，所述的三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为0.02 mm；所述的电磁超声接收单元夹持固定于三维机械步进装置上；信号放大滤波单元，所述的信号放大滤波单元包括前置放大器和模拟滤波器两个部分，其中超声信号经检测线圈输出后进入前置放大器，其过程为信号首先经过中心频率0.5MHz的LC选频电路，进入放大倍数约70倍的第一级放大器，经过电容耦合后进入放大倍数约为4倍的第二级放大器，后经阻抗匹配后进入模拟滤波器，其中模拟滤波器为二阶高通滤波器并且放大倍数约为4倍，模拟滤波器输出的信号进入可调增益放大器，增益区间0～30dB（即放大倍数0～31.6）。然后再经过滤波选频电路，进入最后一级约为4倍的运算放大器，进行放大输出至数字示波器；还有电联接在一起的数字示波器和计算机。所述调Q式YAG脉冲激光器的脉冲宽度8～15 ns，波长1064 nm，能量0～200 m J/pulse，脉冲重复频率为1～20 Hz。所述的信号放大滤波单元将金属材料中的超声波频率滤波至0.5～4 MHz，信号总放大倍数为0～141000倍。

图8 给出电磁超声单元的结构设计图。所述的电磁超声接收单元包括通过连接螺钉10连接在一起的前端盖4和后端盖9，在前端盖4底部设置中央通孔，在中央通孔中设置有耐磨陶瓷片1，在耐磨陶瓷片1上方叠放隔热陶瓷片2；在前端盖4和后端盖9之间设置传感器外壳5，所述传感器外壳5顶部设置有中间端盖7，传感器外壳5底部与前端盖4的中央通孔对应设置有中央安装孔，在中央安装孔中设置羰基铁粉板21，在羰基铁粉板21和隔热陶瓷片2之间设置有PCB检测线圈3；PCB检测线圈与前置放大器之间进行电连接；在传感器外壳5内部设置磁铁固定架19，在磁铁固定架19中设置第四圆形磁铁18，在第四圆形磁铁18上方依次叠放第三圆形磁铁17，第二圆形磁铁16和第一圆形磁铁15；在第四圆形磁铁18上方设置连接在传感器外壳5上的固定架13；第四圆形磁铁18直径＜第三圆形磁铁17直径＜第二圆形磁铁16直径＜第一圆形磁铁15直径；在固定架13和第四圆形磁铁18之间设置垫板14；固定架13上方设置前置放大器12；在中间端盖7上设置接插件11；前置放大器和接插件之间进行电连接。在后端盖9上设置气嘴8。PCB检测线圈3采用的是蝶形设计结构。

以下结合附图对本发明专利的原理和特征进行描述，所举实施例为45号钢人工伤的检测结果。

实施例1：金属材料表面缺陷检测具体实施方式为：

图1为一种激光-电磁超声无损检测系统示意图。首先将脉冲激光器、三维机械步进装置、横波电磁超声传感器、信号放大滤波单元、数字示波器和计算机之间依次进行电气连接，且将电磁超声接收单元固定于三维机械步进装置。校准脉冲激光器与线型聚焦单元位置，使二者同中心放置。调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使45号钢位于与柱面透镜之间的距离为200 mm。

图2给出了45号钢中人工伤表面裂纹制作示意图，45号钢的尺寸为400 mm×600 mm×60 mm，利用线切割技术在45号钢表面加工出的表面型人工伤，其尺寸为20 mm×0.2 mm×0.2 mm。开启激光激励超声波单元工作电源，设定脉冲重复频率为10 Hz，脉冲能量为10 m J/ pluse，利用线型聚焦单元将激励出高斯型脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至45号钢表面，引起45号钢表面的热膨胀，以激励出指向性好、能量集中的超声表面波，实验中所得到的线型激光光斑长度为11 mm。

