CN111122700B - 一种提高激光超声saft缺陷定位速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，包括以下步骤：将待测样品置于激光器的扫描区域，并在样品表面按照一定步长设置一系列检测点；根据激光超声波在样品内传播的方向性，针对每个检测点确定一系列非固定步长的激发点；固定一探测点，脉冲激光器在样品表面激发激光超声，激光探测装置在检测点接收超声回波信号，直至扫描完成所有的激发点；改变检测点位置，重复以上步骤，直至所有检测点都处理完毕；利用SAFT算法，在相应区域内逐点完成反射回波信号处理；将所有检测点的计算结果累加，即可得到样品内部缺陷的成像结果。本发明利用激光超声波传播的方向性，减少了激发点密度，同时减少数据处理时间，从而提高了检测速度。

Description

一种提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法
技术领域
本发明属于材料无损检测技术领域，特别是一种提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法。
背景技术
激光超声技术具有非接触、宽频带、多模态激发以及激发和检测激光源便于移动等特点，适用于对复杂构件和大型构件的检测，并可应用在高温、高压及辐射等恶劣环境下。目前常用的激光超声检测方法，是采取激光束作为激励，在检测材料中激发超声波信号，采用压电换能器或测振仪等方法接收信号。
激光超声场的分布由激光束性质、材料的物理性质及场点的位置决定。比如激光作为表面热源在热弹机制下垂直于金属表面入射时，激发出超声波的方向性关于表面的法线对称，横波主要在法线两侧30°左右传播，纵波主要在法线两侧65°左右传播。
合成孔径聚焦技术(SAFT)，是声学领域中提高检测分辨率的途径之一，其基本原理是将一系列单个小孔径传感器结合起来代替一个大孔径传感器，以提高检测横向分辨率。传统的激光超声SAFT在样品表面的多个位置激发并接收超声波，后期对时域信号进行时延累加，便可实现样品内部缺陷的检测。
之前有学者[李俊燕,沈中华,倪晓武等.基于合成孔径聚焦技术的激光超声无损检测方法研究[J].中国激光,2018,45(9):0904003.]针对厚钢板内部缺陷的检测问题，利用SAFT算法实现了厚钢板样品内部缺陷的定位及成像。移动脉冲激光源在样品内激发超声纵波，利用激光测振仪在固定点探测得到超声时域信号，从时域信号中提取缺陷反射的纵波回波，对样品内部缺陷进行成像。该方案可在缺陷回波信噪比较低的情况下实现缺陷检测，并且过程简便，但仍然存在以下不足：后期需要对采集系统中的数据进行大量处理，消耗时间长，检测效率低，而且难以实现对缺陷的快速检测定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用激光超声方向性提高激光超声SAFT检测速度的方法，其数据处理量少、检测效率高，可以实现缺陷的快速定位。
实现本发明目的的技术方案为：一种提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，包括以下步骤：
步骤1，在待检区域的样品表面按照一定步长，设置多个检测点；
步骤2，根据超声波在样品内传播的方向性，对不同的检测点设置激发点；
步骤3，针对每个检测点，脉冲激光器在确定的激发点依次在样品表面激发激光超声，激光探测装置在检测点依次接收超声回波信号；激光探测装置与数据采集卡相连，所得结果通过数据采集卡输入至计算机；
步骤4，移动激光探测装置，根据步骤1中所设步长，改变检测点位置，重复步骤3，直至所有检测点均处理完毕；
步骤5，依据超声波在样品内部传播的方向性，利用SAFT算法对相应区域内每个像素点反射的回波信号，进行时延叠加；
步骤6，将所有检测点计算结果累加，重复叠加的区域按权数进行平均，得到样品内部缺陷位置的成像结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)传统激光超声SAFT对整个样品区域的所有像素点都进行计算，需要处理海量数据；本发明通过合理设置激发点和计算区域，减少了激发点密度和计算量，本发明提高了整个检测系统的运行速度；(2)通过计算机处理数据，有操作简单、重复性好、分辨率高等特点，现场工作人员可以实时直观地观测。
