CN103713048A - 一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置 - Google Patents

一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置 Download PDF

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潘永东
李立兵
刘磊
陈亘
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Abstract

本发明涉及一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置，方法包括：将待检对象置于振镜扫描头能够扫描到的有效区域；确定待检对象的检测区域；在待检对象上选取某一点作为激光干涉仪接收超声波声信号的接收点；脉冲激光器对检测区域中的每个点依次发射脉冲激光，从而在每个点激发超声波，同时激光干涉仪在接收点接收超声波声信号，并存储于计算机中；根据互易定理，得到脉冲激光器激发接收点传播到检测区域中所有点的声信号；通过计算机得到的各个点的声信号与其所在检测区域模型中的位置相对应。与现有技术相比，本发明突破了传统超声探头需接触待检对象的瓶颈，实现现场无损检测，具有检测分辨率、带宽及灵敏度高等优点。

Description

一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置
技术领域
本发明涉及激光超声检测技术领域，尤其是涉及一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置。
背景技术
随着人类生活水平的不断提高，对环境、出行及工业产品的安全要求越来越高，如何防止核电的泄露、飞行器的空难、高温高压设备的爆炸等灾难性事故的发生是反映一个国家的工业水平及管理能力的综合指标，而超声无损检测因其适用范围广、穿透能力强、分辨率高、检测成本低以及对人无害是国家工业进步必不可少的有效工具之一。运用计算机图像处理技术，将超声无损检测的声场数据以形象、直观的形式呈现出来的声场可视化方法可以方便现场工作人员的判断，提高安检的可靠性和效率，是目前超声无损检测技术的一个发展方向。
目前常用的超声场可视化方法是利用声场引起透明媒质光折射率的变化而实现声场可视化的动态光弹技术，由光源、声源、声光延时同步控制及CCD图像采集系统组成，它对透明介质中的声场进行无干扰、快速成像。该技术主要应用于撞击应力和动应力集中的观察、应力波和声波的传播规律研究、地震波在透明地球物理模型中传播规律研究、断裂力学中裂纹扩展规律研究。但受透光性的限制，动态光弹法不能用来观察不透明介质中的超声场。另外超声探头需与试样接触或是浸入液体中来产生超声场，不适合有弯曲表面及空间受限不能与传感器接触的试样。
目前超声无损检测大多采用压电换能器来实现超声的激发和接收，需要被检试样与其接触或浸泡在水中，很难实现实时在线检测，更不能适用高温、辐射、弯曲下的构件。而由激光脉冲产生超声并由激光干涉仪检测的激光超声检测技术可非接触地实现超声的激发和接收，而且灵敏度高、时空分辨率好，已在实验室用于细观及纳观结构材料的声、光、热特性的研究，也用于大型飞机构件、高温钢管等传统超声无法接触的在线无损检测。但目前的激光超声检测系统大多用到高功率激光，系统复杂庞大，而且系统昂贵，使用和维护成本高，还没有低成本且便携式的系统，因此还没有在工业中得到广泛使用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待检对象置于振镜扫描头能够扫描到的有效区域；
(2)确定待检对象的检测区域，通过计算机将该检测区域建立为由行列交叉的点阵表示的模型；
(3)在待检对象上选取某一点作为激光干涉仪接收超声波声信号的接收点；
(4)脉冲激光器从检测区域的某个点开始，对检测区域中的每个点依次发射脉冲激光，从而在每个点激发超声波，与此同时，激光干涉仪在接收点接收超声波声信号，接收到的声信号通过采集卡转化为数字信号后存储于计算机中；
(5)根据互易定理，得到脉冲激光器激发接收点传播到检测区域中所有点的声信号；
(6)通过计算机将步骤(5)得到的各个点的声信号与其所在检测区域模型中的位置相对应，并利用图像或动画显示出来，直观地呈现待检对象的缺陷情况。
所述的待检对象包括金属、陶瓷或复合材料。
一种用于无损探伤的超声场非接触可视化装置，其特征在于，包括信号控制与处理箱、振镜扫描头及激光干涉仪，所述的信号控制与处理箱包括脉冲激光器、振镜控制卡、信号采集卡、计算机及电源模块，所述的振镜扫描头包括激光通道、干涉仪通道及振镜；
