CN110160469B - 一种基于激光扫描与声波波速测量楔形体角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描与声波速度测量楔形体角度的方法，所述方法包括以下步骤：建立激光在长方体边界线扫描产生的超声波阵面模型；根据所述长方体的超声波阵面获得波速、激光扫描速度的数学表达式：根据所述数学表达式区分楔形体的超声波阵面中的横波和纵波；根据所述横波和纵波建立对应的激光在楔形体边界线扫描产生的超声波阵面模型；根据所述楔形体的超声波阵面模型及相似三角形原理计算楔形角。本方法通过间接法有效、快速的得出楔形体倾角的度数，减小了误差。

Description

一种基于激光扫描与声波波速测量楔形体角度的方法

技术领域

本发明涉及激光超声检测技术领域，尤其涉及一种测量楔形体角度的方法。

背景技术

楔形体结构材料是一种非常常见的结构材料。金属楔形构件特别是楔形铝材在工业材料及其零部件中有广泛的应用。在工业运用中，楔形体的角度性质对于技术实验而言显得十分重要，确定楔形体的角度是对其进行相关加工运用的首要目标。因此，寻找一种简易且误差较小的测量楔形体角度的方法是十分必要的。

激光超声是一种非接触，高精度，无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波，并用激光束探测超声波的传播，从而获取工件信息。当激光的能量聚焦照射到弹性材料表面时，部分会转移到材料本身并以热能和应力波动能的形式表现出来。通过改变激发激光的几何形状可以控制能量在材料中的分布以及对材料的影响。激光超声就是利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，通过热弹效应(少数情况是热蚀效应)在固体表面产生应变和应力场，使粒子产生波动，进而在物体内部产生超声波。当激光入射到材料上时，所产生的超声波以不同的类型传播出去，主要有纵波、横波和表面波。激光超声检测技术在上世纪九十年代晚期出现成熟的商用系统并最早在无缝钢管产业开始应用。目前该技术的工业应用已经扩展到激光焊接焊缝质量在线监控，风力发电机叶片检测，飞机机身搭接腐蚀检测，高温陶瓷，金属，复合材料检测，电子元器件/半导体封装质量检测，各种材料涂层缺陷检测等众多领域。

但是，目前还并未有利用激光超声检测技术间接测量工业材料楔形体角度的研究。楔形体角度测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光扫描与声波波速测量楔形体角度的方法，以解决现有技术中存在的未有激光超声检测技术测量工业材料楔形体角度的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，所述方法包括以下步骤：

建立激光在长方体边界线扫描产生的超声波阵面模型；

根据所述长方体的超声波阵面获得波速、激光扫描速度的数学表达式：

根据所述数学表达式区分楔形体的超声波阵面中的横波和纵波；

根据所述横波和纵波建立对应的激光在楔形体边界线扫描产生的超声波阵面模型；

根据所述楔形体的超声波阵面模型及相似三角形原理计算楔形角。

进一步的，所述超声波阵面通过将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来获得。

进一步的，所述波速、激光扫描速度的数学表达式为：

sinγ＝v_声/v_扫，

其中，γ为长方体的超声波阵面的波阵面角，v_扫为激光扫描速度，v_声为声波波速。

进一步的，所述楔形角通过如下数学公式计算获得：

当激光沿劈尖段开始扫描时，所述数学公式为：

sin(α+θ)＝v_L/v₁，

sin(β+θ)＝v_S/v₂，

当激光沿直角段开始扫描且α>θ，β>θ时，所述数学公式为：

sin(α-θ)＝v_L/v₁，

sin(β-θ)＝v_S/v₂，

当激光沿直角段开始扫描且α<θ，β<θ时，所述数学公式为：

sin(θ-α)＝v_L/v₁，

sin(θ-β)＝v_S/v₂，

其中，α为纵波对应波阵面的波阵面角，β为横波对应波阵面的波阵面角，θ为楔形角，v₁为纵波斜率，v_L为纵波声速，v₂为横波斜率，v_S为横波声速。

进一步的，所述方法还包括：

建立楔形体斜边应力与时间的直角坐标图；

根据所述直角坐标图获取纵波斜率v₁、纵波声速v_L、横波斜率v₂、横波声速v_S。

进一步的，所述直角坐标图中应力所在的斜边为纵轴，时间为横轴。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

由于激光入射到材料上时，所产生的超声主要以纵波、横波和表面波的形式传播出去，可利用激光扫描产生的声波波速与扫描速度确定含有楔形体角度的数学关系，从而得出楔形体角度大小，本发明可高效精准地测量出楔形体角度的大小，对于工业材料生产具有重要意义。

附图说明

图1是本发明基于激光扫描与声波速度测量楔形体角度的方法一个实例的流程图；

图2是声波在长方形板中传播的示意图；

图3是声波在楔形体中传播的示意图；

图4是关于楔形体斜边应力与时间的直角坐标图；

图5是关于楔形体角度、声波波振面、扫描速度与声波速度关系的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

如图1所示，是本发明提供的测量楔形体角度的一个实施例的流程示意图，所述方法包括：

步骤一，建立激光在理想长方体铝材上沿着横截面的边界线进行扫描产生的超声波阵面模型；

1)建立理想的长方形铝材模型，沿边界线进行激光移动扫描；

2)沿边界激光扫描方向，将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来，得到沿着扫描方向的超声波阵面。

建立理想的长方形铝材模型，沿边界线进行激光移动扫描，当扫描激光开始接触材料表面时，材料表面吸收激光能量并转化为热能，在接触部分周围产生较大的温度梯度并产生了热膨胀，这种热膨胀会产生超声波。

