CN109374627A - 一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法。该方法包括如下步骤：首先，通过激光器激发的脉冲激光作用在样品表面激发出超声体波；其次，在样品的另一侧表面，利用探测激光聚焦在激发激光的对心位置处来探测超声体波信号；再次，通过二维移动样品实现扫查，选取样品无缺陷位置处信噪比较高的超声体波作为参考波，对所有扫查点处探测得到的超声波信号进行互相关运算；最后，通过计算超声波信号波形相关系数和相关系数最大处的波形时延值来对内部缺陷进行检测。本发明的激光超声透射时延检测方法对于内部缺陷尤其是亚毫米微缺陷的检测具有高灵敏度和高稳定性，能够实现内部缺陷的准确定位和定量，适用于各类材料的无损检测。

Description

一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法

技术领域

本发明属于材料无损检测技术领域，具体涉及一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法。

背景技术

内部缺陷广泛存在于各类材料和产品工件中，如果未能及时检测发现，这些缺陷在外力作用下将逐渐扩展，导致工件产品断裂失效，严重危及产品质量与工程安全，因此，对材料内部缺陷进行准确和及时的无损检测至关重要。然而，随着工业自动化和智能化的发展，对于内部缺陷的无损检测也提出了高精度、高速在线检测以及非接触检测等高要求，常规无损检测手段已经难以满足要求。激光超声技术（固体中的激光超声[M]. 北京:人民邮电出版社, 2015.）作为一种新兴的超声无损检测技术，具有无辐射、非接触、快速检测、高空间分辨率、可适应高温高压恶劣环境、激发的超声波具有宽频带等优点，在材料内部缺陷检测方面具有广阔的应用前景。

然而，利用现有激光超声技术对内部缺陷尤其是亚毫米级的微小内部缺陷进行检测还存在一些技术难题，主要体现在两点：一是在激光无损激发超声波的条件下，沿垂直材料表面方向传播的超声波的幅值较低，缺陷检测信号的信噪比偏低；二是在激光超声扫描检测的过程中，材料不同扫描位置处的表面状态存在差异，对激发激光的吸收以及探测激光的信号接收都会产生较大影响，从而引起超声幅值的波动。因此，在利用超声幅值变化对缺陷进行检测时，无论是信号的低信噪比还是幅值波动均会对内部缺陷尤其是亚毫米微缺陷检测的灵敏度和稳定性造成严重影响，并且缺陷越小，该影响越大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法。

本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法包括以下步骤：

a.激光器发射出脉冲激光经凸透镜聚焦后形成圆形光源辐照在固定在平移台上的样品的一侧表面，产生超声体波，超声体波向样品的内部传播；

b.超声体波与样品中的内部缺陷作用后形成透射体波，并传播至样品的另一侧；

c.激光干涉仪的探头发射出连续的探测激光，探测激光辐照在样品另一侧表面，探测激光与圆形光源分布在样品两侧的对心位置处，探测激光探测超声体波和透射体波的超声波信号；

d.工控机接收和记录激光器发出的触发信号和激光干涉仪探测得到的超声波信号，同时，工控机控制平移台沿扫查路径进行二维运动，带动样品进行二维扫查检测；

e.选取样品的无缺陷位置处扫查信号中信噪比≥24 dB的超声体波作为参考波，对扫查路径上所有点探测得到的超声波信号波形进行互相关运算，计算超声波信号波形相关系数和超声波信号波形相关系数最大处的波形时延值；

f.将所有探测点处计算得到超声波信号波形相关系数以及波形时延值绘制成相关系数C扫图和时延C扫图，依据C扫图中的灰度值差异来准确测定内部缺陷的位置和尺寸。

步骤a中的圆形光源的直径D范围为1 mm≤ D≤2 mm。

步骤a中的样品为金属材料时，在样品被圆形光源辐照的一侧增加非金属覆盖层，非金属覆盖层的厚度h≤2 mm，非金属覆盖层通过耦合剂与样品表面紧密连接；或者，增加圆形光源的能量直至样品表面产生微熔蚀。

