CN109799192A - 一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法，该系统包括光源、第一反射镜、第二反射镜、光学介质、连续激光器、分束器、光电检测器、机械手、控制器、信号调理装置、数据采集卡和计算机。该方法通过光源发出脉冲激光投射到检测对象表面，基于热弹机制产生的超声波穿过两个反射镜之间的光学介质引起透射和反射激光强度的变化，利用光电检测器测量激光强度并输出信号，在机械扫查单元的辅助下完成感兴趣区域的扫查，扫查的同时同步采集输出信号和扫查位置数据，经数据处理后即可得到缺陷的三维分布信息。本发明使用激光进行超声波的激发和检测，适应了复杂的检测条件，实现了任意曲面零部件缺陷的快速准确自动化无损检测。

Description

一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法。

背景技术

超声波检测技术由于其非侵入性、无辐射、实时、成本低、便于移动等优点在工业无损检测领域中起着重要作用。随着工业的快速发展，具有复杂结构的零部件在航空航天和船舶等工业领域应用广泛。工业无损检测领域应用最广泛的是使用常规的超声波探头进行超声波的发射和接收，这些超声探头的使用常常需要接触被检测工件或使用耦合剂来达到更好的检测效果，检测较大面积的情况下操作耗时长，效率慢且对操作人员和检测环境的要求较高。在检测具有复杂结构零部件时，超声波探头因为无法紧密贴合被检测工件表面，因此不能够检测曲率较大的部位。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适应现有复杂结构零部件的检测要求，为任意曲面实现快速自动化无损检测的非接触激光超声检测系统。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述检测系统的检测方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，该检测系统主要包括超声激发单元、超声检测单元、机械扫查单元、以及信号采集与处理单元。所述超声激发单元设为脉冲激光器。所述超声检测单元包括第一反射镜、第二反射镜、光学介质、连续激光器、分束器、以及光电检测器。所述机械扫查单元包括机械手和控制器。所述信号采集与处理单元包括信号调理装置、数据采集卡、以及计算机。本发明通过在同侧光激发和接收超声波，在机械手的计算机实现任意曲面扫描路径的规划，基于时间同步采集超声波信号与机械手扫查位置数据，为任意曲面快速准确的自动化无损检测提供了一种可行的方法。其具体连接关系如下：

所述光学介质位于第一反射镜和第二反射镜之间。

所述分束器位于第二反射镜与连续激光器之间。

所述光电检测器与分束器法线在竖直方向夹角为45度。

所述脉冲激光器与计算机电连接。

所述机械手与控制器电连接。

所述控制器与计算机电连接。

所述连续激光器和光电检测器分别与信号调理装置电连接；所述连续激光器与光电检测器互相垂直设置。

所述信号调理装置与数据采集卡电连接。

所述数据采集卡与计算机电连接。

所述脉冲激光器与超声检测单元集成在一起并被夹持在机械手末端。

作为本发明的优选方案，所述第一反射镜与第二反射镜设为半透明反射镜，可被连续激光器发出的光束穿透。

作为本发明的优选方案，所述第一反射镜与第二反射镜之间的距离设为连续激光器发出的激光半波长的倍数。在这个距离下，所述连续激光器发出的特定波长的激光能够在第一反射镜和第二反射镜之间发生相长干涉，从而提高测量精度。

作为本发明的优选方案，所述光学介质对脉冲激光器与连续激光器发出的光束具有高通过率。

作为本发明的优选方案，所述机械手采用六自由度机械手，并能够在控制器的作用下追踪任意曲面的法向。

作为本发明的优选方案，所述超声检测单元设置在所述脉冲激光器与检测对象之间。

作为本发明的优选方案，所述超声检测单元检测超声的耦合类型采用空气耦合，并可通过改变空气湿度来改变耦合效果。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测方法，所述检测方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：所述脉冲激光器产生脉冲激光穿过所述超声检测单元的光学介质，并垂直投射在被检测对象表面，基于热弹机制产生超声波。