所述的脉冲激光器发射激光，该激光通过激光通道入射到振镜中，通过振镜控制卡调节振镜的反射镜角度，对待检对象的检测区域进行扫描；
所述的激光在待检对象上激发产生超声波，该超声波信号经由干涉仪通道被所述的激光干涉仪同步接收，之后传输给所述的信号采集卡，再经过所述的计算机进行分析处理得到待检对象的缺陷情况。
所述的振镜是由X、Y方向的旋转小镜组成。
所述的振镜扫描头的扫描视角为+20°，扫描频率可达为1kHz。
所述的图像包括A型扫描显示(简称A扫)图、B型扫描显示(简称B扫)图及最大振幅图。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、不仅突破了传统超声探头需接触待检对象的瓶颈，而且可快速得到超声在不透明材料中传播的声场，检测分辨率、带宽及灵敏度高，可应用于不适合接触的极端环境，实现现场无损检测；
2、装置各个部分均可携带，适合应用于工业现场检测；
3、通过计算机建模，方便现场工作人员直观判断缺陷存在而产生的声场扰动，提高安检的可靠性和效率。
附图说明
图1为本发明装置的结构框图；
图2为本发明实施例薄铝板的检测区域模型图；
图3实施例中本发明装置对含有人工缺陷的铝板进行扫描检测后得到的声信号图像：(a)A扫图，(b)B扫图，(c)最大振幅图；
图4为实施例中声波在扫描区域内传播时的动画截图，a为声波经过缺陷前声场(t＝12.2μs)，b为声波经过缺陷时声场(t＝14.3μs)，c为声波经过缺陷时声场(t＝15.5μs)，d为声波经过缺陷后声场(t＝16.4μs)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种用于无损探伤的超声场非接触可视化装置，其特征在于，包括信号控制与处理箱1、振镜扫描头2及激光干涉仪3，所述的信号控制与处理箱1包括脉冲激光器、振镜控制卡、信号采集卡、计算机及电源模块，所述的振镜扫描头2包括激光通道、干涉仪通道及振镜；所述的脉冲激光器发射激光，该激光通过激光通道入射到振镜中，通过振镜控制卡调节振镜的反射镜角度，对待检对象Q的检测区域进行扫描；所述的激光在待检对象Q上激发产生超声波，该超声波信号经由干涉仪通道被所述的激光干涉仪3同步接收，之后传输给所述的信号采集卡，再经过所述的计算机进行分析处理得到待检对象Q的缺陷情况。所述的待检对象Q包括金属、陶瓷或复合材料。所述的振镜扫描头2的扫描视角为±20°，扫描频率为100Hz。所述的图像包括A扫图、B扫图及最大振幅图。
实施例：本例为厚度为0.2mm的薄铝板表面缺陷检测，具体检测步骤为：
(1)将薄铝板置于振镜扫描头能够扫描到的有效区域；
(2)通过振镜扫描头的红光标示，确定薄铝板的检测区域S，通过计算机将该检测区域S建立为由行列交叉的点阵M表示的模型，再根据检测需求，通过计算机中声场可视化软件设置点阵M的行列数，以获取足够的空间分辨率，如图2所示；
(3)在薄铝板上选取某一点作为激光干涉仪接收超声波声信号的接收点P；
(4)脉冲激光器从检测区域S的某个点开始，对检测区域S中的每个点依次发射脉冲激光，从而在每个点激发超声波，与此同时，激光干涉仪在接收点P接收超声波声信号，接收到的声信号通过采集卡转化为数字信号后存储于计算机中；
(5)经过步骤(4)后，脉冲激光器激发检测区域S中所有点传播到接收点P的声信号被依次记录下来，根据互易定理，得到脉冲激光器激发接收点P传播到检测区域S中所有点的声信号；
(6)通过计算机将步骤(5)得到的各个点的声信号与其所在点阵M中的位置相对应，并利用图像或动画显示出来，直观地呈现待检对象的缺陷情况。
如图3所示为本发明装置对含有人工缺陷(直径1.5mm深度1.5mm盲孔)的铝板(厚2mm)试样进行检测得到的声信号A扫图、B扫图和最大振幅图。由A扫图可以看到各点阵M的声波随时间变化的幅度信息即射频信号；B扫图可以看到声波随水平位置点阵M变化的幅度信息；最大振幅图上可以看到扫描区域内各点阵M声波最大幅度信息，图中圆形黑线区域为直径1.5mm的人工缺陷。图4为声波在扫描区域内传播时的动画截图，可以清楚看到声波与人工缺陷作用的情况。图中圆形黑线区域为直径1.5mm的人工缺陷。
本发明的装置采用脉冲激光器和便携式激光干涉仪结合实现激光超声场的可视化检测，基于声场互易性实现声场的快速非接触实时显示，可直观判断超声场中是否存在由缺陷引起的异常散射，并能进行进一步的定量检测分析评价。本装置不仅适用于实验室复杂结构超声场及与缺陷相互作用规律的研究，而且适用于工业现场的材料结构的超声无损检测，可非接触、实时快速得到材料无损检测的A扫图、B扫图、最大振幅图及超声传播的动画图。