步骤d中的扫查路径在yz平面上，扫查路径上逐点扫查的步长长度小于等于期望检出的最小缺陷直径的1/2。

步骤e中，如果扫查得到超声波信号的信噪比≤16 dB，需先对超声波信号进行时域平滑、带通滤波降噪处理和空域二维中值滤波处理，提高超声波信号的信噪比。

在步骤e之前可先通过时域窗口截取超声波信号的主要特征波形，然后再进行步骤e的工作。

所述的平移台为电控步进平移台。

在本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法中，当样品为非金属材料时，将激发激光直接辐照在样品表面，圆形光源的能量控制在样品的光损伤阈值以下；当样品为金属材料时，需在金属材料覆盖非金属薄层实现圆形光源在表面约束机制下激发超声波，或需提高激发激光能量使样品表面形成热熔蚀实现圆形光源在熔蚀机制下激发超声波，以上两种条件均可在样品沿垂直表面方向上激发出高幅值的超声波。激光激发的超声体波向材料内部传播，当超声传播路径上存在缺陷时，波前与内部缺陷作用后会在缺陷影响区范围内形成透射体波的波前时延，而在无缺陷位置处的超声体波并无此时延。

本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，具有以下优点：

1．通过熔蚀机制或表面约束机制改善了金属样品中激光激发的超声波信号对心波形幅值低和信噪比低的问题。

2．通过互相关算法得到超声波信号透射波形精确的时延值，利用超声波信号的透射波前时延对内部缺陷进行表征检测，与传统技术中利用幅值变化检测缺陷相比，激光超声透射时延检测方法的干扰因素显著减少，检测结果更加准确、稳定、可靠。

本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法对于内部缺陷尤其是亚毫米微缺陷的检测具有高灵敏度和高稳定性，能够实现内部缺陷的准确定位和定量，适用于各类材料的无损检测。

附图说明

图1为本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法的检测系统示意图；

图2为实施例1中样品无黑玻璃覆盖条件下检测得到的激光超声波的对心透射波形；

图3为实施例1中样品有黑玻璃覆盖条件下检测得到的激光超声波的对心透射波形；

图4为实施例1中利用超声波幅值变化检测得到的内部缺陷的超声C扫描结果图；

图5为实施例1中利用超声波相关系数检测得到的内部缺陷的超声C扫描结果图；

图6为实施例1中利用超声波相关时延检测得到的内部缺陷的超声C扫描结果图；

图中，1.激光器 2.凸透镜 3.圆形光源 4.样品 5.超声体波 6.内部缺陷 7.透射体波 8.探测激光 9.探头 10.激光干涉仪 11.工控机 12.扫描路径 13.平移台14.触发信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法的检测系统由图1示出。

本发明的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法包括以下步骤：

a.激光器1发射出脉冲激光经凸透镜2聚焦后形成圆形光源3辐照在固定在平移台13上的样品4的一侧表面，产生超声体波5，超声体波5向样品4的内部传播；

b.超声体波5与样品4中的内部缺陷6作用后形成透射体波7，并传播至样品4的另一侧；

c.激光干涉仪10的探头9发射出连续的探测激光8，探测激光8辐照在样品4另一侧表面，探测激光8与圆形光源3分布在样品4两侧的对心位置处，探测激光8探测超声体波5和透射体波7的超声波信号；

d.工控机11接收和记录激光器1发出的触发信号14和激光干涉仪10探测得到的超声波信号，同时，工控机11控制平移台13沿扫查路径12进行二维运动，带动样品4进行二维扫查检测；

e.选取样品4的无缺陷位置处扫查信号中信噪比≥ 24dB的超声体波5作为参考波，对扫查路径12上所有点探测得到的超声波信号波形进行互相关运算，计算超声波信号波形相关系数和超声波信号波形相关系数最大处的波形时延值；

f.将所有探测点处计算得到超声波信号波形相关系数以及波形时延值绘制成相关系数C扫图和时延C扫图，依据C扫图中的灰度值差异来测定内部缺陷6的位置和尺寸。

步骤a中的圆形光源3的直径D范围为1mm≤D≤2mm。

步骤a中的样品4为金属材料时，在样品4被圆形光源3辐照的一侧增加非金属覆盖层，非金属覆盖层的厚度h≤2mm，非金属覆盖层通过耦合剂与样品4表面紧密连接；或者，增加圆形光源3的能量直至样品4表面产生微熔蚀。

