CN109839442B - 基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法和系统，应用于激光超声检测系统，包括：在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；获取待评价金属块的被测区域的平均厚度；对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号；对多个激光超声检测信号进行高斯拟合操作，分别得到多个第一中心频率、多个频率带宽和多个第二中心频率；基于多个第一中心频率、多个频率带宽、多个第二中心频率和平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径。本发明可实现等轴单相金属及合金组织关于平均晶粒直径的定量无损表征及评价，有效提高检测灵敏度和检测结果的可靠性。

Description

基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法和系统

技术领域

本发明涉及超声无损检测与评价技术领域，尤其是涉及一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法和系统。

背景技术

晶粒尺寸是影响金属材料屈服强度、疲劳、蠕变等力学性能的重要参数。霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系表明材料屈服强度与晶粒直径的平方根成反比，即晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度。因此晶粒尺寸的快速有效检测是保证关键金属构件安全服役的重要保障。

目前晶粒检测方法分为有损和无损检测两类，有损检测方法主要包括金相法和电子背散射衍射法，具有检测结果直观和检测精度较高的优点，但需要对金属构件进行破坏，检测效率低，且检测结果只能反映被检测二维平面的晶粒信息。与之相比，无损检测方法具有检测效率高、非破坏性等优点，受到国内外学者的广泛关注。

无损检测方法按原理可以分为超声法和涡流法等。涡流法利用交变感应电流的集肤效应，对工件表面及近表面的晶粒尺寸进行检测，但检测结果的非线性误差较大。而超声法主要包括声速法、衰减法、背散射法等。其中声速法检测灵敏度较差；背散射方法受单散射假设的影响，粗晶材料测量精度较低；衰减法时域分析易受高频噪声的干扰，而频域分析易受超声几何扩散衰减的干扰，影响了该方法的检测精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法和系统，可实现金属组织晶粒度的关于晶粒直径的定量无损表征及评价，有效提高检测灵敏度和检测结果的可靠性，以缓解了现有技术对于晶粒度分析中存在的灵敏度低、测量精度低和易受噪声及几何扩散衰减干扰的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法，应用于激光超声检测系统，包括：在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；所述激光超声检测信号包括以下任一项：激光透射波信号，激光底面反射波信号；获取所述待评价金属块的被测区域的平均厚度，其中，所述被测区域为所述待评价金属块中多个检测点所在区域；对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，其中，一个激光超声检测信号对应一个一次激光超声波信号和一个二次激光超声波信号，所述一次激光超声波信号包括以下任一项：一次透射波信号，一次底面反射波信号，所述二次激光超声波信号包括以下任一项：二次透射波信号，二次底面反射波信号；对所述多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号利用高斯分布模型进行拟合操作，分别得到所述多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和所述多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；其中，一个一次激光超声波信号对应一个第一中心频率和一个频率带宽，一个二次激光超声波信号对应一个第二中心频率；基于所述多个第一中心频率、所述多个频率带宽、所述多个第二中心频率和所述平均厚度，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径。

进一步地，对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，包括：获取目标截取窗口，其中，所述目标截取窗口包括：一次激光超声波信号截取窗口和/或二次激光超声波信号截取窗口；利用所述目标截取窗口，对各个所述激光超声检测信号进行提取操作，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号。

进一步地，基于所述多个第一中心频率、所述多个频率带宽、所述多个第二中心频率和所述平均厚度，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径，包括：依次计算所述第一中心频率中第一目标中心频率和所述第二中心频率中第二目标中心频率之间的比值，得到多个激光超声信号中心频率偏移量；所述第一目标中心频率和所述第二目标中心频率对应同一个激光超声检测信号；计算所述多个激光超声信号中心频率偏移量的均值，得到平均中心频率偏移量；以及计算所述多个频率带宽的平均值，得到平均频率宽度；基于所述平均中心频率偏移量、所述平均频率宽度和所述平均厚度，计算所述待评价金属块的超声衰减系数；其中所述超声衰减系数用于表征单位传播距离内超声能量衰减幅值与频率平方的线性比例关系；基于所述超声衰减系数，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径。

