CN106546604B - 一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法及系统，所述检测方法包括以下步骤：PLC控制两激光器同时发出两束中心频率不同的激光，通过光路系统集成作用于待测含缺陷青铜器表面的同一点；在待测青铜器受激光辐射同侧表面放置电容式位移传感器测量激光激发超声信号；接收的超声信号经数据采集系统集成存储于数据处理系统用于频率分析使用；通过数据处理系统集成可以对青铜器表面或亚表面存在的缺陷进行二维平面成像检测；进而可以对缺陷深度进行检测。本发明方法及其系统能够扫描检测到青铜器表面或亚表面缺陷的三维位置及尺寸信息，具有高效率、高精度、对被测体无损伤等优点。

Description

一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法及系统

技术领域

本发明属于考古领域，尤其涉及一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法；本发明还涉及一种实施上述青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法的系统。

背景技术

我国是一个历史悠久的文明古国，随着中国考古事业的发展，发掘出土了大量青铜器文物。青铜器文物主要是指：古代传统工艺制作的，以锡、铅、铜为基本元素的青铜器物。由于年代久远，特别是那些埋藏在地下被挖掘出土的青铜器文物，在其表面及亚表面出现缺损断裂或缺损空洞是常有的情况。且对于青铜器文物缺损部位的修复，传统修复方法常采用灌缝、填缝和补块等方法。这些方法都需要使用到粘结剂，粘结剂本身的老化又不可避免，所以即使是修复后的青铜器在其缺损部位还是容易出现二次老化、缺损及开裂。发现青铜器表现及亚表面的这些微小缺陷进而进行修复对青铜器的存储具有极其重要的意义。

国内外现有青铜器表面及亚表面微裂纹检测方式大体分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量因为对青铜器表面及亚表面有一定损伤、在线测量难度大等劣势基本已被非接触式测量所取代，接触式测量对青铜器表面及亚表面有一定损伤是因为：（1）传感器在青铜器表面及亚表面直接接触作用可能直接划伤青铜器表面及亚表面，（2）耦合剂为有机物质，可能对被测青铜器产生腐蚀作用。目前常用的非接触式测量方法主要有：常规超声检测、放射性射线检测、激光超声检测等。其中，放射性射线检测因为对环境、人体具有较大损伤已基本放置不用。当前用的较多的是传统超声检测以及激光超声检测方法。然而，由于在某些特殊条件下，传统超声检测所使用的耦合剂会出现失效问题，且传统超声需要由压电传感器接触青铜器表面及亚表面进行发射、接收，因此存在检测效率低下、存在检测盲区等问题，因而越来越多的学者、企业开始选用激光超声检测方法进行青铜器表面及亚表面裂纹检测。

公布号CN 102608123A，名称“一种用于微缺陷的激光超声检测方法”是较典型的利用激光超声检测缺陷应用实例。然而该专利所述装置进行缺陷检测存在以下问题：（1）只能定性预测缺陷存在，不能给出缺陷的三维尺寸信息；（2）空气耦合探头接收到的异常散射信号不一定是由青铜器表面及亚表面缺陷引起，青铜器表面及亚表面本身属性的异常，如属性分布各向异性等也会引起超声信号异常而导致系统误判。公布号“CN 104345092A”，名称“一种扫差式激光超声检测方法及其系统”是较新的利用激光超声进行缺陷检测实例。然而，这些专利在应用中仍然存在下列问题：（1）在青铜器表面及亚表面/试块上表面激发超声波，但在青铜器表面及亚表面/试块对心处（下表面对应点）利用纵波/体波探头接收超声波。事实上，想要在青铜器下表面对心处安装超声探头颇为不易，会受到青铜器空间尺寸限制；且一如之前所述，纵波/体波探头因为需要使用耦合剂，会对青铜器产生腐蚀作用，直接限制了这些专利装置的使用场合。(2)这些专利装置在缺陷检测中，仅利用了激光所激发的纵波/体波信号。而在激光激发超声过程中，纵波/体波信号所含能量是非常弱小的，表面波包含能量才最大，约为纵波/体波能量的5-10倍。这也是为何CN 103808802A需要在被测材料受辐射面添加“透明覆盖层”以增大体波能量的原因，然而“透明覆盖层”的增加不仅可能对被测青铜器表面及亚表面造成污染，更因为需要与青铜器表面及亚表面直接接触的原因，不能直接在特殊环境条件下（如无氧状态等）使用。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供一种（1）完全非接触、能对在各种条件下存放的青铜器表面及亚表面进行检测；（2）能充分利用激光超声所有能量，做到超声利用率最大化；（3）光斑直径尺寸不受缺陷尺寸限制，能高效、高精度对缺陷三维尺寸做出检测的基于非线性超声频率混合技术的青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法。与此相应，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种实施上述基于非线性超声频率混合技术的青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法的系统，能够对缺陷三维尺寸做出高效、高精度的检测。

