CN110849812A

CN110849812A - 一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法

Info

Publication number: CN110849812A
Application number: CN201910985248.0A
Authority: CN
Inventors: 戴挺; 贾晓健; 顾栩涵; 郭魏; 张涛; 童蔚苹
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明涉及一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法，该方法包括由激光器、扫描振镜和振镜控制卡组成的激光超声检测器；由超声波探测器、信号放大器和数据采集卡组成的数据采集器；由计算机组成的信息处理器；主要步骤为：通过计算机生成工件待检测区域的快速扫描路径并计算出激光器重复频率和数据采集频率；由激光器发射激光，并通过扫描振镜完成激光在带检测区域的扫描；由超声波探测器采集超声信号并传送至计算机中；计算机根据采集到的超声信号，经过可视化处理，还原超声波与材料表面缺陷相互作用的动态过程。

Description

一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法。

背景技术

随着科学技术和社会生产的发展，工业上对于材料的性能要求越来越高。由于现阶段的冶金技术无法生产完美无缺的材料，同时材料在加工过程中往往也会产生很多缺陷。例如铸造过程中产生的裂纹、孔洞，焊接过程中的气孔、夹杂等。这些缺陷都可能导致零件在使用过程中产生失效，如果应用于大型结构件中，其结果往往不堪设想。而无损检测就是发现这种安全隐患的直接而有效的手段之一。

超声检测是无损检测最重要的一种手段，而激光超声检测属于一种新型的超声检测方法。相比于传统的压电陶瓷换能器，激光超声具有非接触、远距离的等特点。如申请号为201310669619.7的专利文献公开了一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置，通过脉冲激光器在待检测区域扫描，基于热弹性效应产生超声波，由激光干涉仪接收超声波信号，通过计算机处理声信号达到缺陷检测可视化效果。但是该专利文献中公布的方法扫描速度慢，采集数据庞大，检测效率不高，且无法对缺陷的大小进行定量检测。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，包括待检测工件，所述处理装置包括激光超声检测器、数据采集器以及信息处理器；所述激光超声检测器设置在待检测工件上方，所述待检测工件上设有数据采集器，所述激光超声检测器、数据采集器均与信息处理器相连；所述信息处理器为计算机。

所述激光超声检测器包括激光器以及扫描振镜；所述激光器以及扫描振镜均与计算机相连，扫描振镜设置在待检测工件上方；

所述数据采集器包括超声波探测器以及信号放大器；超声波探测器设置在待检测工件上，超声波探测器通过信号放大器与计算机相连。

所述激光超声检测器还包括振镜控制卡，所述振镜控制卡安装于计算机中。

所述数据采集器还包括数据采集卡，所述数据采集卡安装于计算机中；所述数据采集卡为高速数字A/D采集卡。

所述的激光超声检测器由激光器产生脉冲激光，该激光束进入扫描振镜，由振镜控制卡调整振镜反射镜的角度，实现脉冲激光在待检测零件上的扫描，由于热弹机制的作用，零件表面将产生纵波、横波以及表面波等信号，在零件表面向四面传播。

所述的信息处理器由超声波探测器在金属表面探测超声波与表面缺陷相互作用的回波信号，该信号通过信号放大器放大并传输至计算机，由采集卡高速采集一定时间的超声信号并转变为量化数据。

所述的信息处理器通过计算机处理这些超声数据并根据不同的检测需要获得有关缺陷的信息，根据超声波信息对缺陷进行可视化成像。

所述扫描振镜的扫描视角为±18°。

所述激光器为脉冲激光器。

所述数据采集卡为高速数字A/D采集卡。

所述数据采集卡和振镜控制卡安装于计算机上。

所述的控制软件及可视化软件由labview开发。

所述的最大扫描区域可以由振镜下的场镜与工件的高度决定。

本发明进一步公开一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据处理的方法，它包括以下几个步骤：

S1、扫描路径的规划

将需要扫描覆盖缺陷的区域离散为均匀的点阵，点与点之间的横向间隔为dx, 纵向间隔为dy。为提高激光扫描效率，扫描轨迹的相临行（或列）之间的扫描采用“之”字形。采用扫描法超声检测时，点阵间隔dx和dy越小，检测分辨率越高，但是需要的处理的数据量也越大。

