CN107271370A - 一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其方法，该系统包括脉冲激光器，所述脉冲激光器分别连接控制器和振镜扫描系统，所述振镜扫描系统一侧设有石英块，石英块下端设有OA材料层，OA材料层下端设有待检测内部缺陷的被测材料，所述石英块上端设有纵波传感器，纵波传感器分别连接X‑Y轴精密移动平台和信号调理电路，所述信号调理电路连接A/D采集卡，A/D采集卡分别连接上位机软件系统和控制器，所述控制器还分别与振镜扫描系统、X‑Y轴精密移动平台、上位机软件系统连接。该检测系统不仅能短时间内对材料内部缺陷进行位置检测，而且能对内部缺陷大小、形状定量化检测。
Description
一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其方法。
背景技术
[0002]激光超声作为一种新的无损检测方法，该方法主要利用脉冲激光器在被测试块中 产生超声波信号。激光超声检测技术具有以下优点:与被测试块非接触产生超声波信号，一 次激发出声表面波、横波、纵波等，可以实现对被测试块的快速扫描成像，同时可以对一些 运动的工件进行在线检测。为了保证在产品生产初期尽快尽早的发现产品中产生的缺陷， 提高生产产品的质量，需要一种高效的无损检测方法，对产品中的内部缺陷进行快速扫描 成像检测，这里我们提出一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其方法。
[0003] 目前现有的激光超声检测系统，主要采用脉冲激光器作为激励，在被测试件中激 发产生超声波信号，采用单个超声波传感器或激光干涉仪等方法接收超声波信号，这种激 光超声波成像检测系统对被测试件进行二维扫描检测，通过还原超声波传播图像，实现对 材料缺陷的可视化检测。当被测试件中存在内部缺陷时，这种激光超声检测系统无法对内 部缺陷实施有效检测。
发明内容
[0004] 本发明其目的就在于提供一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统及其 方法，解决了现有激光超声检测系统无法对被测试件中的内部缺陷实施有效检测的问题。
[0005] 为实现上述目的而采取的技术方案是， 一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，该系统包括脉冲激光器，所述脉冲 激光器分别连接控制器和振镜扫描系统，所述振镜扫描系统一侧设有石英块，石英块下端 设有0A材料层，0A材料层下端设有待检测内部缺陷的被测材料，所述石英块上端设有纵波 传感器，纵波传感器的输出端分别连接X-Y轴精密移动平台和信号调理电路，所述信号调理 电路的输出端连接A/D采集卡，A/D采集卡的输出端分别连接上位机软件系统和控制器，所 述控制器还分别与振镜扫描系统、X-Y轴精密移动平台和上位机软件系统连接。
[0006] 一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测方法，包括以下步骤： (1) 脉冲激光器将产生的激光束通过光纤射入到振镜扫描系统中，动镜扫描系统通过 改变激光束的射入到石英块的位置，实现对0A材料层进行X-Y轴逐点扫描； (2) 0A材料层在激光的作用下，由于激光热弹效应在材料产生超声波信号，其中OA材料 层的作用是放大激光产生的纵波信号，约束激光产生的声表面波及横波信号； (3) 激光产生的纵波信号传播到被测材料的底端经反射后通过〇A材料层和石英块，被 纵波传感器接收，当激光束发生位置偏转时，控制器通过控制X-Y轴精密移动平台移动纵波 传感器，以满足当激光激励位置发生改变，纵波传感器能接收到产生的纵波信号； (4) 纵波传感器将接收到的纵波信号通过信号调理电路，被A/D采集卡采集后存储于上 位机软件系统中； (5)上位机软件将接收到的纵波信号存储于(x，Y，t)三维数组中，当被测材料内部存在 缺$时，纵波信号还未传播到材料底端就发生反射，这时接收到的一次纵波最大峰值时间 提前;当被测材料内部不存在缺陷时，纵波信号需传播到材料底端发生反射，这时接收到的 一次纵波最大峰值时间推迟，根据波速、传播时间及传播距离之间的关系:s=Vt/2可以计算 出内部缺陷的位置;同时上位机软件通过比较不同位置处接收的一次纵波最大峰值时间， 确定内部缺陷的位置及选取该时刻的纵波传播图像，实现对材料内部缺陷的可视化检测。 [0007]有益效果 与现有技术相比本发明具有以下优点。