进一步地，基于所述平均中心频率偏移量、所述平均频率宽度和所述平均厚度，计算所述待评价金属块的超声衰减系数，包括：利用关系方程

求解所述待评价金属块的超声衰减系数，其中，

为所述平均中心频率偏移量，

为所述平均频率宽度，H为所述平均厚度，α₀为所述超声衰减系数。

进一步地，基于所述超声衰减系数，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径包括：获取与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数，所述线性比例系数用于表征超声衰减系数与平均晶粒直径的线性比例关系；基于所述线性比例系数，利用关系方程

计算所述待评价金属块的平均晶粒直径；其中b为所述线性比例系数，

为所述待评价金属块的平均晶粒直径，α₀为所述超声衰减系数。

进一步地，获取与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数包括：获取所述待评价金属块的材料所对应的晶粒尺寸分布；利用对数正态分布模型对所述晶粒尺寸分布进行数据拟合操作，得到拟合参数平均值和拟合标准差；基于所述拟合参数平均值和所述拟合标准差，通过超声衰减经典理论模型计算并得到与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数；所述超声衰减经典理论模型为关于求解多晶体金属材料中由晶粒散射引起的超声衰减值的解析计算方法的理论。

进一步地，所述方法还包括：对所述待评价金属块进行电子背散射衍射分析，得到激光超声传播界面的检验平均晶粒直径；计算所述平均晶粒直径和所述检验平均晶粒直径的差值，将所述差值与所述检验平均晶粒直径的比值作为所述待评价金属块平均晶粒直径的测量误差。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统，包括：激光超声检测模块，厚度测量模块，超声信号提取模块，中心频率提取模块和晶粒度评价模块，其中，所述激光超声检测模块，用于在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；所述激光超声检测信号包括以下任一项：激光透射波信号，激光底面反射波信号；所述厚度测量模块，用于获取所述待评价金属块的被测区域的平均厚度，其中，所述被测区域为所述待评价金属块中多个检测点所在区域；所述超声信号提取模块，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，其中，一个激光超声检测信号对应一个一次激光超声波信号和一个二次激光超声波信号，所述一次激光超声波信号包括以下任一项：一次透射波信号，一次底面反射波信号，所述二次激光超声波信号包括以下任一项：二次透射波信号，二次底面反射波信号；所述中心频率提取模块，用于对所述多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号利用高斯分布模型进行拟合操作，分别得到所述多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和所述多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；其中，一个一次激光超声波信号对应一个第一中心频率和一个频率带宽，一个二次激光超声波信号对应一个第二中心频率；所述晶粒度评价模块，用于基于所述多个第一中心频率、所述多个频率带宽、所述多个第二中心频率和所述平均厚度，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径。

进一步地，所述超声信号提取模块包括：一次激光超声波信号提取单元和二次激光超声波信号提取单元，其中，所述一次激光超声波信号提取单元，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号；所述二次激光超声波信号提取单元，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个二次激光超声波信号。

进一步地，所述系统还包括：误差验证模块，用于对所述待评价金属块进行电子背散射衍射分析，得到激光超声传播界面的检验平均晶粒直径；计算所述平均晶粒直径和所述检验平均晶粒直径的差值，将所述差值与所述检验平均晶粒直径的比值作为所述待评价金属块平均晶粒直径的测量误差。

在本发明实施例中，在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；获取待评价金属块的被测区域的平均厚度；对各个激光超声透射波信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号；对多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号利用高斯分布模型进行拟合操作，分别得到多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；基于多个第一中心频率、多个频率带宽、多个第二中心频率和平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径。这样实现了金属组织晶粒度的关于晶粒直径的定量无损表征及评价，有效提高检测灵敏度和检测结果的可靠性，以缓解了现有技术对于晶粒度分析中存在的灵敏度低、测量精度低和易受噪声及几何扩散衰减干扰的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光超声检测装置的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种热处理TA2钛合金的激光超声检测信号示意图；