S2、激光器重复频率和数据采集频率的计算

由于激光扫描点数较多，为了保证检测效率，一般选择具有较高重复频率激励激光器使扫描时间缩短。但是为了使激励出来的超声信息可分辨，两个相临扫描点激励的超声信息不可以在接收传感器位置处发生超声场叠加的现象，所以激光激励的时间间隔又不可以太短。因此，假设扫描区域宽度为A（mm），超声波的声速为V(m/s)，那么要求激光器重复频率不能超过k*V*1000/A(k<0.75)。

为保证数据采集能够获得足够的超声与缺陷相互作用信息，必须使数据采集时间足够，这也同样限制使用过高的激光扫描重复频率。仍以上述参数为例，激光激励的超声从一端传递过整个扫描区域所需的时间为：A /（V*1000），数据采集设备最短采集时间则是基于采集触发与激光器出光同步的前提下，不短于激光超声传播时间，为有效分辨超声与缺陷相互作用的信息。假设每个扫描点采集数据量为N。对于采集设备的性能要求是，实现最快速扫描时采集频率要大于N*V*1000/A。

S3、将采集到的原始数据定义为数组

假设扫描区域为A*A（mm²），扫描间隔为dx和dy(mm)，假设每个扫描点采集数据量为N，每个采集数据用M字节来表示，每行列均包含首尾点时，一次扫描包含数据量为（A/dx+1）*（A/dy+1）*N*M字节。定义采集点为二维数组P_i，j（其中i∈［0，I］，I=A/dx，j∈［0，J］，J=A/dy），该数组与二维空间中的扫描点一一对应。数据采集后，将每个扫描点采集的N个数据以数组dⁿ _i,j（其中n∈［0，N-1］）对应于采集点P_i，j中。其物理意义为以起始数据为时间零点，按采样时间间隔有序分布的N个采集数据；原始数据的二维数组可看成是从按照扫描路径顺序排列的所有点上采集的数据序列的组合。

S4、采集点数据处理

根据扫描成像数据处理的需要，将采集的原始数据格式转换为三维数组（i，j，t），分别包含样品表面扫描点的空间位置信息，以及时间维。存储的数据值是在相应的空间位置处对应时刻的声场强度值。将t作为第1维，i作为第2维，j作为第3维。根据计算机存储规则，存储维度的频次顺序为低维度→高维度，t→i→j。这样实现了三维数组t-i面数据为连续顺序存储的数据，且与原始数据格式和顺序基本相同。在此基础上，对原始数据中的每隔i个扫描点，将它们的数据通过直接内存拷贝的形式复制到新的三维数组，形成j维的新的一面。以此方法经过j次内存拷贝，完成由原始数据→三维数组的数据转换。由于采用“之”字形扫描策略，相临扫描行间的数据为首尾相连，需要将其恢复为按照空间点位置分布形式。即对奇数行（j下标为奇数）的二维数组的i维数据进行转置，t维保持不变。

S5、可视化映射处理

定义一个声场强度值和颜色的映射表格，将三维数组（i，j，t）中数据的最大和最小值分别与颜色值进行映射，获得相应的颜色。并将点（i，j）位置作为生产图像中的一个像素点，从而获得N幅I*J尺寸的图像。由于激光扫描的时间间隔已知。将这N幅图像以视频形式进行重放，即可获得激光超声声场与样品近表面缺陷相互作用的过程可视化视频。