步骤S2：超声波穿过所述第一反射镜与第二反射镜之间的光学介质并引起其折射率的变化进而改变光学介质中连续激光波长和传输变化，从而导致透射和反射激光强度的变化，利用所述光电检测器精确测量激光强度并输出信号。

步骤S3：所述六自由度机械手与所述脉冲激光器和所述超声检测单元夹持集成在一起并按照预定的扫描路径进行扫查。

步骤S4：所述信号采集与处理单元基于时间同步采集光电检测器输出信号和六自由度机械手扫查的位置数据，并进行处理后得到缺陷的三维分布信息。

本发明将常规的超声激发方法改为光激发，实现远距离非接触，降低对检测表面的要求的同时增大了激发角度的灵活性。通过将超声波激发单元与检测单元集成到一起并将其夹持在六自由度机械手末端，在被检测工件的同一侧完成超声波的激发和接收，并且机械手高度的灵活性和可编程性更好的适应了对复杂结构零部件的表面检测要求。机械手扫查启动同时计算机同步触发超声波信号的激发和采集，最终采集到的超声波信号和扫查位置数据基于时间同步，后续数据处理后即可得到缺陷的三维分布信息。

本发明的工作过程和原理是：本发明中的光源发出脉冲激光投射到检测对象表面，基于热弹机制产生的超声波穿过两个反射镜之间的光学介质引起透射和反射激光强度的变化，利用光电检测器测量激光强度并输出信号，在机械扫查单元的辅助下完成感兴趣区域的扫查，扫查的同时同步采集输出信号和扫查位置数据，经数据处理后即可得到缺陷的三维分布信息。本发明将超声波的激发和检测一体化实现同侧激发和检测超声波，适应现有复杂结构零部件的检测要求，为任意曲面快速自动化无损检测提供了一种可行的方法，同时提高检测精度和检测效率。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法基于非接触激光超声的无损检测系统，使用光源来激发超声波，能够在高温、高压、有毒等恶劣条件下进行远距离无损检测，可以实现对复杂结构曲面的快速扫描。

(2)本发明所提供的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法所激发的超声波信号在时间和空间上具有极高的分辨率，大大提高了探测微小缺陷的能力和测量的精度。

(3)本发明所提供的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法利用光激发，使得激发和检测都是在瞬间完成的，能够实现快速实时检测。

附图说明

图1是本发明所提供的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统的整体结构示意图。

图2是本发明所提供的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统的部分结构示意图。

上述附图中的标号说明：

1-脉冲激光器，2-超声激发单元，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-光学介质，6-连续激光器，7-分束器，8-光电检测器，9-超声检测单元，10-机械手，11-控制器，12-计算机，13-机械扫查单元，14-信号调理装置，15-数据采集卡，16-信号采集与处理单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，该检测系统主要包括超声激发单元2、超声检测单元9、机械扫查单元13、以及信号采集与处理单元16。所述超声激发单元2设为脉冲激光器1。所述超声检测单元9包括第一反射镜3、第二反射镜4、光学介质5、连续激光器6、分束器7、以及光电检测器8。所述机械扫查单元13包括机械手10和控制器11。所述信号采集与处理单元16包括信号调理装置14、数据采集卡15、以及计算机12。本发明通过在同侧光激发和接收超声波，在机械手10的计算机12实现任意曲面扫描路径的规划，基于时间同步采集超声波信号与机械手10扫查位置数据，为任意曲面快速准确的自动化无损检测提供了一种可行的方法。其具体连接关系如下：

所述光学介质5位于第一反射镜3和第二反射镜4之间。

所述分束器7位于第二反射镜4与连续激光器6之间。

所述光电检测器8与分束器7法线在竖直方向夹角为45度。

所述脉冲激光器1与计算机12电连接。

所述机械手10与控制器11电连接。

所述控制器11与计算机12电连接。

所述连续激光器6和光电检测器8分别与信号调理装置14电连接；所述连续激光器6与光电检测器8互相垂直设置。

所述信号调理装置14与数据采集卡15电连接。

所述数据采集卡15与计算机12电连接。

所述脉冲激光器1与超声检测单元9集成在一起并被夹持在机械手10末端。

作为本发明的优选方案，所述第一反射镜3与第二反射镜4设为半透明反射镜，可被连续激光器6发出的光束穿透。

作为本发明的优选方案，所述第一反射镜3与第二反射镜4之间的距离设为连续激光器6发出的激光半波长的倍数。在这个距离下，所述连续激光器6发出的特定波长的激光能够在第一反射镜3和第二反射镜4之间发生相长干涉，从而提高测量精度。