本发明所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法是采用如下技术方案实现的：一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，包括以下步骤：

（1）通过PLC控制激光发射器一与激光发射器二同时发射两束中心频率不同的激光脉冲束一与激光脉冲束二，控制两束激光使它们能够同时入射到光路调节系统并作为触发信号打开高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态；所述光路调节系统按照上位机指令控制两束重叠激光束对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测；两束重叠激光束同时入射到待检测的含缺陷青铜器上表面的同一点；

（2）在待检测的含缺陷青铜器被激光辐射的同一侧的表面上方放置电容式位移传感器以接收激光在青铜器表面激发的超声信号；接收到的超声信号经数据采集系统集成进入数据处理系统集成，当重叠激光束扫描至缺陷位置附近时，因缺陷存在激光超声信号发生非线性频率混合现象导致新的超声频率成分的产生，数据处理系统集成通过对新产生的超声频率成分进行分析可以快速对缺陷长宽二维信息进行成像处理；

（3）确定缺陷长宽二维尺寸信息后，可以进一步利用数据处理系统对电容式位移传感器接收到的衍射过缺陷的超声信号进行分析得到缺陷深度尺寸信息。

所述激光脉冲束一的中心频率应与被测青铜器共振频率相同或相近，激光脉冲束二的中心频率最大不超过激光脉冲束一中心频率值的1/10。

所述的两束激光脉冲束经过光路系统集成后应同时入射到待测含缺陷青铜器上表面的同一点。

所述的对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测的激光扫描路线为周期方波形，扫描点与点之间间隔为0.2mm。

所述的数据处理系统可以将青铜器表面及亚表面缺陷的形状、尺寸以图像形式精确、定量表示出来。

本发明所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统是采用如下技术方案实现的：一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，包括光路系统集成、数据采集系统集成以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括三维移动平台、控制激光发射器用PLC以及集成有两台激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜；控制柜设在三维移动平台上；所述光路调节系统用于将两台激光发射器发射的中心频率不同的激光脉冲束一和激光脉冲束二汇聚成一点，并将重叠后的激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束作为触发信号，第二激光束入射到扫描振镜的中心位置，在PLC的控制下扫描振镜可以控制第二激光束以一定速度在待检测的含缺陷青铜器上表面一定范围内进行扫描入射；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、配有触发电路的高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在待检测的含缺陷青铜器上表面第一距离处与待检测的含缺陷青铜器为非接触式测量关系；电容式位移传感器的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连接，前置放大器的信号输出端与高速数据采集卡的信号输入端相连接；所述高速数据采集卡的触发电路位于第一激光束的光路上；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，高速数据采集卡的信号输出端与数据处理系统的信号输入端相连接，数据处理系统的信号输出端与显示屏相连接。

进一步的，所述光路调节系统包括顺次位于两台激光发射器出射光路上的第一凸透镜、分光镜、第二凸透镜以及反射镜；所述触发电路位于分光镜的反射光路上，第二凸透镜以及反射镜顺次位于分光镜的透射光路上；所述扫描振镜位于反射镜的反射光路上；光路系统集成还包括水平放置的U型接地架；所述三维移动平台固定在U型接地架之上；待检测的含缺陷青铜器可由输送装置输送穿过U型接地架的开口到达扫描振镜的下方。