图7a为本发明实施例提供的一种TA2钛合金在800℃退火且保温时长为0.5h的热处理组织EBSD反极图；

图7b为本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种TA2钛合金在800℃退火且保温时长为1h的热处理组织EBSD反极图；

图7c为本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种TA2钛合金在800℃退火且保温时长为2h的热处理组织EBSD反极图；

图7d为本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种TA2钛合金在800℃退火且保温时长为4h的热处理组织EBSD反极图；

图7e为本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种TA2钛合金在800℃退火且保温时长为8h的热处理组织EBSD反极图；

图8为本发明实施例提供的一种基于EBSD分析获取的TA2钛合金热处理组织信息及对数正态晶粒分布拟合数据示意图；

图9a为本发明实施例提供的一种在给定频率f₀＝10MHz下的超声纵波衰减理论预测值与晶粒直径线性关系拟合结果示意图；

图9b为本发明实施例提供的一种在给定频率f₀＝12MHz下的超声纵波衰减理论预测值与晶粒直径线性关系拟合结果示意图；

图10为本发明实施例提供的一种一次透射波和二次透射纵波中心频率偏移的结果示意图；

图11为本发明实施例提供的一种一次透射波和二次透射纵波中心频率比值与晶粒直径关系的结果示意图；

图12为本发明实施例提供的一种基于激光超声中心频率偏移的TA2钛合金晶粒尺寸无损表征结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

根据本发明实施例，提供了一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法的流程图，应用于激光超声检测系统，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；激光超声检测信号包括以下任一项：激光透射波信号，激光底面反射波信号。其中，待评价金属块可以是合金块。

可选地，本发明实施例中，可以采用透射法或者反射法在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测。

优选地，本发明实施例中，采用透射法对待评价金属块的多个检测点进行激光超声透射检测，得到激光超声检测信号，并采用对心接收法提取检测信号中的激光超声透射纵波信号。相应的，本发明实施例中对所述激光超声检测信号的提取、分析及处理均指激光透射波信号。

步骤S104，获取待评价金属块的被测区域的平均厚度，其中，被测区域为待评价金属块中多个检测点所在区域。

步骤S106，对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，其中，一个激光超声检测信号对应一个一次激光超声波信号和一个二次激光超声波信号，一次激光超声波信号包括以下任一项：一次透射波信号，一次底面反射波信号，二次激光超声波信号包括以下任一项：二次透射波信号，二次底面反射波信号。

优选地，在本发明实施例中，一个激光超声检测信号对应一个一次透射波信号和一个二次透射波信号，或者，一个激光超声检测信号对应一个一次底面反射波信号和一个二次底面反射波信号。

步骤S108，对多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号利用高斯分布模型进行拟合操作，分别得到多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；其中，一个一次激光超声波信号对应一个第一中心频率和一个频率带。

步骤S110，基于多个第一中心频率、多个频率带宽、多个第二中心频率和平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径。将待评价金属块的平均晶粒直径作为金属块的晶粒度无损评价结果。

在本发明实施例中，通过在待评价金属块的多个检测点进行激光透射检测，得到多个激光超声透射波信号；获取待评价金属块的被测区域的平均厚度；对各个激光超声透射波信号进行提取，得到多个一次透射波信号和多个二次透射波信号；基于多个一次及二次激光超声透射波信号的中心频率、频率带宽和待评价金属块平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径的方式，实现了金属组织晶粒度的关于晶粒直径的定量无损表征及评价，有效提高检测灵敏度和检测结果的可靠性，以缓解了现有技术对于晶粒度分析中存在的灵敏度低、测量精度低和易受噪声及几何扩散衰减干扰的技术问题。

可选地，步骤S106具体包括：

获取目标截取窗口，其中，目标截取窗口包括：一次激光超声波信号截取窗口和/或二次激光超声波信号截取窗口；优选地，一次激光超声波信号截取窗口的宽度和二次激光超声波信号截取窗口的宽度相同；

利用目标截取窗口，对各个激光超声检测信号进行提取操作，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号。