作为本发明的优选方案，所述光学介质5对脉冲激光器1与连续激光器6发出的光束具有高通过率。

作为本发明的优选方案，所述机械手10采用六自由度机械手10，并能够在控制器11的作用下追踪任意曲面的法向。

作为本发明的优选方案，所述超声检测单元9设置在所述脉冲激光器1与检测对象之间。

作为本发明的优选方案，所述超声检测单元9检测超声的耦合类型采用空气耦合，并可通过改变空气湿度来改变耦合效果。

本实施例还公开了一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测方法，所述检测方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：所述脉冲激光器1产生脉冲激光穿过所述超声检测单元9的光学介质5，并垂直投射在被检测对象表面，基于热弹机制产生超声波。

步骤S2：超声波穿过所述第一反射镜3与第二反射镜4之间的光学介质5并引起其折射率的变化进而改变光学介质5中连续激光波长和传输变化，从而导致透射和反射激光强度的变化，利用所述光电检测器8精确测量激光强度并输出信号。

步骤S3：所述六自由度机械手10与所述脉冲激光器1和所述超声检测单元9夹持集成在一起并按照预定的扫描路径进行扫查。

步骤S4：所述信号采集与处理单元16基于时间同步采集光电检测器8输出信号和六自由度机械手10扫查的位置数据，并进行处理后得到缺陷的三维分布信息。

本发明将常规的超声激发方法改为光激发，实现远距离非接触，降低对检测表面的要求的同时增大了激发角度的灵活性。通过将超声波激发单元与检测单元集成到一起并将其夹持在六自由度机械手10末端，在被检测工件的同一侧完成超声波的激发和接收，并且机械手10高度的灵活性和可编程性更好的适应了对复杂结构零部件的表面检测要求。机械手10扫查启动同时计算机12同步触发超声波信号的激发和采集，最终采集到的超声波信号和扫查位置数据基于时间同步，后续数据处理后即可得到缺陷的三维分布信息。

本发明的工作过程和原理是：本发明中的光源发出脉冲激光投射到检测对象表面，基于热弹机制产生的超声引起两个反射镜之间光学介质5中透射和反射激光强度的变化，利用光电检测器8测量激光强度并输出信号，在机械扫查单元13的辅助下完成感兴趣区域的扫查，扫查的同时同步采集输出信号和扫查位置数据，经数据处理后即可得到缺陷的三维分布信息。本发明将超声波的激发和检测一体化实现同侧激发和检测超声波，适应现有复杂结构零部件的检测要求，为任意曲面快速自动化无损检测提供了一种可行的方法，同时提高检测精度和检测效率。

实施例2：

结合图1和图2所示，本实施例提供了一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统及方法，其目的在于适应现有复杂结构零部件的检测要求，同时提高检测精度和效率。用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统由激发单元、检测单元、扫查单元、采集与处理单元构成，包括如下元件：

脉冲激光器1，由反射镜、反射镜、光学介质5、连续激光器6、分束器7、光电检测器8组成的超声检测单元9，由六自由度机械手10、控制器11、计算机12组成的机械扫查单元13，由信号调理装置14、数据采集卡15、计算机12组成的信号采集与处理单元16。