所述两台激光发射器发射出的两束频率不同的激光经过第一凸透镜后在焦点处汇聚成一点，分光镜刚好放置在第一凸透镜焦点处接收汇聚激光束；汇聚后的激光束经过分光镜之后分为第一激光束与第二激光束，第一激光束自分光镜竖直向下射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，使高速数据采集卡开始工作，第二激光束自分光镜水平射出并射入第二凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过第二凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在待检测的含缺陷青铜器上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束在待检测的含缺陷青铜器上表面激发出激光超声波，该激光超声波包括在待检测的含缺陷青铜器上表面传播的表面波、以及可以透射入待检测的含缺陷青铜器内以球面波形式传播的纵波和横波；

所述电容式位移传感器设置在待检测的含缺陷青铜器上表面第一距离处与待检测的含缺陷青铜器为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器的中心点距离所述扫描振镜的水平距离为L，该L是已知量，待测青铜器上表面构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成，可在极端环境下正常工作，当激光超声波到达待检测含缺陷青铜器上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的电压输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集前置放大器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHz；采用远程入射激光激发的超声波以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了待测青铜器表面及亚表面缺陷的非接触式测量。

激光超声所激发的超声位移信号经过数据采集系统集成后传送到数据处理系统，数据处理系统会首先对超声时域信号进行降噪处理，以最大限度去除采集信号中混杂的低频背景噪声，其次会将处理后的时域信号进行快速傅里叶变换以将信号转换至频域进行分析，这里数据采集系统主要目的是提取因裂纹存在而产生的新的频率信号值，进而逆向计算出裂纹相关尺寸，逆向计算裂纹相关尺寸基本原理如下所述：第一激光束、第二激光束垂直入射到待测青铜器上表面A点，电容式位移传感器在距离A点L处的B点上方第一距离处接收超声信号，假设第一激光束激发出的超声波（含表面波、体波等所有波形）的中心频率为f ₁，第二激光束激发出的超声波（含表面波、体波等所有波形）的中心频率为f ₂，如果青铜器上A、B两点之间没有缺陷，则在B处接收到的超声频率信号将仅包含频率为f ₁与f ₂的两类波形，没有频率混合现象发生，当青铜器表面及亚表面A、B两点之间存在缺陷时，因为缺陷影响，两类超声波将发生非线性混合现象而导致新的中心频率的波形出现，在B点处的电容式传感器将会检测到大小为m f ₁+n f ₂（m、n=0,1,2…）的频率信息，一般将f ₁的值取为待测青铜器的固有频率，而f ₂一般远小于f ₁，本发明系统里取f ₂=1/10*f ₁，一般f ₁能量较大，f ₁+ f ₂的能量次之，而且只有当激光辐照在以缺陷为中心，以2a （a为光斑直径）为半径的区域时候，才能检测到混频信号，这样通过对频率f ₁+ f ₂的波形出现位置及幅值大小进行特征提取分析，结合扫描点的间距可以得到缺陷的平面二维尺寸信息，之后再对衍射过缺陷的超声信号进行特征提取，对比该材质的裂纹深度与衍射波特征高度曲线图可以进一步计算得到缺陷厚度信息，进而可以得到完整的缺陷的三维尺寸信息。

三维移动平台包括X向移动台、Y向移动台和Z向移动台，所述X向移动台固定在U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，待检测的含缺陷青铜器由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；控制柜设置在Z向移动台上，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动，进而可以完成对青铜器表面的扫描。

进一步，所述扫描振镜的内部镜片以一定速率在20°角的空间范围内自由偏转，从而控制两束重叠激光束以一定速度在大小为50*50mm的方框内任意入射。

进一步，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该尺寸的激光光斑激发激光超声波如的分辨率与高速数据采集卡的100MHz采样频率对应。