由于采用了以上技术，本发明较现有技术相比，具有的有益效果如下：

第一，采用表面波对金属表层缺陷进行检测，表面波相对于纵波其对近表面缺陷更加敏感；

第二，优化扫描路径，充分考虑激光器重复频率以及信号采集频率，有效地提高了激光超声检测及缺陷可视化成像的效率；

第三，可视化视频可以展示超声在传播中与缺陷的相互作用的动态过程，可更好地识别金属表层的各种缺陷，实现缺陷的定量化检测；

第四，所述的超声波探测器不限于接触式探头，也可采用非接触式探测器如激光干涉仪，可应用于高温条件如焊接或者3D打印过程中的缺陷在线检测。

附图说明

图1为本发明所述处理装置示意图；

图2为本发明所述扫描路径规划示意图；

图3为本发明所述采集的数组示意图一；

图4为本发明所述采集的数组示意图二；

图5为本发明所述方法实施实验过程中所使用含缺陷的铝板示意图；

图6为本发明所述方法进行实验所得声场传播成像视屏帧；

图中：1、计算机，2、激光器，3、扫描振镜，4、待检测工件，5、超声波探测器，6、信号放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

结合附图可见，下面将结合所附图片进一步具体说明本发明的实施方案。如图5所示，该实例选取一块表层含有直径为5mm孔洞作为待检测工件4，扫描区域20mm*20mm。

1.搭建激光超声检测装置

如图1所示为一种高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置包括激光超声检测器、数据采集器和信息处理器。所述激光超声检测器设置在待检测工件4上方，所述待检测工件4上设有数据采集器，所述激光超声检测器、数据采集器均与信息处理器相连；所述信息处理器为计算机1。

其中激光超声检测模器包括激光器2、扫描振镜3和振镜控制卡；其中扫描振镜3、激光器2直接与计算机1相连，扫描振镜3设置在待检测工件4上方；

数据采集器包括超声波探测器5、信号放大器6和数据采集卡；超声波探测器5置于待检测工件4上并通过信号放大器6与计算机1相连。

所述的数据采集卡和振镜控制卡安装于计算机1中。

2.规划扫描路径

如图2所示，将需要扫描覆盖缺陷的区域离散为均匀的点阵，点与点之间的横向间隔为dx=0.1mm, 纵向间隔为dy=0.1mm。为提高激光扫描效率，扫描轨迹的相临行（或列）之间的扫描采用“之”字形。

3.计算激光器重复频率和数据采集频率

该实例中检测材料为铝，扫描区域宽度A=20mm，铝中表面波的波速约为V=3000m/s，f≈k*V*1000/A，取k=0.5，则极限重复频率约为：75kHz。当扫描区域变大时，可用极限重复频率下降。该实例中采集数据量要求N不低于500个数据，结合数据处理量的综合考虑，一般要求N又小于1000个数据。这样，以N=500为例，数据采集设备的最低采样频率不低于500*3000*1000/20=75MHz。

4.检测开始并采集数据

激光器2按照计算所得频率发射脉冲激光，在振镜的反射下按照规划好的扫描路径对带检测工件进行扫描。超声波接收器接收超声信号并有采集卡按照计算所得采集频率采集原始数据。扫描为区域20mm*20mm，dx=dy=0.1mm，则扫描区域离散为201x201=40401个点。每个扫描点采集的数据量为N=500个数据，每个数据均为8字节双精度数，则一次扫描包含数据量为40401*500*8≈161MB。如图3和4所示，定义采集点为二维数组P_i，j（其中i∈［0，200］，j∈［0，200］），该数组与二维空间中的扫描点一一对应。数据采集后，将每个扫描点采集的500个数据以数组dⁿ _i,j（其中n∈［0，499］）对应于采集点P_i，j中，其物理意义为以起始数据为时间零点，按采样时间间隔有序分布的500个采集数据；原始数据的二维数组可看成是从按照扫描路径顺序排列的所有点上采集的数据序列的组合。