图3给出了一种非接触式的金属材料表面缺陷的激光-电磁超声无损检测方法原理示意图。开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的带通滤波范围为1～2 MHz和放大倍数为26000，校正数字示波器并将示波器设置为峰值记录状态，然后确认信号放大滤波系统、数字示波器和计算机处于联通状态。开启横波电磁超声传感器和三维机械步进电机的工作电源，调整横波电磁超声传感器与45号钢之间的距离至10 mm。利用所述的横波电磁超声传感器，使其沿线型激光斑与横波电磁超声传感器所处的水平线方向进行扫查并观察数字示波器，当扫查至缺陷位置时，会接收到表面波遇到表面缺陷时发生波型转换所产生的横波信号，并将其转化成电信号传输至信号放大滤波单元，根据电磁感应原理，当横波电磁超声传感器与45号钢表面之间的距离一定时，横波电磁超声传感器位于缺陷正上方时所接收到的信号幅度最大，该状态下的信号用于判定缺陷位置及尺寸，并由计算机对该信号进行上位机显示、记录、保存和处理。

图4给出了线型激光束与横波电磁超声传感器距离为43 mm时的缺陷检测信号，其峰峰值幅度约为0.79 V，信噪比约为25 dB。

实施例2：金属材料内部缺陷检测具体实施方式为：

图5给出了45号钢内部人工伤孔洞制作示意图，45号钢的尺寸为900 mm ×200 mm×300 mm，利用钻铣加工中心在距45号钢上表面60 mm内部加工出的孔洞型人工伤，其尺寸依次为7 mm×30 mm，5mm×30mm和3 mm×30 mm，实施例中给出了3 mm×30 mm孔的检测结果。校准脉冲激光器的输出能量为150 m J/pulse，调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，使二者同中心放置，且满足被检测45号钢表面位于线型聚焦单元中柱面透镜的焦距处。开启横波电磁超声传感器和三维机械步进电机的工作电源，调整横波电磁超声传感器与45号钢之间的距离至10 mm。开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的带通滤波范围为0.5～2 MHz和放大倍数为26000，校正数字示波器并将示波器设置为峰值记录状态，然后确认信号放大滤波系统、数字示波器和计算机处于联通状态。开启脉冲激光器工作电源，以激励出高斯型脉冲激光，利用线型聚焦单元将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至45号钢表面，激励出超声横波信号。

图6为一种激光-电磁超声无损检测金属材料表面缺陷示意图。调整横波电磁超声传感器，使其在45号钢表面沿垂直于线型激光源方向扫查，当扫查至缺陷位置时，会接收到横波遇到内部缺陷时发生衍射效应所产生的横波信号并将其转化成电信号传输至信号放大滤波系统。根据电磁感应原理，当横波电磁超声传感器与45号钢表面之间的距离一定时，横波电磁超声传感器位于缺陷正上方时所接收到的信号幅度最大，该状态下的信号用于判定缺陷的水平位置及尺寸。实施例中，当接收到缺陷信号最大值时线型激光束与横波电磁超声传感器中心之间距离为55 mm；将示波器中的缺陷信号输送至计算机进行分析、记录和保存。

图7一种非接触式的45号钢内部孔洞缺陷的激光-电磁超声无损检测结果。利用公式(1)，根据接收到衍射波时间t=3.5×10^-5s，可以计算出缺陷的深度为d=59.5 mm，与实际深度60 mm的相对误差为0.83 %。

图9给出了激光-电磁超声无损检测系统的信号放大滤波单元中的前置放大电路原理图，图10给出了激光-电磁超声无损检测系统的信号放大滤波单元中的滤波电路原理图。开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，选定放大滤波单元的滤波频率范围为1～2 MHz，提离距离为0 mm时放大倍数选为11000而提离距离为10 mm时放大倍数选为26000，校正数字示波器并设定其处于峰值记录状态，然后确认信号放大滤波单元、数字示波器和计算机处于联通状态。

Claims (6)

1.一种激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，它使用由脉冲激光器、线型聚焦单元、横波电磁超声传感器，三维机械步进装置、信号放大滤波系统、数字示波器、计算机组成的激光-电磁超声无损检测系统，其特征是它包括如下步骤：

① 校准脉冲激光器的输出能量，使其稳定输出10～200 mJ/pulse的高斯型脉冲激光；校准脉冲激光器与线型聚焦单元位置，使二者同中心放置；

② 调整线型聚焦单元中柱面透镜的位置，以使金属材料位于柱面透镜焦距处；

③ 将横波电磁超声传感器固定于三维机械步进电机上，开启电磁超声接收单元和三维机械步进装置的工作电源，调整电磁超声接收单元与金属材料之间的距离和水平位置，使电磁超声接收单元与金属材料表面的线型激光斑的中心位置处于同一水平线上； 