进一步，所述电容式位移传感器设置在青铜器上表面20mm处。

进一步，所述激光发射器均为Nd：YAG激光发射器。

本发明的有益效果是：（1）青铜器在电容式位移传感器下方水平移动经过，因此本系统能实现青铜器表面及亚表面缺陷的实时在线无损检测，同时采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用还实现了青铜器表面及亚表面缺陷的非接触式测量，并且由于电容式位移传感器的振动膜由高弹、耐高温、抗辐射青铜器表面及亚表面制成，因此本系统能在无氧、高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下正常工作；（2）控制柜作为激光超声波的激发装置与作为接收装置的电容式位移传感器位于待测含缺陷青铜器表面的同一侧，极大方便了电容式位移传感器的安装、定位，同时控制柜与电容式位移传感器位于同一侧也使得整个系统的空间紧凑，方便将整个系统集成为便携式测量系统；（3）数据处理系统在检测缺陷平面二维尺寸时使用的超声信号为激光激发出的全部超声波的频域信息，充分的利用了激光超声整体能量，做到了激光超声波能量利用率的最大化；（4）数据处理系统检测缺陷深度时使用信号为衍射过缺陷的超声波，因此光斑直径尺寸不受缺陷尺寸限制，能高效、高精度对缺陷深度做出检测；（5）激光发生器、光路调节系统、扫描振镜一起集成在控制柜内，控制柜设置在三维位移台上，三维移动台固定在U型接地架上，U型接地架平放在地面或其他支撑物上，因此控制柜内的光路固定稳固，因此能有效避免振动对光路产生的影响；（6）数据处理系统提取的缺陷信号特征能够以图像形式在屏幕上实时显示，有助于操作人员了解被测青铜器表面及亚表面受损特性。

附图说明

图1为本发明所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统的整体结构示意图。

图2为本发明所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统的三维结构示意图。

图3为本发明所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统的光路结构图。

图4为本发明的X向移动台和Y向移动台的结构示意图。

图5为本发明的缺陷二维尺寸信息成像图。

图6为本发明的裂纹缺陷深度与衍射信号特征高度曲线图。

图7为含人工制造缺陷的青铜器试件块图。

附图标号：1-PLC、2-控制柜、3-U型接地架、4-X向移动台、41-第一移动平台、42-第一移动基座、421-第一丝杆、422-第一导向杆、43-第一电机安装室、44-第一手动旋钮、5-Y向移动台、51-第二移动平台、52-第二移动基座、521-第二丝杆、522-第二导向杆、53-第二手动旋钮、54-第二电机安装室、6-Z向移动台、61-第三丝杆、62-第三电机安装室、7-电容式位移传感器、8-待测含缺陷青铜器试样块、9-数据处理系统、10-显示屏、11-第一凸透镜、12-分光镜、13-第二凸透镜、14-反射镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