例如，当激光超声检测信号为激光透射波信号时，利用利用目标截取窗口，对各个激光透射波信号进行提取操作，得到多个一次透射波信号和多个二次透射波信号。

具体地，例如，对需要进行组织晶粒度评价的待评价金属块，用激光超声检测装置通过声波透射法对被测区域内m个不同点进行激光超声透射检测，并采用对心接收法提取出激光超声透射波信号，存储为数组TransWaveData。需要说明的是，激光超声透射波信号为激光超声透射纵波信号。

获取闸门1(即，一次激光超声波信号截取窗口)和闸门2(即，二次激光超声波信号截取窗口)的起始位置和闸门长度(即，截取窗口的宽度)，并调整闸门1和闸门2的闸门长度相同，分别对数据TransWaveData中的激光超声透射波信号定位出一次透射波信号和二次透射波信号的位置，然后采用闸门1提取一次透射波信号数据，存储为数组TW1_Data，和采用闸门2提取二次透射波信号数据，存储为数组TW2_Data。其中，闸门长度需综合考虑所使用激光器激励出的脉冲信号宽度及其他相关实验因素来设定。

可选地，如图2所示，步骤S108中，基于多个第一中心频率、多个频率带宽、多个第二中心频率和平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径，具体包括如下步骤：

步骤S1081，依次计算第一中心频率中第一目标中心频率和第二中心频率中第二目标中心频率之间的比值，得到多个激光超声信号中心频率偏移量；其中，第一目标中心频率和第二目标中心频率对应同一个激光超声检测信号。

步骤S1082，计算多个激光超声信号中心频率偏移量的均值，得到平均中心频率偏移量；以及计算多个频率带宽的平均值，得到平均频率宽度。

步骤S1083，基于平均中心频率偏移量、平均频率宽度和平均厚度，计算待评价金属块的超声衰减系数；其中超声衰减系数用于表征单位传播距离内超声能量衰减幅值与频率平方的线性比例关系。

可选地，利用关系方程

求解待评价金属块的超声衰减系数，其中，

为平均中心频率偏移量，

为平均频率宽度，H为平均厚度，α₀为超声衰减系数。

步骤S1084，基于超声衰减系数，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径。

例如，分别对一次透射波信号数据TW1_Data和二次透射波信号数据TW2_Data进行高频滤波操作，以达到去除直流分量的目的；然后再分别对一次透射波信号数据TW1_Data和二次透射波信号数据TW2_Data进行快速傅里叶变换分析，得到频谱分析结果数据，分别存储为数组TW1fft_Data和TW2fft_Data。

用高斯分布模型分别对TW1fft_Data和TW2fft_Data进行最小二乘法拟合，在满足拟合精度要求的条件下获取一次透射波信号的第一中心频率fc1和二次透射波信号的第二中心频率fc2，以及获取一次透射波信号的频率带宽BW。

计算每个测量点处第一中心频率和第二中心频率的比值R_fc＝f_c1/f_c2，并将R_fc作为中心频率偏移量；计算m个测量点中心频率偏移量的平均值

和一次透射波频率带宽的平均值

利用关系方程

求解待评价金属块的超声衰减系数α₀，其中，H为平均厚度。超声衰减系数α₀用于表征单位传播距离内超声能量衰减幅值与频率平方的线性比例关系，与待评价金属块的材料弹性力学常数、密度、晶粒大小等密切相关。

可选地，步骤S110具体包括：

步骤S1101，获取与待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数。其中，所述线性比例系数用于表征超声衰减系数与平均晶粒直径的线性比例关系，由材料弹性力学常数和密度等性能决定。

具体地，与待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数可以通过如下步骤获取：

获取待评价金属块的材料所对应的晶粒尺寸分布；

利用对数正态分布模型对晶粒尺寸分布进行数据拟合操作，得到拟合参数平均值和拟合标准差；

基于拟合参数平均值和拟合标准差，通过超声衰减经典理论模型计算并得到与待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数。需要说明的是，超声衰减经典理论模型为关于求解多晶体金属材料中由晶粒散射引起的超声衰减值的解析计算方法的理论。