将检测对象固定在夹具平台上。利用机械夹具将光源和扫描探头夹持在六自由度机械手10末端，如图2所示光源位于扫查单元的上方，调整光源距离检测对象表面的垂直距离为10mm，所采用的光源为Nd:YAG激光器，波长为532nm，脉冲宽度为1us。测量被检测表面三维数据并导入Pro/Engineer进行三维建模，将模型数据输入计算机12的六自由度机械手10控制软件，规划扫描路径为栅格扫查，扫查间距0.1mm。在计算机12上的数据采集与处理软件中设置采样率为10MHz以及数据格式和存储位置。计算机12光源控制软件打开光源开关，产生的脉冲激光穿过检测单元的光学介质5投射在被检测对象的表面，基于热弹机制产生导波与体波。光源打开后，通过计算机12上的控制软件同时打开六自由度机械手10，在这里选用的机械手10为Staubli品牌，机械手10夹持光源和扫查单元按照预定的扫查路径进行三维移动，直至整个扫查路径的完成，然后复位。在扫查系统开始工作的同一时间点，数据采集单元打开，首先超声检测单元9将超声物理信号转换为接收激光强度的变化，然后通过信号调理装置14的放大滤波等处理输出模拟电压信号，经过数据采集卡15的A/D转换后将数据输送到计算机12进行存储，基于时间同步，在超声信号开始采集的同时，六自由度机械手10的位置信息也通过计算机12上的控制软件记录下来。通过后期整合我们得到的是(X,Y,Z,T)的四维数据，分析处理后将其导入到3dmax建模软件中得到缺陷的三维分布。

一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，与实施例1结构相似，不同之处在于：用来激发超声的光源为激光二极管，波长为1064nm，脉冲宽度为2us，同时数据采集采样率设置为5MHz。扫查单元由六自由度机械手10更改为机械三维扫查平台。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，包括超声激发单元、超声检测单元、机械扫查单元、以及信号采集与处理单元；所述超声激发单元设为脉冲激光器；所述超声检测单元包括第一反射镜、第二反射镜、光学介质、连续激光器、分束器、以及光电检测器；所述机械扫查单元包括机械手和控制器；所述信号采集与处理单元包括信号调理装置、数据采集卡、以及计算机；

所述光学介质位于第一反射镜和第二反射镜之间；

所述分束器位于第二反射镜与连续激光器之间；

所述光电检测器与分束器法线在竖直方向夹角为45度；

所述脉冲激光器与计算机电连接；

所述机械手与控制器电连接；

所述控制器与计算机电连接；

所述连续激光器和光电检测器分别与信号调理装置电连接；所述连续激光器与光电检测器互相垂直设置；

所述信号调理装置与数据采集卡电连接；

所述数据采集卡与计算机电连接；

所述脉冲激光器与超声检测单元集成在一起并被夹持在机械手末端。

2.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜设为半透明反射镜，可被连续激光器发出的光束穿透。

3.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜之间的距离设为连续激光器发出的激光半波长的倍数。

4.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述光学介质对脉冲激光器与连续激光器发出的光束具有高通过率。

5.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述机械手采用六自由度机械手，并能够在控制器的作用下追踪任意曲面的法向。

6.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述超声检测单元设置在所述脉冲激光器与检测对象之间。

7.根据权利要求1所述的用于任意曲面的非接触激光超声无损检测系统，其特征在于，所述超声检测单元检测超声的耦合类型采用空气耦合，并可通过改变空气湿度来改变耦合效果。

8.一种用于任意曲面的非接触激光超声无损检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

步骤S1：所述脉冲激光器产生脉冲激光穿过所述超声检测单元的光学介质，并垂直投射在被检测对象表面，基于热弹机制产生超声波；

步骤S2：超声波穿过所述第一反射镜与第二反射镜之间的光学介质并引起其折射率的变化进而改变光学介质中连续激光波长和传输变化，从而导致透射和反射激光强度的变化，利用所述光电检测器精确测量激光强度并输出信号；

步骤S3：所述六自由度机械手与所述脉冲激光器和所述超声检测单元夹持集成在一起并按照预定的扫描路径进行扫查；

步骤S4：所述信号采集与处理单元基于时间同步采集光电检测器输出信号和六自由度机械手扫查的位置数据，并进行处理后得到缺陷的三维分布信息。