参照图1-6：

所述光路系统集成包括U型接地架3、三维移动平台、控制激光器用PLC1以及集成有两台激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜2，所述三维移动平台包括Z向移动台6、X向移动台4、Y向移动台5，所述控制柜2通过螺栓固接在Z向移动台6的第三移动平台上，Z向移动台6通过螺栓固接在Y向移动台5的第二移动平台51上方，Y向移动台5通过螺栓固接在X向移动台4的第一移动平台上方，由此可实现控制柜2在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述X向移动台4固定在所述U型接地架3上方，U型接地架3的开口水平布置，待测含缺陷青铜器试样块8由输送机构输送水平地通过U型接地架3的开口；所述光路调节系统包括第一凸透镜11、分光镜12、第二凸透镜13、反射镜14，所述两台激光发射器经PLC1控制发射出的两束中心频率不同的激光经过第一凸透镜11后在焦点处汇聚成一点，分光镜12刚好放置在第一凸透镜11焦点处接收汇聚激光束；汇聚后的激光束经过分光镜12之后分为第一激光束与第二激光束，第一激光束自分光镜12竖直向下射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，使高速数据采集卡开始工作，第二激光束自分光镜12水平射出并射入第二凸透镜13的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器7对应的位移采集精度，经过第二凸透镜13聚焦后的第二激光束射向反射镜14，反射镜14将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在待测含缺陷青铜器试样块8上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束在待测含缺陷青铜器试样块8上表面激发出激光超声波，该激光超声波包括在待测含缺陷青铜器试样块8上表面传播的表面波、以及可以透射入待测含缺陷青铜器试样块8内以球面波形式传播的纵波和横波；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器7、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器7设置在待测含缺陷青铜器试样块8上表面第一距离处与待测含缺陷青铜器试样块8为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器7的中心点距离所述扫描振镜的水平距离为L，该L是已知量，待测青铜器上表面构成电容式位移传感器7的第一极板，电容式位移传感器7的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成，因此可在极端环境下正常工作，当激光超声波到达待测含缺陷青铜器试样块8上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器7的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器7在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器7在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器7的电压输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器7的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集前置放大器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHz；采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器7的搭配使用实现了待测青铜器表面及亚表面缺陷的非接触式测量；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统9和显示屏10，激光超声所激发的超声位移信号经过数据采集系统集成后传送到数据处理系统9，数据处理系统9会首先对超声时域信号进行降噪处理，以最大限度去除采集信号中混杂的低频背景噪声，其次会将处理后的时域信号进行快速傅里叶变换以将信号转换至频域进行分析，这里数据采集系统主要目的是提取因裂纹存在而产生的新的频率信号值，进而逆向计算出裂纹相关尺寸，缺陷三维尺寸计算基本原理如下：第一、第二激光束垂直入射到待测含缺陷青铜器试样块8上表面A点，电容式位移传感器7在距离激光束L处的青铜器表面B点的上方处接收超声信号，假设第一激光束激发出的超声波（含表面波、体波等所有波形）的中心频率为f ₁，第二激光束激发出的超声波（含表面波、体波等所有波形）的中心频率为f ₂，如果待测含缺陷青铜器试样块8上A、B两点之间没有缺陷，则在B处接收到的频率超声信号将仅包含频率为f ₁与f ₂的两类波形，没有频率混合现象发生；当青铜器表面A、B两点之间存在缺陷时，因为缺陷影响，两类超声波将发生非线性混合现象而导致新的中心频率的波形出现，在B点上方处的电容式传感器将会检测到大小为m f ₁+n f ₂（m、n=0,1,2…）的频率信息，一般将f ₁的值取为待测青铜器的固有频率，而f ₂一般远小于f ₁，本发明系统里取f ₂=1/10*f ₁，一般f ₁能量较大，f ₁+ f ₂的能量次之，而且只有当激光辐照在以缺陷为中心，以2a（a为光斑直径）为半径的区域时候，才能检测到混频信号，“这样通过对频率f ₁+ f ₂的波形出现位置进行特征提取分析可以得到缺陷的平面二维尺寸信息”，通过深度学习算法对所得数据进行处理可以得到缺陷二维图像。所述深度学习算法是一种数据处理方法，用来对数据发展趋势做出预测、对图像特征进行提取等。基本思路是，给定一张图像进行训练，初步提取图像基本特征；其次进行校准，即对图像中基本特征参数值进行分类，优化系统在区分不同图像时的能力；最后是测试，用算法对实验图像进行处理，提取特征值。从最后图中可以直接读取缺陷长宽尺寸信息如图5中数据点所示，之后再对衍射过缺陷的超声信号进行特征提取，对比图6中给出的缺陷深度、波形高度对应关系曲线图（图6中给出的右侧虚线），就可以进一步计算得到缺陷厚度信息。具体原理是：图6中箭头处的虚线条是获得裂纹高度的主要参考依据。图6中，两根虚线条都穿过各条曲线里的“特征极值点”，这些点代表激光超声波的衍射波形，其所代表的物理含义都一样。从图6可以看出，虚线对应的波峰随着裂纹深度增加，它出现的时间（横坐标）是在不断增大的，而且是线性关系（箭头所指虚线是一条直线），也就是，这个波的出现时间跟裂纹深度是成正比。知道它的出现时间，根据这条曲线，就可以推断出裂纹深度。那么，如果将这条曲线单独拿出来，去测一个未知深度的青铜器表面或亚表面缺陷，根据波的出现时间，就可以从图中得到缺陷深度。至此可以得到完整的缺陷的三维尺寸信息。

