CN107688051A - 一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法。其步骤为：1)脉冲激光器探头和超声波探头放置在工件亚表面缺陷的一侧，且脉冲激光在亚表面缺陷和超声探头之间；2)脉冲激光器在工件表面激励出声表面波，超声探头分别测得直达表面波信号R₁和从缺陷反射回的表面波信号RR₁；3)取下超声探头，控制二维位移平台运动，使脉冲激光在亚表面缺陷的另外一侧，放置超声探头，且脉冲激光在亚表面缺陷和超声探头之间；4)重复步骤2)，超声探头测得直达表面波信号R₂和从缺陷反射回的表面波信号RR₂；5)通过两次超声探头测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，二维运动平台运动位移d，以及表面波回波时间补偿系数α，计算出亚表面缺陷的宽度。本发明能够用于在位检测，且对于不同深度的和内部形状的亚表面缺陷均能准确测得其宽度。

Description

一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法。

背景技术

亚表面缺陷是在诸如精磨、抛光等超精密加工过程中产生，深度在几微米到上百微米之间的微小缺陷，缺陷尺寸在几个微米到几十个微米之间。由于它不在工件的表面，且十分微小，常规方法不容易检测到。在使用的过程中，亚表面缺陷会对设备的安全运行产生极大的威胁，同时还可能造成严重的后果，比如设备故障，安全事故和严重的经济损失等等。为此，众多学者致力于研究检测亚表面缺陷的方法。

在已有的研究中，Balogun等人开发了一套基于激光超声的扫描超声显微镜系统，该系统利用皮秒激光器激励上GHz的超声纵波，然后用激光干涉的方法探测带有缺陷信息的超声振动信号，通过运动平台的扫描，该系统可以对缺陷进行成像，但是该系统复杂且昂贵，需要激励和检测上GHz的超声，同时该方法横向分辨率不高，对于亚表面缺陷的宽度测量有一定的局限性。Kromine等人发明了一种激光线源扫描技术来探测亚表面缺陷，通过线源激光产生表面波，再通过观察表面波缺陷回波在线源扫描过程中的变化，来检测亚表面缺陷。这个方法能够探测到微小的缺陷但是不能够测量出亚表面缺陷的宽度。Cho通过使用激光激发的表面波检测了粘接质量，同时通过扫描，对亚表面横向缺陷进行了定位，但是这个方法同样不能对亚表面缺陷宽度进行定量测量。其他无损检测方法有热波成像法和X射线检测法，但是热波成像对于微小缺陷不敏感，且不能进行定量检测。X射线方法比较成熟，但是设备成本高，且射线对人体有害。

在无损检测领域，检测到缺陷和对缺陷尺寸进行定量检测同样重要。对于亚表面缺陷，缺陷的深度和宽度以及走向信息在某些场合都是需要被测量的。在已有的方法中，很少有能对亚表面缺陷的宽度进行定量测量。为此，我们提出一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度检测方法，该方法简单、快速、有效。在申请号为201610524370.4的发明专利中提出了一种检测表面缺陷宽度的方法，但是其仅适用于表面缺陷，对于亚表面缺陷的宽度测量会产生大的误差，由于亚表面缺陷深度会对回波时间产生影响。如果采用脉冲激光激励超声和干涉仪探测超声，该方法可以用于在位测量，或者用于高温高压等严酷环境下的缺陷检测。

发明内容

本发明的目的是在某些需要测量亚表面缺陷宽度的场合，克服工件在其他测量系统中二次装夹而导致的耗时，提供一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法。其具体方案如下：

一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法，包括以下步骤：

1)脉冲激光器探头和超声探头放置在工件亚表面缺陷的一侧，且脉冲激光器探头在超声探头和亚表面缺陷之间；

2)利用脉冲激光器探头在工件表面激励出表面声波，再利用超声探头先后分别测得直达表面波信号R₁和从缺陷反射回的表面波信号RR₁，继而得到直达表面波信号R₁到达超声探头的时间t_R1以及从缺陷反射回的表面波信号RR₁到达超声探头的时间t_RR1；

3)将脉冲激光器探头和超声探头放置在工件亚表面缺陷的另一侧，且脉冲激光器探头在超声探头和表面缺陷之间；再重复步骤2)，得到直达表面波信号R₂和从缺陷反射回的表面波信号RR₂，继而得到直达表面波信号R₂到达超声探头的时间t_R2以及从缺陷反射回的表面波信号RR₂到达超声探头的时间t_RR2；