5.计算机处理采集点数据

将采集的原始数据格式转换为三维数组（i，j，t），分别包含样品表面扫描点的空间位置信息以及时间维。存储的数据值是在相应的空间位置处对应时刻的声场强度值。

6.计算机可视化处理

定义一个声场强度值和颜色的映射表格，将三维数组（i，j，t）中数据的最大和最小值分别与颜色值进行映射，获得相应的颜色。并将点（i，j）位置作为生产图像中的一个像素点，从而获得500幅200*200尺寸的图像。由于激光扫描的时间间隔已知。将这500幅图像以视频形式进行重放，即可获得激光超声声场与样品近表面缺陷相互作用的过程可视化视频。该实例的检测结果如图6所示，可以很直观的看到超声波与圆孔缺陷相互作用的整个过程，检测出铝板表层圆孔缺陷并量化，从图中可以看出缺陷大小为5mm。

上述实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围，即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，包括待检测工件，其特征在于：所述处理装置包括激光超声检测器、数据采集器以及信息处理器；所述激光超声检测器设置在待检测工件上方，所述待检测工件上设有数据采集器，所述激光超声检测器、数据采集器均与信息处理器相连；所述信息处理器为计算机。

2.根据权利要求1所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述激光超声检测器包括激光器以及扫描振镜；所述激光器以及扫描振镜均与计算机相连，扫描振镜设置在待检测工件上方；所述数据采集器包括超声波探测器以及信号放大器；超声波探测器设置在待检测工件上，超声波探测器通过信号放大器与计算机相连。

3.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述激光超声检测器还包括振镜控制卡，所述振镜控制卡安装于计算机中。

4.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述数据采集器还包括数据采集卡，所述数据采集卡安装于计算机中。

5.根据权利要求4所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述数据采集卡为高速数字A/D采集卡。

6.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述扫描振镜的扫描视角为±18°；所述激光器为脉冲激光器。

7.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述激光超声检测器由激光器产生脉冲激光，该激光束进入扫描振镜，由振镜控制卡调整振镜反射镜的角度，实现脉冲激光在待检测零件上的扫描，由于热弹机制的作用，零件表面将产生纵波、横波以及表面波的信号，在零件表面向四面传播。

8.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述信息处理器由超声波探测器在金属表面探测超声波与表面缺陷相互作用的回波信号，该信号通过信号放大器放大并传输至计算机，由采集卡高速采集一定时间的超声信号并转变为量化数据。

9.根据权利要求2所述的一种对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置，其特征在于：所述信息处理器通过计算机处理超声数据并根据不同的检测需要获得有关缺陷的信息，根据超声波信息对缺陷进行可视化成像。

10.利用权利要求1-9所述的对金属浅表层实现高效率激光超声扫描成像检测和超声数据的处理装置进行数据处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将需要扫描覆盖缺陷的区域离散为均匀的点阵，扫描轨迹的相临行或相邻列之间的扫描采用“之”字形；

（2）计算激光器重复频率f1和数据采集频率f2，其中f1≤k*V*1000/A，f2≥N*V*1000/A，A为扫描区域宽度，V是超声波的声速， N为每个扫描点采集的数据量, k<0.75；

（3）定义采集点为二维数组P_i，j，其中i∈［0，I］，I=A/dx，j∈［0，J］，J=A/dy，该数组与二维空间中的扫描点一一对应；数据采集后，将每个扫描点采集的N个数据以数组dⁿ _i,j对应于采集点P_i，j中；所述dⁿ _i,j中n∈［0，N-1］；

（4）将采集的原始数据格式转换为三维数组（i，j，t），分别包含样品表面扫描点的空间位置信息以及时间维，存储的数据值是在相应的空间位置处对应时刻的声场强度值；

（5）定义一个声场强度值和颜色的映射表格，将三维数组（i，j，t）中数据的最大和最小值分别与颜色值进行映射，获得相应的颜色；将点（i，j）位置作为生成图像中的一个像素点，获得N幅I的图像；以视频形式进行重放将这N幅图像，获得激光超声声场与样品近表面缺陷相互作用的过程可视化视频。