三维移动平台能实现控制柜2在Z、X、Y三个空间方向的移动，其工作原理是：所述Z向移动台6包括竖向设置的第三移动基座和第三移动平台，第三移动基座的纵向设置有两根第三丝杆61，第三丝杆61与所述第三移动平台内的两个第三螺纹孔啮合，第三丝杆61的两端通过轴承可转动地设置在第三移动基座的上侧壁和下侧壁上，第三移动基座的上侧设置有可驱动两根第三丝杆61同时正转或反转的第三电机、以及可调节两根第三丝杆61同时正转或反转的第三手动旋钮，第三电机位于第三电机安装室62内，第三手动旋钮位于第三电机安装室62外部，工作时，通过第三电机或者第三手动旋钮的转动使两根第三丝杆61同时正转或反转，第三移动平台由于第三螺纹孔与第三丝杆61的啮合实现竖向的上下移动；所述第三移动平台通过螺栓与所述控制柜2固定连接以实现控制柜2沿竖向的移动；

所述Y向移动台5包括沿Y向设置的第二移动基座52和第二移动平台51，第二移动基座52的中部设置有沿Y向布置的第二丝杆521，第二丝杆521两侧各设置一根沿Y向布置的第二导向杆522，第二丝杆521与所述第二移动平台51中部的第二螺纹孔啮合，第二移动平台51内于第二螺纹孔的两侧设置有与所述第二导向杆522配合的第二导向孔，第二丝杆521的两端通过轴承可转动地设置在第二移动基座52的侧壁上，所述第二移动基座52的一侧设置有可驱动第二丝杆521正转或反转的第二电机、以及可调节第二丝杆521正转或反转的第二手动旋钮53，第二电机位于第二电机安装室54内，第二手动旋钮53位于第二电机安装室54外部，工作时，通过第二电机或者第二手动旋钮53的转动使第二丝杆521正转或反转，第二移动平台51由于第二螺纹孔与第二丝杆521的啮合实现Y方向的左右移动，第二移动基座52上的两根第二导向杆522使第二移动平台51能够更加平稳地移动；所述第二移动平台51与所述Z向移动台6的第三移动基座通过螺栓固定连接，以实现第三移动基座沿Y向的移动，进而实现控制柜2沿Y向的移动；

所述X向移动台4包括沿X向设置的第一移动基座42和第一移动平台41，第一移动基座42的中部设置有沿X向布置的第一丝杆421，第一丝杆421两侧各设置一根沿X向布置的第一导向杆422，第一丝杆421与所述第一移动平台41中部的第一螺纹孔啮合，第一移动平台41内与第一螺纹孔的两侧设置有与所述第一导向杆422配合的第一导向孔，第一丝杆421的两端通过轴承可转动地设置在第一移动基座42的侧壁上，所述第一移动基座42的一侧还设置有可驱动第一丝杆421正转或反转的第一电机、以及可调节第一丝杆421正转或反转的第一手动旋钮44，第一电机位于第一电机安装室43内，第一手动旋钮44位于第一电机安装室43外部，工作时，通过第一电机或者第一手动旋钮44的转动使第一丝杆421正转或反转，第一移动平台41由于第一螺纹孔与第一丝杆421的啮合实现X方向的左右移动，第一移动基座42上的两根第一导向杆422使第一移动平台41能够更加平稳地移动；所述第一移动平台41与所述Y向移动台5的第二移动基座52通过螺栓固定连接，以实现第二移动基座52沿X向的移动，进而实现控制柜2沿X向的移动；