步骤S1102，基于线性比例系数，利用关系方程

计算所述待评价金属块的平均晶粒直径；其中b为所述线性比例系数，

为所述待评价金属块的平均晶粒直径，α₀为所述超声衰减系数。

下面举例说明待评价金属块的平均直径的具体计算过程，例如：

选取与待评价金属块的形状、尺寸、材料组分一致的多个试样金属块进行不同保温温度和保温时长的热处理实验，然后对多个试样金属块进行水冷操作后，获得具有不同平均晶粒直径的多个热处理试样金属块。

对各个热处理试样金属块进行电子背散射衍射(ElectronBackscatteredDiffraction，简称EBSD)分析，得到平均晶粒直径

和晶粒尺寸分布；采用对数正态分布模型ln(D)～N(μ,σ_d)对晶粒分布进行数据拟合，在符合拟合精度要求下，获取拟合参数平均值μ和拟合标准差σ_d。

将拟合参数平均值μ和拟合标准差σ_d作为已知量，利用超声衰减经典理论模型，计算所有热处理试样频域下的纵波衰减值α。具体的，所述纵波衰减值α为单位传播距离内超声纵波能量衰减幅值，所述超声衰减经典理论模型为用于求解多晶体金属材料中由晶粒散射引起的超声衰减值的经典解析计算方法，具体描述如下：

α＝α_LL+α_LT

其中，下标IS＝LL或LT，k_ξ和V_ξ分别表示材料中超声纵波(ξ＝L)及横波(ξ＝T)波动常数和传播速率，ρ表示材料密度，

表示空间相关函数的空间傅里叶变化，θ_ps表示超声散射角度，M_IS(θ_ps)是与材料弹性常数自相关函数相关的系数，P(D)表示晶粒分布密度函数。

根据上述超声衰减经典理论模型，计算得到所有热处理试样频域下超声衰减值，获取多组α-f的对应关系；然后将给定频率f₀下的纵波衰减值α，与平均晶粒度

进行关联，采取线性回归方法，利用关系式

对数据线性拟合获取与试样材料性能相关的线性比例系数b。

最后根据关系

计算待评价金属块的平均晶粒直径

将平均晶粒直径

作为待评价金属块的晶粒度评价结果。

可选地，本发明实施例提供的方法还包括：对待评价金属块的晶粒度评价结果进行误差分析，具体包括如下步骤：

对待评价金属块进行电子背散射衍射分析，得到激光超声传播界面的检验平均晶粒直径；

计算平均晶粒直径和检验平均晶粒直径的差值，得到待评价金属块的测量误差。

本发明的技术效果在于，获取待评价金属块的激光超声一次/二次激光超声波信号的中心频率比值，推测计算超声衰减系数，并以此反演计算组织平均晶粒直径。本发明将激光超声实验用于金属及合金组织晶粒度的检测，可实现远距、非接触、无损检测；且采用声波透射法(或反射法)对被测试样进行检测，利用激光超声透射(或底面反射)纵波中心频率偏移数据，可定量表征金属组织晶粒尺寸，操作步骤简单易实现；本发明考虑了被测材料晶粒分布情况，提高了晶粒尺寸无损评价结果的可靠性和精确度。

实施例二：

本发明实施例还提供了一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统，该系统主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法，以下对本发明实施例提供的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统做具体介绍。

图3是根据本发明实施例的一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统的示意图，如图3所示，该系统主要包括：激光超声检测模块10，厚度测量模块20，超声信号提取模块30，中心频率提取模块40和晶粒度评价模块50。

具体地，激光超声检测模块10，用于在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；激光超声检测信号包括以下任一项：激光透射波信号，激光底面反射波信号。其中，待评价金属块可以是合金块。

可选地，本发明实施例中，可以采用透射法或者反射法在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测。

厚度测量模块20，用于获取待评价金属块的被测区域的平均厚度，其中，被测区域为待评价金属块中多个检测点所在区域。

超声信号提取模块30，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，其中，一个激光超声检测信号对应一个一次激光超声波信号和一个二次激光超声波信号，一次激光超声波信号包括以下任一项：一次透射波信号，一次底面反射波信号，二次激光超声波信号包括以下任一项：二次透射波信号，二次底面反射波信号。