步骤d中的扫查路径12在yz平面上，扫查路径12上逐点扫查的步长长度小于等于期望检出的最小缺陷直径的1/2。

步骤e中，如果扫查得到超声波信号的信噪比≤16 dB，需先对超声波信号进行时域平滑、带通滤波降噪处理和空域二维中值滤波处理，提高超声波信号的信噪比。

在步骤e之前先通过时域窗口截取超声波信号的主要特征波形，然后再进行步骤e的工作。

所述的平移台13为电控步进平移台。

本发明被测样品的厚度可为1 mm- 50 mm。

实施例1

本实施例用于检测铝合金样品的内部缺陷。

Nd：YAG激光器激发出波长1064 nm、脉宽7ns、重复频率10Hz、单脉冲能量20mJ的脉冲激光，经过凸透镜后聚焦为直径1 mm的圆形光源辐照在铝合金样品表面，激发出超声波并沿垂直样品表面方向向样品内部传播。在圆形光源辐照样品表面的另一侧对心位置处，利用激光干涉仪辐照出波长为532nm、功率为200 mW的连续激光对超声波信号进行非接触探测。激发激光器发出的触发信号以及激光干涉仪探测得到的超声信号均被传输到工控机上进行波形显示和处理，超声波信号被平均8次上以提高超声波信号的信噪比。铝合金样品固定在精密移动平台上，可在yz面上二维移动以实现扫描检测。

圆形光源直径D的范围为1 mm≤D≤2 mm，当D<1 mm时，圆形光源的光功率密度较大，容易对样品表明产生损伤，并且小直径圆形光源激发出的超声体波具有一定的发散角，超声波能量不集中，不利于扫描检测；而当D>2 mm时，圆形光源直径偏大，探测激光的精确对心困难，不利于检测空间分辨率的提高，并且由于直径增大后激光的光功率密度减小，激发的超声波幅值降低，超声波信号的信噪比降低。因此，圆形光源的直径需在适当的范围内，经实验验证，D的范围在1 mm≤D≤2 mm时，检测效果较好。

当样品为金属材料时，为了改善超声体波的传播方向和激发幅值，有两种方式可供选择。一是提高辐照在样品表面的圆形光源的能量，使样品表面产生微熔蚀，对于不同的金属材料，使样品产生微熔蚀的激光能量有所不同；二是在金属样品表面增加一层薄的非金属覆盖层，非金属层与样品之间通过超声耦合剂或胶结剂耦合，非金属层的厚度h不大于2 mm，避免厚度过大而增加超声波的衰减，同时，该非金属材料对于1064 nm的激光应具有较大的光学穿透深度（大于50 μm），如玻璃、硅、金刚石、塑料、聚氯乙烯、聚乙烯等。上述两种方式均可实现金属材料样品中超声体波激发幅值的增加以及传播方向的改变。

本实施例中，在铝合金样品表面覆盖了一层2mm厚的黑玻璃，圆形光源与探测激光处于样品两侧的对心位置，图2、3示出样品覆盖黑玻璃前后探测得到的超声波信号。图2为无黑玻璃覆盖时的超声波体波波形，图3为有黑玻璃覆盖时的超声波体波波形，对比可知，增加黑玻璃覆盖层后，超声波的幅值得到明显增强，大大提升了超声波信号的信噪比。

铝合金样品中的内部缺陷为真实气孔缺陷，经微焦点射线数字成像检测，缺陷的直径为0.8 mm。对样品在yz平面内按图1示出的扫查路径进行二维C扫描检测，检测区域为中心9 mm*9 mm，为了提高缺陷检测灵敏度，扫描步长间距需小于期望检出缺陷尺寸的一半(0.4 mm)，因此设定扫描步长为0.3 mm，扫描点数为30*30个。

为了提高缺陷检测的准确性、稳定性和可靠性，利用超声波与内部缺陷作用后的波形相关时延来检测缺陷，相关时延值的大小与缺陷尺寸存在定量关系，并且不受幅值扰动的影响。利用波形互相关算法来提取波形时延值，方法如式(1)所示：

(1)

其中，r(t)为在C扫描检测中无缺陷位置处选定的一个信噪比较好的超声波信号，将其作为参考波形，s(t)为任意扫描位置处的超声波信号，B(τ)为r(t)和s(t)这两个波形互相关运算后的归一化互相关系数。当相关系数到最大时，说明两个超声波信号的波形最相关，此时τ的取值即为两信号的相关时延值Δt。通过该方法将每个扫描位置处的超声波信号波形与信号参考波形逐一进行互相关运算即可求得所有扫描位置处超声波信号的波形互相关系数和时延值，据此来实现内部微小缺陷的准确和稳定检测。