设计第一丝杆421、第二丝杆521、以及第三丝杆61的螺距，使得控制柜2在Z向移动台6上的移动精度为0.1mm，Z向移动台6在Y向移动台5上的移动精度为0.1mm，Y向移动台5在X向移动台4上的移动精度为0.1mm，这样，控制柜2在Z、X、Y三个空间方向的移动精度均可以达到0.1mm，因此控制柜2的移动精度高。

本实施例中，所述激光发射器均为Nd：YAG激光发射器。

本实施例中，三维移动平台的存在使得控制柜2的空间三维位置可调，从而激光射向含缺陷待测青铜器试样块8的位置可调，三维移动平台配合扫描振镜可以实现激光束对大尺寸待测青铜器表面及亚表面的快速检测。U型接地架3用于固定三维移动平台，U型接地架3可以平放在地面或其他支撑物上，设计成U型接地架3的目的是让工业在线输送的待测含缺陷青铜器表面及亚表面8通过其开口，根据含缺陷待测青铜器试件8的长、宽、高不同，U型接地架2的尺寸可以对应做出调整。另外，本着系统整体体积尽量小的原则，控制柜2放置在含缺陷待测青铜器试件8上方300mm处。

以下对采用本发明所述的方法及其系统进行一次实验简述：

1.选取一含人工制造缺陷的含缺陷待测青铜器试样块8，如图7所示，该试件长、宽、高分别为200*200*30mm，在其中心处有一个直径为1mm，深度为1mm人工制造缺陷孔。

2.依次打开数据采集系统集成、激光器、控制用PLC，初始化扫描振镜及高速数据采集卡，利用PLC控制激光器一与激光器二同时开始发射激光脉冲束，两束中心频率分别为f ₁与f ₂的激光束通过光路系统集成照射在青铜器试件上表面同一点，利用上位机设置激光扫描路径，通过振镜、三维移动平台的共同作用开始逐步扫描整个试件上表面，每次振镜扫描区域为50*50mm，扫描点之间距离为0.2mm。

3.利用电容式传感器接收重叠激光束在试件上表面激发出的超声波信号，该信号经过数据采集系统集成后被传送到数据处理系统集成，数据处理系统集成对该时域数据进行实时处理转换到频域，并着重提取大小为mf ₁+nf ₂(m,n=0,1,2…)的频率信号，这些信号是由于缺陷的存在导致原始激光超声频率信号发生非线性混合引起的，数据处理系统通过分析这些非线性频率的出现、结束时间及幅值大小，结合激光扫描点间隔，通过深度学习处理算法就可以将缺陷二维尺寸信息以图像形式表示出来，如图5所示，其中左下方凸出圆形区域即代表检测出缺陷形状，从图5标记数据点可以直接读出缺陷尺寸信息，具体做法是：利用鼠标直接点选左下方凸出区域左右、上下边界临界点，如图5中选取的右侧临界点（x10,y12），类似左侧亦有一临界点，为（x5,y12），则缺陷左右间隔，及其宽度信息为x=x10-x5=x5，及在x方向相差5个扫描点，又因为本发明中点与点之间距离为0.2mm，则其宽度应为0.2*5=1mm，类似的可以进一步从图5中取点得到缺陷二维边界信息，进一步对衍射过缺陷的超声信号进行处理，对比图6的深度、超声信息特性值对比曲线，可以进一步得到缺陷深度值，因为本系统检测深度利用的是衍射过裂纹的超声信号，因此不需要激光辐射在裂纹正上方，因此激光束直径不受待检测裂纹宽度限制，这样，该试件上人工制造缺陷孔的完整三维信息就被检测出来了。

Claims (10)

1.一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过PLC控制激光发射器一与激光发射器二同时发射两束中心频率不同的激光脉冲束一与激光脉冲束二，控制两束激光使它们能够同时入射到光路调节系统并作为触发信号打开高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态；所述光路调节系统按照上位机指令控制两束重叠激光束对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测；两束重叠激光束同时入射到待检测的含缺陷青铜器上表面的同一点；