[0008] 1 •突破了现有激光超声检测系统无法对材料缺陷定量检测的缺点； 2 •利用0A材料层提高激光束在材料中的光声转换效应，提高了激光束在材料中产生的 纵波幅值，约束了横波及声表面波信号； 3 •该检测方法不需对大量数据进行处理分析，只需根据到达纵波传感器的一次纵波最 大峰值时间不同，计算出材料缺陷的位置。选取该时刻纵波在材料内部的传播图像，数据分 析量小，且提高了整个检测系统的效率； 4 •该检测方法不受盲区的影响，适用于材料表面、近表面、内部的缺陷，不仅操作简单、 重复性好、而且不依赖于检测人员的技术水平。
附图说明
[0009]以下结合附图对本发明作进一步详述。
[0010]图1为本发明一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统结构原理示意图； 图2为本发明一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统的扫描方式视图。
具体实施方式
[0011] —种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，该系统包括脉冲激光器i，如图 1所示，所述脉冲激光器1分别连接控制器12和振镜扫描系统3，所述振镜扫描系统3—侧设 有石英块4，石英块4下端设有0A材料层5，0A材料层5下端设有待检测内部缺陷6的被测材料 7,所述石英块4上端设有纵波传感器8,纵波传感器8的输出端分别连接X-Y轴精密移动平台 9和信号调理电路10,所述信号调理电路10的输出端连接A/D采集卡11，A/D采集卡11的输出 端分别连接上位机软件系统13和控制器12,所述控制器I2还分别与振镜扫描系统3、X-Y轴 精密移动平台9和上位机软件系统13连接。
[0012] 所述脉冲激光器1经光纤2与振镜扫描系统3连接。
[0013]所述振镜扫描系统3的X、Y方向旋转小镜的扫描视角为±25°，最大扫描频率可达 3kHz〇
[0014]所述X-Y轴精密移动平台9包括X-Y方向的电机平台，其中最大扫描区域为1000 X 1000mm，最大扫描速度可达2m/s，扫描间距为0.1-5mm可调。
[0015]所述A/D采集卡11最高采样频率为100M;脉冲激光器1为Nd:YAG脉冲激光器。
[0016] 一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测方法，包括以下步骤： (1)脉冲激光器将产生的激光束通过光纤射入到振镜扫描系统中，动镜扫描系统通过 改变激光束的射入到石英块的位置，实现对0A材料层进行X-Y轴逐点扫描； (2) 0A材料层在激光的作用下，由于激光热弹效应在材料产生超声波信号，其中〇a材料 层的作用是放大激光产生的纵波信号，约束激光产生的声表面波及横波信号； (3) 激光产生的纵波信号传播到被测材料的底端经反射后通过〇A材料层和石英块，被 纵波传感器接收，当激光束发生位置偏转时，控制器通过控制X-Y轴精密移动平台移动纵波 传感器，以满足当激光激励位置发生改变，纵波传感器能接收到产生的纵波信号； (4) 纵波传感器将接收到的纵波信号通过信号调理电路，被A/D采集卡采集后存储于上 位机软件系统中； (5) 上位机软件将接收到的纵波信号存储于(X，Y，t)三维数组中，当被测材料内部存在 缺陷时，纵波信号还未传播到材料底端就发生反射，这时接收到的一次纵波最大峰值时间 提前;当被测材料内部不存在缺陷时，纵波信号需传播到材料底端发生反射，这时接收到的 一次纵波最大峰值时间推迟，根据波速、传播时间及传播距离之间的关系：S=Vt/2可以计算 出内部缺陷的位置;同时上位机软件通过比较不同位置处接收的一次纵波最大峰值时间， 确定内部缺陷的位置及选取该时刻的纵波传播图像，实现对材料内部缺陷的可视化检测。 实施例
[0017]选取试件奥氏体不锈钢材料，规格为800 X 8〇〇 X 20mm，将其奥氏体不锈钢材料放 置在该系统中进行扫描检测，如图2所示。