由于试样表面粗糙度的差异，扫描检测信号的信噪比存在较大的波动。因此，超声波参考波形得选取需对信号的信噪比提出要求，应当选取信噪比较高的信号。当超声波信号的信噪比大于等于24dB时，将样品不同位置探测得到的超声波信号的两个波形进行互相关计算，其相关系数大于0.9，具有较好的相关性，可以作为参考波形。对于在任意扫描位置探测得到的超声波信号，当信噪比低于16 dB时，该低信噪比信号波形与高信噪比参考波形的相关系数小于0.6，并且相关时延值得计算会出现一定的偏差，此时，应该在互相关运算前对所有扫描的超声波信号进行适当的时域带通滤波、平滑滤波和二维空域中值滤波处理，提高整体扫描信号的信噪比。

在亚毫米微小气孔的检测中，激光超声透射时延检测方法得到了充分应用。图3分别示出了利用激光超声透射体波的幅值变化、相关系数、相关时延检测得到的扫描结果图。对比可知，图4示出的是利用超声波幅值变化检测缺陷得到的图像，信噪比较低，缺陷的轮廓未能清晰显示，缺陷的定量值为1.7 mm，与真实值0.8 mm存在较大差别；图5示出的是利用超声波相关系数检测缺陷得到的图像，信噪比较高，检出缺陷的轮廓清晰，缺陷的定量值为1.2 mm，与真实值0.8 mm较为接近；图6示出的是利用超声波相关时延检测缺陷得到的图像，信噪比较高，检出缺陷的轮廓清晰，缺陷的定量值为0.9 mm，与真实值0.8 mm非常接近。上述结果表明，利用超声波相关系数和时延检测法均可有效检出材料内部的微小缺陷，检测图像的信噪比较高，不受超声波透射信号幅值波动的影响，其中透射时延检测法能够更准确的测得缺陷的尺寸，检测的准确性和稳定性更高。

实施例2

本实施例用于检测非金属材料样品的内部缺陷。该非金属材料可以是硅、不透明玻璃、陶瓷、塑料等。

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，圆形光源3直接辐照于样品表面，圆形光源3的光功率密度小于非金属样品的光损伤阈值。

Claims (7)

1.一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.激光器（1）发射出脉冲激光经凸透镜（2）聚焦后形成圆形光源（3）辐照在固定在平移台（13）上的样品（4）的一侧表面，产生超声体波（5），超声体波（5）向样品（4）的内部传播；

b.超声体波（5）与样品（4）中的内部缺陷（6）作用后形成透射体波（7），并传播至样品（4）的另一侧；

c.激光干涉仪（10）的探头（9）发射出连续的探测激光（8），探测激光（8）辐照在样品（4）另一侧表面，探测激光（8）与圆形光源（3）分布在样品（4）两侧的对心位置处，探测激光（8）探测超声体波（5）和透射体波（7）的超声波信号；

d.工控机（11）接收和记录激光器（1）发出的触发信号（14）和激光干涉仪（10）探测得到的超声波信号，同时，工控机（11）控制平移台（13）沿扫查路径（12）进行二维运动，带动样品（4）进行二维扫查检测；

e.选取样品（4）的无缺陷位置处扫查信号中信噪比≥ 24dB的超声体波（5）作为参考波，对扫查路径（12）上所有点探测得到的超声波信号波形进行互相关运算，计算超声波信号波形相关系数和超声波信号波形相关系数最大处的波形时延值；

f.将所有探测点处计算得到超声波信号波形相关系数以及波形时延值绘制成相关系数C扫图和时延C扫图，依据C扫图中的灰度值差异来准确测定内部缺陷（6）的位置和尺寸。

2.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：步骤a中的圆形光源（3）的直径D范围为1 mm≤ D≤2 mm。

3.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：步骤a中的样品（4）为金属材料时，在样品（4）被圆形光源（3）辐照的一侧增加非金属覆盖层，非金属覆盖层的厚度h≤2 mm，非金属覆盖层通过耦合剂与样品（4）表面紧密连接；或者，增加圆形光源（3）的能量直至样品（4）表面产生微熔蚀。

4.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：步骤d中的扫查路径（12）在yz平面上，扫查路径（12）上逐点扫查的步长长度小于等于期望检出的最小缺陷直径的1/2。

5.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：步骤e中，如果扫查得到超声波信号的信噪比≤16 dB，需先对超声波信号进行时域平滑、带通滤波降噪处理和空域二维中值滤波处理，提高超声波信号的信噪比。

6.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：在步骤e之前先通过时域窗口截取超声波信号的主要特征波形，然后再进行步骤e的工作。

7.根据权利要求1 所述的材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法，其特征在于：所述的平移台（13）为电控步进平移台。