（2）在待检测的含缺陷青铜器被激光辐射的同一侧的表面上方放置电容式位移传感器；当激光超声波到达待检测含缺陷青铜器上表面一点时，该点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对应该点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对应该点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器在对应该点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器放大后，经数据采集系统集成进入数据处理系统集成，当重叠激光束扫描至缺陷位置附近时，因缺陷存在激光超声信号发生非线性频率混合现象导致新的超声频率成分的产生，数据处理系统集成通过对新产生的超声频率成分进行分析可以快速对缺陷长宽二维信息进行成像处理；

（3）确定缺陷长宽二维尺寸信息后，可以进一步利用数据处理系统对电容式位移传感器接收到的衍射过缺陷的超声信号进行分析得到缺陷深度尺寸信息。

2.如权利要求1所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，激光脉冲束一的中心频率应与待检测的含缺陷青铜器共振频率相同或相近，激光脉冲束二的中心频率最大不超过激光脉冲束一中心频率值的1/10。

3.如权利要求1或2所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，对待检测的含缺陷青铜器进行二维扫描检测的激光扫描路线为周期方波，扫描点与点之间间隔为0.2mm。

4.如权利要求1或2所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，所述的数据处理系统集成可以将青铜器表面及亚表面缺陷的形状、尺寸以图像形式精确、定量表示出来。

5.一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，用于实施权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括光路系统集成、数据采集系统集成以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括三维移动平台、控制激光发射器用PLC（1）以及集成有两台激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜（2）；控制柜（2）设在三维移动平台上；所述光路调节系统用于将两台激光发射器发射的中心频率不同的激光脉冲束一和激光脉冲束二汇聚成一点，并将重叠后的激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束作为触发信号，第二激光束入射到扫描振镜的中心位置，在PLC（1）的控制下扫描振镜可以控制第二激光束以一定速度在待检测的含缺陷青铜器上表面一定范围内进行扫描入射；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器（7）、前置放大器、配有触发电路的高速数据采集卡，电容式位移传感器（7）设置在待检测的含缺陷青铜器上表面第一距离处与待检测的含缺陷青铜器为非接触式测量关系；电容式位移传感器（7）的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连接，前置放大器的信号输出端与高速数据采集卡的信号输入端相连接；所述高速数据采集卡的触发电路位于第一激光束的光路上；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统（9）和显示屏（10），高速数据采集卡的信号输出端与数据处理系统（9）的信号输入端相连接，数据处理系统（9）的信号输出端与显示屏（10）相连接。

6.如权利要求5所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，其特征在于，所述扫描振镜的内部镜片以一定速率在20°角的空间范围内自由偏转，从而控制两束重叠激光束以一定速度在大小为50*50mm的方框内任意入射。

7.如权利要求6所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，其特征在于，所述光路调节系统包括顺次位于两台激光发射器出射光路上的第一凸透镜（11）、分光镜（12）、第二凸透镜（13）以及反射镜（14）；所述触发电路位于分光镜（12）的反射光路上，第二凸透镜（13）以及反射镜（14）顺次位于分光镜（12）的透射光路上；所述扫描振镜位于反射镜（14）的反射光路上；光路系统集成还包括水平放置的U型接地架（3）；所述三维移动平台固定在U型接地架（3）之上；待检测的含缺陷青铜器可由输送装置输送穿过U型接地架（3）的开口到达扫描振镜的下方。

8.如权利要求7所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，其特征在于：经过两个凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该尺寸的激光光斑激发激光超声波的分辨率与高速数据采集卡的100MHz采样频率对应。

9.如权利要求5~8任一项所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，其特征在于：所述电容式位移传感器（7）设置在待检测的含缺陷青铜器上表面20mm处。

10.如权利要求5~8任一项所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，其特征在于：所述激光发射器均为Nd：YAG激光发射器。