4)通过步骤2)和3)中超声探头测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，和步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源间的距离，以及表面波缺陷回波信号达到时间的补偿系数α，再计算出在两次测量中超声探头中心连线上的亚表面缺陷的宽度w。

作为优选，所述的工件放置在二维运动平台上，通过二维运动平台的移动改变步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源相对于亚表面缺陷的位置，且超声源和探测点的连线与亚表面缺陷的移动方向平行。

作为优选，所述的超声源的激发方法可以为线源激发，即：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出表面声波；也可以为点源激发，即：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过聚焦透镜将激光聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出表面声波

进一步的，所述的亚表面缺陷截面呈矩形，且所述的线源激光与亚表面缺陷长度方向平行。

作为优选，所述的步骤4)中亚表面缺陷的宽度w计算公式为：

其中d为步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源间的距离，v_R为表面声波在工件中的传播速度，α为表面波缺陷回波到达时间补偿系数。

进一步的，表面波缺陷回波到达时间补偿系数α的计算公式为：

其中n是具有不同深度亚表面缺陷样品的数量，t_RR是在表面缺陷中，表面波从表面缺陷的上顶角的回波达到时间；t_RRi是表面波从不同深度的亚表面缺陷的回波达到时间。

作为优选，所述的工件厚度大于5mm。

本发明相对于现有技术的有益效果为：第一，本发明可以避免加工后测量的二次装夹，本发明可以进行在位测量。在需要测量亚表面缺陷宽度的场合。传统测量方法是，在对工件亚表面缺陷深度测量后，将工件重新装夹到亚表面缺陷宽度测量系统(比如显微镜系统，热波成像测量系统等)中，效率低下。第二，本发明方法简单，成本较低，测量速度快，精度高。采用X射线检测方法，设备成本高，且射线对人体有害。采用高频纵波超声检测方法，设备复杂，检测速度慢，且横向分辨率不高，测量精度低。

附图说明

图1是基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法的一种检测状态示意图；

图2是基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法的另一种检测状态示意图；

图3是基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法线源激光和探测点示意图；

图中，工件1、二维运动平台2、脉冲激光器探头3、超声探头4、示波器5、表面缺陷6、线源激光7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。

本发明的实施例涉及一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的检测方法，该方法利用聚焦成线源的脉冲激光在工件表面产生表面波，表面波遇到亚表面缺陷而产生散射回波信号，通过对入射表面波信号和散射回波信号的接收和计算，从而实现对工件亚表面缺陷宽度的检测。

本发明的基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的检测方法基本原则与发明内容部分一致，具体步骤如下：

1)将带有表面缺陷6的工件1放置在二维运动平台2上，使工件长边和短边分别与二维运动平台2的两个运动方向平行；将脉冲激光器探头3和超声探头4放置在工件表面缺陷6的左侧(如图1所示)，脉冲激光器探头3在超声探头4和表面缺陷6之间，且超声探头4和脉冲激光器探头3的连线与亚表面缺陷6的长度方向垂直(如图1所示)；

2)脉冲激光器探头3发出脉冲激光，经过柱透镜聚焦成一条直线，且线源激光7与表面缺陷6长度方向平行(如图3所示)，线源激光7照射在工件1表面激励出表面声波，超声探头4先后分别测得直达表面波信号R₁和从缺陷反射回的表面波信号RR₁，并显示在示波器5中，得到直达表面波信号R₁到达超声探头4的时间t_R1，从缺陷反射回的表面波RR₁到达超声探头4的时间t_RR1；

3)控制二维位移平台2向x轴的负方向运动位移d，使脉冲激光器探头3和超声探头4在表面缺陷的右侧(如图2所示)；

4)重复步骤2)，超声探头4先后测得直达表面波信号R₂和从缺陷反射回的表面波信号RR₂，同样得到直达表面波信号R₂到达超声探头4的时间t_R2，从缺陷反射回的表面波RR₂到达超声探头4的时间t_RR2；

5)通过超声探头4前述两次测量得到的直达表面波信号和从缺陷反射回的表面波信号到达时间，以及二维运动平台运动距离和表面波缺陷回波到达时间补偿系数α，计算出亚表面缺陷的宽度w，计算公式如下：