步骤二，推算出波速与激光扫描速度的数学表达式；

1)建立激光在理想长方体铝材上沿着横截面的边界线进行扫描产生的超声波阵面模型，将所形成波阵面与长方形上边沿的夹角称为波阵面角γ。由角度关系和相似三角形得出波速与激光扫描速度的数学表达式，令扫描速度为v_扫，v_声为声波波速；

2)在图2中由几何关系可知声波波速与扫描速度关系符合公式：sinγ＝v_声/v_扫，据此表达式可从横截面中两条波阵面区分出横波与纵波。

步骤三，建立激光在理想楔形体铝材上沿着横截面的边界线进行扫描产生的超声波阵面模型；

1)建立理想楔形铝材，沿着横截面的边界线进行激光移动扫描；

2)选择该楔形体横截面为研究对象，将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来，得到沿着扫描方向的超声波阵面。

步骤四，区分楔形体中两条波阵面所对应的波的类型；

1)令波速较快的声波波速为v_L(即纵波声速)，其所形成的波阵面为波阵面L(即纵波波阵面)，令波速较慢的声波波速为v_S(即横波声速)，其所形成的波阵面为波阵面S(即横波波阵面)；

2)由(1)(2)两步中得到的波速、扫描速度与角度的数学关系式sinγ＝v_声/v_扫来区分出楔形体内的横、纵波；

步骤五，根据楔形体的超声波阵面及相似三角形原理推出的波阵面角、声波斜率、波速三者之间的数学关系式计算出楔形体的角度；

1)在楔形体的超声波阵面的三角形模型的斜边建立二维截线以选取斜边应力值。将均匀长度间隔，均匀时间间隔下的应力值输出为二维数据矩阵，绘制二维平面图；

2)根据激光扫描楔形体的示意图(超声波阵面图)，由角度关系及相似三角形得到激光扫描速度、波阵面在斜边移动速度、波速三者之间的数学关系式，从而可以计算出楔形体的角度。

图2是声波在板中传播的示意图，包括

1)超声在板内主要以纵波、横波和传播出去，表现波的相应特性；

2)波速与扫描速度在材料内有特定的数学关系。

图3是声波在楔形体中传播的示意图，表现为

1)当激光入射到材料上时，所产生的超声波以不同的类型传播出去，主要有纵波、横波在材料内传播；

2)随激光扫描，体现了波与扫描速度的相关特性。

图4是关于楔形体斜边应力与时间的直角坐标图，可分析为

以应力在斜边的距离为纵轴，时间为横轴，在图4中将线L(即纵波波阵面)斜率设为v₁，形成对应波阵面的波速设为v_L；线S(即横波波阵面)斜率设为v₂，形成对应波阵面的波速设为v_s。设图3中L线对应波阵面与模型顶边夹角为波阵面角α，S线对应波阵面与模型顶边的夹角为波阵面角β，三角形长直角边与斜边夹角为θ(即楔形角)。

1)通过激光扫描的方向确定数学公式，如图5所示：

A、激光沿劈尖段开始扫描，根据几何关系，可得关系式sin(α+θ)＝v_L/v₁和sin(β+θ)＝v_S/v₂，结合步骤三、步骤四，计算出楔形角θ；

B、激光沿直角端开始扫描，根据几何关系，可得关系式sin(α-θ)＝v_L/v₁和sin(β-θ)＝v_S/v₂，结合步骤三、步骤四，计算出楔形角θ：

2)激光沿直角端扫描比较α与θ大小关系来确定数学表达式：

a.当α>θ，β>θ,sin(α-θ)＝v_L/v₁与sin(β-θ)＝v_S/v₂，结合步骤三、步骤四，可联立计算出楔形角θ；

b.当α<θ,β<θ,公式需变形为sin(θ-α)＝v_L/v₁和sin(θ-β)＝v_S/v₂，结合步骤三、步骤四，可联立计算出楔形角θ。

上文中的声波波速v_声，在楔形体的超声波阵面模型中，对应为两部分，分别为纵波声速v_L和横波声速v_S；长方体的超声波阵面的波阵面角γ，在在楔形体的超声波阵面模型中，也对应为两部分，分别为纵波对应波阵面的波阵面角α，横波对应波阵面的波阵面角β。

根据激光超声技术，利用波的传播特性与激光扫描速度通过数学表达式间接测量楔形体角度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

建立激光在长方体边界线扫描产生的超声波阵面模型；

根据所述长方体的超声波阵面获得波速、激光扫描速度的数学表达式：

根据所述数学表达式区分楔形体的超声波阵面中的横波和纵波；

根据所述横波和纵波建立对应的激光在楔形体边界线扫描产生的超声波阵面模型；

根据所述楔形体的超声波阵面模型及相似三角形原理计算楔形角；

所述楔形角通过如下数学公式计算获得：

当激光沿劈尖段开始扫描时，所述数学公式为：

当激光沿直角段开始扫描且α>θ，β>θ时，所述数学公式为：

当激光沿直角段开始扫描且α<θ，β<θ时，所述数学公式为：

其中，α为纵波对应波阵面的波阵面角，β为横波对应波阵面的波阵面角，θ为楔形角，v ₁ 为纵波斜率，v _L 为纵波声速，v ₂ 为横波斜率，v _S 为横波声速。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，其特征在于，所述超声波阵面通过将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，其特征在于，所述波速、激光扫描速度的数学表达式为：

其中，γ为长方体的超声波阵面的波阵面角，v _扫 为激光扫描速度，v _声 为声波波速。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，其特征在于，所述方法还包括：

建立楔形体斜边应力与时间的直角坐标图；

根据所述直角坐标图获取纵波斜率v ₁ 、纵波声速v _L 、横波斜率v ₂ 、横波声速v _S 。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光扫描与声波速度测量楔形角度的方法，其特征在于，所述直角坐标图中应力所在的斜边为纵轴，时间为横轴。

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