中心频率提取模块40，用于对多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号进行模型拟合操作，分别得到多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；其中，一个一次激光超声波信号对应一个第一中心频率和一个频率带宽，一个二次激光超声波信号对应一个第二中心频率。

晶粒度评价模块50，用于基于多个第一中心频率、多个频率带宽、多个第二中心频率和平均厚度，反演计算待评价金属块的平均晶粒直径。将待评价金属块的平均晶粒直径作为金属块的晶粒度无损评价结果。

可选地，图4为本发明实施例提供另外一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价系统的示意图，如图4所示，超声信号提取模块30还包括：一次激光超声波信号提取单元31和二次激光超声波信号提取单元32。

具体地，一次激光超声波信号提取单元31，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号。

二次激光超声波信号提取单元32，用于对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个二次激光超声波信号。

可选地，如图4所示，本发明实施例提供的系统还包括：误差验证模块60，用于：

对待评价金属块进行电子背散射衍射分析，得到激光超声传播界面的检验平均晶粒直径；

计算平均晶粒直径和检验平均晶粒直径的差值，得到待评价金属块的测量误差。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

实施例三：

本发明实施例还提供一种激光超声检测装置，用于执行上述实施例一所示方法。如图5所示，该激光超声检测装置包括：脉冲激光器(即，图5中的，Nd：YAG脉冲激光器，其中，Nd：YAG为钇铝石榴石晶体，Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet；Nd：Y₃Al₅O₁₂的英文简化名称)、聚焦透镜、机械步进装置(即，图5中的运动平台)、双波混合激光超声接收系统、数字示波器(即，图5中的示波器)、计算机、BNC连接线(即，图5中的加粗实线，其中，BNC为卡扣配合型连接器，Bayonet Nut Connector的英文简化名称)，其中双波混合激光超声接收系统由激光超声接收器、光纤功率分离器、连续探测光纤激光器和激光超声检测探头(即，图5中的FHPS光纤探头)组成。

可选地，利用本发明实施例提供的激光超声检测装置实现对待评价金属块的多个检测点进行激光透射检测的过程包括以下步骤：

步骤一：校准脉冲激光器输出能量，使其稳定输出10-100mJ/pulse高斯形脉冲激光。

步骤二：调整脉冲激光器、聚焦透镜和激光超声检测探头的位置，使脉冲激光器光轴、聚焦透镜光轴及检测探头的光轴位于同一条直线上。

步骤三：将被测样品(即，上述实施例一中待评价金属块)固定于机械步进平台上，开启机械步进装置和双波混合激光超声接收系统的工作电源，调整激光超声检测探头与被测工件的距离和角度，并同时调整连续激光的输出功率及光纤分束器的分束比，以获取最佳的机械噪声屏蔽，实现接收信号稳定度的最优化。

步骤四：开启数字示波器和计算机的工作电源，采用BNC连接线将激光超声接收器、数字示波器及计算机联通，并校正数字示波器，确认其可以实时显示激光超声触发信号和检测信号。

步骤五：开启脉冲激光器工作电源，确保激光器激励出高斯型激光脉冲，经透镜聚焦后入射到被测样品表面，引起样品表面热膨胀或烧蚀，使其在被测样品内激励出指向性好、能量集中的超声纵波。观察示波器，将实时接收的信号经多次平均后传输到计算机进行记录、存储和分析处理。

下面以采用透射法进行TA2钛合金热处理组织晶粒度检测为例，来说明本发明的具体评价方法。

如图5所示，激光超声激励装置采用Nd:YAG调Q脉冲激光器，波长为1064nm，激光脉冲最大能量约为28mJ，脉冲宽度为10ns，光斑直径为1mm。脉冲激光信号入射到工件(即，TA2钛合金热处理组织试样)表面激励出超声波信号，该信号沿工件厚度方向传播。采用双波混频激光干涉仪在试样表面另一侧对心接收透射波信号。所检测的信号传输到示波器，经多次平均后传输到计算机以用来数据分析和处理。激光超声检测实验中将试样固定在二维运动平台上，通过该平台可以实现试样沿指定路径的B扫描实验。