补偿系数α通过以下公式确定：

其中n是具有不同深度亚表面缺陷样品的数量，t_RR是在表面缺陷中，表面波从表面缺陷的上顶角的回波达到时间；t_RRi是表面波从不同深度的亚表面缺陷的回波达到时间。在本实例中亚表面缺陷的深度有5种，则n为5。通过获取各个时间计算得到α为1.0008。

以上述方法对某铝块亚表面缺陷宽度进行检测，其中铝块的长100mm、宽50mm、厚10mm，用KEYENCE VHX-600测量得到亚表面缺陷(深度156.23μm)宽度为335.51μm作为参照。将铝块放置在二维运动平台上，并用脉冲激光器探头和超声探头分别在铝块上的表面缺陷的左侧激发和接收表面波，超声探头将先后接收到从激发源直接到达的表面波R和从缺陷反射回的表面波RR，超声探头将探测到的信号传输给示波器，将数据保存并在电脑上读取，得到表面波直达波时间t_R1和反射波时间t_RR1。控制二维运动平台运动位移d，使得脉冲激光器探头和超声探头在缺陷右侧完成上述步骤并得到t_R2和t_RR2。

为了展现技术效果，本发明同步设置了对比例，对比例与实施例的区别仅在于不设置补偿系数α。即亚表面缺陷的宽度w的计算公式如下：

最终实施例和对比例的测量结果及其相对误差如下表所示：

从表中可以看出，本发明对于材料亚表面缺陷宽度的检测结果具有很高的精度，且本检测方法通过引入一个时间补偿系数，使得对亚表面缺陷宽度的测量成为可能。相比于没有引入α的对比例而言，实施例的准确性得到了大大的提升。另外，该方法使用了接触式PZT探头，降低了使用该方法的条件和设备成本。本发明简单快速有效，不像显微镜测量一样需要将待测样品从加工中取下放到待测区。同时本发明也可使用干涉仪进行超声探测，以实现在位检测，提高检测效率。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)脉冲激光器探头(3)和超声探头(4)放置在工件(1)亚表面缺陷(6)的一侧，且脉冲激光器探头(3)在超声探头(4)和亚表面缺陷(6)之间；

2)利用脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出表面声波，再利用超声探头(4)先后分别测得直达表面波信号R₁和从缺陷反射回的表面波信号RR₁，继而得到直达表面波信号R₁到达超声探头(4)的时间t_R1以及从缺陷反射回的表面波信号RR₁到达超声探头(4)的时间t_RR1；

3)将脉冲激光器探头(3)和超声探头(4)放置在工件(1)亚表面缺陷(6)的另一侧，且脉冲激光器探头(3)在超声探头(4)和表面缺陷(6)之间；再重复步骤2)，得到直达表面波信号R₂和从缺陷反射回的表面波信号RR₂，继而得到直达表面波信号R₂到达超声探头(4)的时间t_R2以及从缺陷反射回的表面波信号RR₂到达超声探头(4)的时间t_RR2；

4)通过步骤2)和3)中超声探头(4)测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，和步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源间的距离，以及表面波缺陷回波信号达到时间的补偿系数α，再计算出在两次测量中超声探头(4)中心连线上的亚表面缺陷的宽度w。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的工件(1)放置在二维运动平台(2)上，通过二维运动平台(2)的移动改变步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源相对于亚表面缺陷(6)的位置，且超声源和超声探头(4)的连线与亚表面缺陷(6)的移动方向平行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超声源的激发方法为线源激发，即：脉冲激光器探头(3)发出脉冲激光经过柱透镜聚焦成线源激光(7)，照射在工件(1)表面并激励出表面声波。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超声源的激发方法为点源激发，即：脉冲激光器探头(3)发出脉冲激光经过聚焦透镜将激光聚焦成点源激光，照射在工件(1)表面并激励出表面声波。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述的亚表面缺陷(6)的呈矩形，且所述的线源激光(7)与表面缺陷(6)长度方向平行。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤4)中亚表面缺陷的宽度w计算公式为：

<mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>R</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中d为步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源间的距离，v_R为表面声波在工件(1)中的传播速度，α为表面波缺陷回波到达时间补偿系数。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的表面波缺陷回波到达时间补偿系数α的计算公式为：

<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>n</mi> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>n</mi> </mrow>

其中n是具有不同深度亚表面缺陷样品的数量，t_RR是在表面缺陷中，表面波从表面缺陷的上顶角的回波达到时间；t_RRi是表面波从不同深度的亚表面缺陷的回波达到时间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的工件(1)厚度大于5mm。