④ 开启信号放大滤波单元、数字示波器和计算机的工作电源，设定放大滤波单元的滤波频率和放大倍数，校正数字示波器，并确认信号放大滤波单元、数字示波器和计算机处于联通状态；

⑤ 开启激光激励超声波单元工作电源，以激励出高斯型脉冲激光，利用线型聚焦单元将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀或烧蚀，以激励出指向性好、能量集中的超声表面波及横波；

⑥ 调整横波电磁超声传感器的位置，使其沿线型激光斑与横波电磁超声传感器中心所处的水平线方向进行扫查以检测缺陷；观察示波器，当横波电磁超声传感器处于缺陷正上方时，接收到的缺陷信号幅度最大；将该状态下的信号输送至计算机进行记录、保存和后期处理；

脉冲激光器，所述的脉冲激光器为调Q式YAG脉冲激光器；脉冲激光器输出激光至线型聚焦单元；

线型聚焦单元，所述的线型聚焦单元由柱面透镜和可调焦距的光学镜架组成；可调焦距的光学镜架用于将线型聚焦单元与被检测金属材料之间的距离调节至线型聚焦透镜的焦距处；所述的线型聚焦单元用于将脉冲激光进行能量汇聚且呈线型分布，并将线型激光束传输至金属材料表面，引起金属材料表面的热膨胀或烧蚀，以激励出指向性好、能量集中的超声波；

电磁超声接收单元，所述的电磁超声接收单元可在0～10 mm范围内将10～200 mJ/pulse脉冲激光在金属材料中激励出的超声横波信号以及缺陷衍射的横波接收并转化为电信号并输出至信号放大滤波单元；

三维机械步进装置，所述的三维机械步进装置由步进电机和机械夹持装置组成，其移动精度为0.02 mm；所述的电磁超声接收单元夹持固定于三维机械步进装置上；

信号放大滤波单元，所述的信号放大滤波单元包括前置放大器和模拟滤波器两个部分；信号放大滤波单元将电磁超声接收单元输出的电信号处理后输出至数字示波器；

还有电联接在一起的数字示波器和计算机；所述的电磁超声接收单元包括通过连接螺钉连接在一起的前端盖和后端盖，在前端盖底部设置中央通孔，在中央通孔中设置有耐磨陶瓷片，在耐磨陶瓷片上方叠放隔热陶瓷片；在前端盖和后端盖之间设置传感器外壳，所述传感器外壳顶部设置有中间端盖，底部与前端盖的中央通孔对应设置有中央安装孔，在中央安装孔中设置羰基铁粉板，在羰基铁粉板和隔热陶瓷片之间设置有PCB检测线圈；PCB检测线圈与前置放大器之间进行电连接；

在传感器外壳内部设置磁铁固定架，在磁铁固定架中设置第四圆形磁铁，在第四圆形磁铁上方依次叠放第三圆形磁铁，第二圆形磁铁和第一圆形磁铁；在第四圆形磁铁上方设置连接在传感器外壳上的固定架。

2.根据权利要求1所述的激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，其特征是所述调Q式YAG脉冲激光器的脉冲宽度8～15 ns，波长1064 nm，能量0～200 mJ/pulse，脉冲重复频率为1～20 Hz。

3.根据权利要求1所述的激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，其特征是所述的信号放大滤波单元将金属材料中的超声波频率滤波至0.5～4 MHz，信号总放大倍数为0～141000倍。

4.根据权利要求1所述的激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，其特征是第四圆形磁铁直径＜第三圆形磁铁直径＜第二圆形磁铁直径＜第一圆形磁铁直径。

5.根据权利要求1所述的激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，其特征是在固定架和第四圆形磁铁之间设置垫板；固定架上方设置前置放大器；在中间端盖上设置接插件；前置放大器和接插件之间进行电连接；在后端盖上设置气嘴。

6.根据权利要求1所述的激光-电磁超声无损检测系统的金属缺陷检测方法，其特征是PCB检测线圈采用的是蝶形设计结构。