图6为TA2钛合金热处理组织的激光超声检测信号举例。一次透射纵波信号出现于1.3μs，大约3μs之后,二次透射纵波信号到达接收点。两次透射纵波信号之间为高频噪音信号,主要来源于两个方面:一是系统的高频电噪声,二是晶粒边界产生的背散射噪音信号。由于检测方式为对心接收，没有检测到其他波型的传播。

图7所示为TA2钛合金800℃等温退火，在不同的保温时长下所获得热处理组织的EBSD反极图。其中，图7a、图7b、图7c、图7d和图7e分别为保温时长为0.5h,1h,2h,4h,和8h下所获热处理组织的EBSD反极图。

图7中5个不同保温时长下所对应的EBSD分析获取的α相体积百分数、平均晶粒直径、晶粒分布标准差等微观组织信息如图8所示，从晶粒平均尺寸和标准差值的变化可以推断，在等温退火过程中晶粒发生了非均匀化生长，而不是像生长动力学模型所预测的指数增长关系。在开始的两个小时内，粒径均值和粒径分布宽度均呈现快速增长。此后，平均晶粒直径先是减小，然后缓慢增大。但随着时间的推移，晶粒直径标准差不断减小，说明晶粒尺寸趋于均匀。在保持8小时后，最终的平均晶粒直径增加了大约两倍。

可选地，对EBSD分析所获取的晶粒尺寸分布数据，进行对数正态分布拟合，得到的拟合参数如图8所示，所有试样的拟合误差均方根均小于0.021，表明拟合结果良好。

图9a和图9b中的黑色方形散点标记所示分别为根据上述实施例一所述超声衰减经典理论模型，计算不同热处理试样给定频率下纵波衰减值α，根据所述关系式

在给定频率f₀＝10MHz和f₀＝12MHz下采用线性回归法进行线性拟合，其中，图9a对应于给定频率f₀＝10MHz的拟合结果，图9b对应于给定频率f₀＝12MHz的拟合结果，所得b值分别等于1.74e-9s²/m²和1.50e-9s²/m²，平均值为1.62e-9s²/m²，该值将用于反演表征平均晶粒直径。拟合可决系数(R-square)分别为0.911和0.916，表明拟合情况良好，线性拟合曲线如图黑色实线所示，灰色阴影区域为95％置信区间。

图10所示为TA2钛合金800℃/8.0h热处理组织激光超声单点检测一次/二次透射纵波中心频率偏移情况，实线所示为一次/二次透射纵波信号在[4,20MHz]频率范围内快速傅里叶变换频谱分析结果，采用最小二乘法对该频谱振幅进行高斯分布拟合，拟合可决系数为0.9972，拟合误差均方根为1.144e-3，表明拟合结果良好，拟合曲线如图虚线所示，其中，图10中上面的一条实线和一条虚线分别为一次透射波频谱和一次透射波频谱高斯拟合，图10中下面的一条实线和一条虚线分别为二次透射波频谱和二次透射波频谱高斯拟合。由拟合结果可知一次和二次透射纵波中心频率分别为fc₁＝12.8MHz和fc₂＝11.0MHz，频率带宽BW分别为7.22MHz和6.80MHz，表明对给定样品随激光超声传播距离的增加，纵波能量不断衰减，而高频纵波能量衰减的更快，导致纵波中心频率降低，频率带宽减少。

对每个试样进行多点测量，每点测量结果采用上述分析方法，计算一次/二次透射纵波中心频率比值R_fc，并统计多次测量平均值

和测量标准差，结果如图11所示，可以看出一次/二次透射纵波中心频率比值随晶粒直径的增大而增大，表明晶粒尺寸越大，高频能量衰减越多。

图12为基于TA2钛合金激光超声中心频率偏移情况推测计算所得试样的超声衰减系数，并以此反演计算平均晶粒直径。与EBSD分析结果比较，对于平均晶粒直径较大的试样，基于激光超声中心频率偏移的晶粒尺寸无损评价结果精度更高，最小误差约为±0.2％，而对于平均晶粒直径最小的试样评价结果误差最大，约为±5％。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于激光超声中心频率偏移的晶粒度无损评价方法，其特征在于，应用于激光超声检测系统，包括：