[0018] 1、脉冲激光器发出的激光束通过光纤导入到振镜扫描系统中，控制器控制振镜扫 描系统改变激光束通过石英块射入到0A材料层中的激励位置，按照图2所给出的扫描方式 一或扫描方式二对奥氏体不诱钢材料进行逐点扫描，其中扫描间隔为〇 • 2 mm，扫描区域为 200mmX 200mm； 2、 0A材料层在激光的作用下，由于激光热弹效应在材料产生超声波信号，其中0A材料 层的作用是放大激光产生的纵波信号，约束激光产生的声表面波及横波信号； 3、 激光产生的纵波信号传播到被测材料的底端经反射后通过0A材料层和石英块，被纵 波传感器接收，当激光束发生位置偏转时，控制器通过控制X-Y轴精密移动平台移动纵波传 感器，以满足当激光激励位置发生改变，纵波传感器能接收到产生的纵波信号； 4、 纵波传感器将接收到的纵波信号通过信号调理电路，被A/D采集卡采集后存储于上 位机软件系统中； 上位机软件将接收到的纵波信号存储于(X，Y，t)三维数组中，当被测材料内部存在缺 陷时，纵波信号还未传播到材料底端就发生反射，这时接收到的一次纵波最大峰值时间提 前;当被测材料内部不存在缺陷时，纵波信号需传播到材料底端发生反射，这时接收到的一 次纵波最大峰值时间推迟，根据波速、传播时间及传播距离之间的关系:S=Vt/2可以计算出 内部缺陷的位置；同时上位机软件通过比较不同位置处接收的一次纵波最大峰值时间，确 定内部缺陷的位置及选取该时刻的纵波传播图像，实现对材料内部缺陷的可视化检测，其 中纵波传播图像采取颜色的形式呈现。
Claims (6)
1. 一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，该系统包括脉冲激光器（1)，其特 征在于，所述脉冲激光器（1)分别连接控制器（12)和振镜扫描系统(3)，所述振镜扫描系统 ⑶一侧设有石英块(4)，石英块⑷下端设有0A材料层⑸，〇A材料层⑸下端设有待检测内 部缺陷⑹的被测材料(7)，所述石英块⑷上端设有纵波传感器⑻，纵波传感器⑻的输出 端分别连接X-Y轴精密移动平台（9)和信号调理电路（1〇)，所述信号调理电路（1〇)的输出 端连接A/D采集卡（11)，A/D采集卡（11)的输出端分别连接上位机软件系统（13)和控制器 (12)，所述控制器(1¾还分别与振镜扫描系统(3)、X-Y轴精密移动平台⑼和上位机软件系 统（13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，其特征在 于，所述脉冲激光器(1)经光纤⑵与振镜扫描系统⑶连接。
3. 根据权利要求1所述的一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，其特征在 于，所述振镜扫描系统（3)的X、Y方向旋转小镜的扫描视角为±25°，最大扫描频率可达 3kHz〇
4. 根据权利要求1所述的一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，其特征在 于，所述X-Y轴精密移动平台（9)包括X-Y方向的电机平台，其中最大扫描区域为1 〇〇〇 x 1000mm，最大扫描速度可达2m/s，扫描间距为0 • 1-5mm可调。
5. 根据权利要求1所述的一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测系统，其特征在 于，所述A/D采集卡(11)最高采样频率为100M;脉冲激光器(1)为Nd:YAG脉冲激光器。
6. 根据权利要求1所述的一种基于材料内部缺陷检测的激光超声检测方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1) 脉冲激光器将产生的激光束通过光纤射入到振镜扫描系统中，动镜扫描系统通过 改变激光束的射入到石英块的位置，实现对0A材料层进行X-Y轴逐点扫描； (2) 0A材料层在激光的作用下，由于激光热弹效应在材料产生超声波信号，其中〇A材料 层的作用是放大激光产生的纵波信号，约束激光产生的声表面波及横波信号； (3) 激光产生的纵波信号传播到被测材料的底端经反射后通过0A材料层和石英块，被 纵波传感器接收，当激光束发生位置偏转时，控制器通过控制X-Y轴精密移动平台移动纵波 传感器，以满足当激光激励位置发生改变，纵波传感器能接收到产生的纵波信号； (4) 纵波传感器将接收到的纵波信号通过信号调理电路，被A/D采集卡采集后存储于上 位机软件系统中； (5) 上位机软件将接收到的纵波信号存储于(X，Y，t)三维数组中，当被测材料内部存在 缺陷时，纵波信号还未传播到材料底端就发生反射，这时接收到的一次纵波最大峰值时间 提前;当被测材料内部不存在缺陷时，纵波信号需传播到材料底端发生反射，这时接收到的 一次纵波最大峰值时间推迟，根据波速、传播时间及传播距离之间的关系：S=Vt/2可以计算 出内部缺陷的位置；同时上位机软件通过比较不同位置处接收的一次纵波最大峰值时间， 确定内部缺陷的位置及选取该时刻的纵波传播图像，实现对材料内部缺陷的可视化检测。
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