Claims (6)

1.一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待检对象置于振镜扫描头能够扫描到的有效区域；
(2)确定待检对象的检测区域，通过计算机将该检测区域建立为由行列交叉的点阵表示的模型；
(3)在待检对象上选取某一点作为激光干涉仪接收超声波声信号的接收点；
(4)脉冲激光器从检测区域的某个点开始，对检测区域中的每个点依次发射脉冲激光，从而在每个点激发超声波，与此同时，激光干涉仪在接收点接收超声波声信号，接收到的声信号通过采集卡转化为数字信号后存储于计算机中；
(5)根据互易定理，得到脉冲激光器激发接收点传播到检测区域中所有点的声信号；
(6)通过计算机将步骤(5)得到的各个点的声信号与其所在检测区域模型中的位置相对应，并利用图像或动画显示出来，直观地呈现待检对象的缺陷情况。
2.根据权利要求1所述的一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法，其特征在于，所述的待检对象包括金属、陶瓷或复合材料。
3.一种实施如权利要求2所述的用于无损探伤的超声场非接触可视化方法的装置，其特征在于，包括信号控制与处理箱、振镜扫描头及激光干涉仪，所述的信号控制与处理箱包括脉冲激光器、振镜控制卡、信号采集卡、计算机及电源模块，所述的振镜扫描头包括激光通道、干涉仪通道及振镜；
所述的脉冲激光器发射激光，该激光通过激光通道入射到振镜中，通过振镜控制卡调节振镜的反射镜角度，对待检对象的检测区域进行扫描；
所述的激光在待检对象上激发产生超声波，该超声波信号经由干涉仪通道被所述的激光干涉仪同步接收，之后传输给所述的信号采集卡，再经过所述的计算机进行分析处理得到待检对象的缺陷情况。
4.根据权利要求3所述的一种用于无损探伤的超声场非接触可视化装置，其特征在于，所述的振镜是由X、Y方向的旋转小镜组成。
5.根据权利要求3所述的一种用于无损探伤的超声场非接触可视化装置，其特征在于，所述的振镜扫描头的扫描视角为±20°，扫描频率可达1kHz。
6.根据权利要求1所述的一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法，其特征在于，所述的图像包括A型扫描显示、B型扫描显示及最大振幅图。
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