在待评价金属块的多个检测点进行激光超声检测，得到多个激光超声检测信号；所述激光超声检测信号包括以下任一项：激光透射波信号，激光底面反射波信号；

获取所述待评价金属块的被测区域的平均厚度，其中，所述被测区域为所述待评价金属块中多个检测点所在区域；

对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，其中，一个激光超声检测信号对应一个一次激光超声波信号和一个二次激光超声波信号，所述一次激光超声波信号包括以下任一项：一次透射波信号，一次底面反射波信号，所述二次激光超声波信号包括以下任一项：二次透射波信号，二次底面反射波信号；

对所述多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号利用高斯分布模型进行拟合操作，分别得到所述多个一次激光超声波信号的多个第一中心频率、多个频率带宽和所述多个二次激光超声波信号的多个第二中心频率；其中，一个一次激光超声波信号对应一个第一中心频率和一个频率带宽，一个二次激光超声波信号对应一个第二中心频率；

基于所述多个第一中心频率、所述多个频率带宽、所述多个第二中心频率和所述平均厚度，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径；

基于所述多个第一中心频率、所述多个频率带宽、所述多个第二中心频率和所述平均厚度，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径，包括：

依次计算所述第一中心频率中第一目标中心频率和所述第二中心频率中第二目标中心频率之间的比值，得到多个激光超声信号中心频率偏移量；所述第一目标中心频率和所述第二目标中心频率对应同一个激光超声检测信号；

计算所述多个激光超声信号中心频率偏移量的均值，得到平均中心频率偏移量；以及计算所述多个频率带宽的平均值，得到平均频率宽度；

基于所述平均中心频率偏移量、所述平均频率宽度和所述平均厚度，计算所述待评价金属块的超声衰减系数；其中所述超声衰减系数用于表征单位传播距离内超声能量衰减幅值与频率平方的线性比例关系；

基于所述超声衰减系数，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径；

基于所述平均中心频率偏移量、所述平均频率宽度和所述平均厚度，计算所述待评价金属块的超声衰减系数，包括：

利用关系方程

求解所述待评价金属块的超声衰减系数，其中，

为所述平均中心频率偏移量，

为所述平均频率宽度，H为所述平均厚度，α₀为所述超声衰减系数；

基于所述超声衰减系数，反演计算所述待评价金属块的平均晶粒直径包括：

获取与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数，所述线性比例系数用于表征超声衰减系数与平均晶粒直径的线性比例关系；

基于所述线性比例系数，利用关系方程

计算所述待评价金属块的平均晶粒直径；其中b为所述线性比例系数，

为所述待评价金属块的平均晶粒直径，α₀为所述超声衰减系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各个激光超声检测信号进行提取，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号，包括：

获取目标截取窗口，其中，所述目标截取窗口包括：一次激光超声波信号截取窗口和/或二次激光超声波信号截取窗口；

利用所述目标截取窗口，对各个所述激光超声检测信号进行提取操作，得到多个一次激光超声波信号和多个二次激光超声波信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数包括：

获取所述待评价金属块的材料所对应的晶粒尺寸分布；

利用对数正态分布模型对所述晶粒尺寸分布进行数据拟合操作，得到拟合参数平均值和拟合标准差；

基于所述拟合参数平均值和所述拟合标准差，通过超声衰减经典理论模型计算并得到与所述待评价金属块的材料性能相关的线性比例系数；所述超声衰减经典理论模型为关于求解多晶体金属材料中由晶粒散射引起的超声衰减值的解析计算方法的理论。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述待评价金属块进行电子背散射衍射分析，得到激光超声传播界面的检验平均晶粒直径；

计算所述平均晶粒直径和所述检验平均晶粒直径的差值，将所述差值与所述检验平均晶粒直径的比值作为所述待评价金属块的平均晶粒直径的测量误差。

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