附图说明
图1是本发明的激光超声检测系统工作结构示意图。
图2是本发明方法的右侧计算区域划分图。
图3是本发明方法的左侧计算区域划分图。
图4是激光超声SAFT原理图。
具体实施方式
传统激光超声SAFT在整个样品表面激发和接收回波信号，数据量大，有必要在前期实验和后期处理数据时进行化简。本发明对不同检测点设置一系列激发点，后期处理数据前，对不同的检测点设计不同计算区域，从而减少运算量和运算时间，提高运行效率。
一种利用激光超声方向性来提高激光超声SAFT方法定位缺陷的检测方法，包括以下步骤：
(1)在待检区域，在样品表面按照一定步长，设置一系列检测点，检测区至少占待检区域上表面的80％。
(2)根据超声波在样品内传播的方向性，对不同的检测点设置一定步长的一系列激发点；将同一个检测点所对应的激发区域划分为左右两个部分；某检测点左部激发区域的起始点为该检测点左侧(x＝2dtan(θ)+0.5s)处；结束点为该检测点右侧0.5s处；某检测点右部激发区域的起始点为该检测点左侧0.5s处；结束点为该检测点右侧(x＝2dtan(θ)+0.5s)处；其中d表示样品深度，θ表示所用超声波的方向角大小，s表示探测步长；区域划分如图2所示。
(3)针对每个检测点，脉冲激光器在确定的激发点依次在样品表面激发激光超声，与此同时，激光探测装置在检测点依次接收超声回波信号；激光探测装置与数据采集卡相连，所得结果通过数据采集卡输入至计算机；
(4)移动激光探测装置，根据步骤(1)中所设步长，改变检测点位置，重复步骤(3)，直至所有检测点都处理完毕；
(5)依据超声波在样品内部传播的方向性，利用SAFT算法对相应区域内每个像素点反射的回波信号，进行时延叠加；对某一检测点，其左侧计算区域是上底为左侧激发区长度，下底为一个检测步长的等腰梯形；其右侧计算区域是上底为右侧激发区长度，下底为一个检测步长的等腰梯形；
(6)将所有检测点计算结果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可得到样品内部缺陷位置的成像结果；若一区域重复叠加m次，则该区域的最后计算结果应除以m。
进一步的，所述的待检对象包括金属、陶瓷或复合材料。
进一步的，前期采集回波及后期信号处理前，根据超声波方向性，对不同的检测点设置不同激发点和探测区域，减少检测和计算时间。
进一步的，步骤(1)中设置检测点的步长为2mm～5mm。
进一步的，步骤(2)中设置激发点的步长为0.1mm～1mm。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
如图1所示，本发明的检测系统，包括脉冲激光器2、激光探测装置3、数据采集卡4；脉冲激光器2发射激光，移动脉冲激光器2，按照预设的激发点，对样品1表面进行激发；激光探测装置3在样品表面预设的检测点处采集回波数据，并与数据采集卡4连接，实现数据传输。
将待测样品置于激光器的扫描区域，并在样品表面按照一定步长设置一系列检测点；根据激光超声波在样品内传播的方向性，针对每个检测点确定一系列非固定步长的激发点；固定一探测点，脉冲激光器在样品表面激发激光超声，激光探测装置在检测点接收超声回波信号，直至扫描完成所有的激发点；激光探测装置与数据采集卡相连，激光超声信号通过数据采集卡输入至计算机；改变检测点位置，重复以上步骤，直至所有检测点都处理完毕；利用SAFT算法，根据超声波的方向性和优化重建区域，并在相应区域内逐点完成反射回波信号处理；将所有检测点的计算结果累加，即可得到样品内部缺陷的成像结果。
下面结合附图，具体说明本发明利用SAFT方法定位缺陷的激光超声检测方法：
(1)根据待检区域，在样品表面按照一定步长，设置一系列检测点；检测步长为2mm～5mm。
(2)激光超声场的分布由激光束性质、材料的物理性质及场点的位置决定。比如激光作为表面热源在热弹机制下垂直于金属表面入射时，激发出超声波的方向性关于表面的法线对称，横波主要在法线两侧30°左右传播，纵波主要在法线两侧65°左右传播。
将同一个检测点所对应的计算区域划分为左右两个部分。图2为针对检测点B划分的右侧计算区域，A、B、C表示三个相邻检测点，D、E分别为检测点A、B和检测点B、C中点，θ为体波方向角。线段DG由D点出发，在D点法线右侧与法线夹角为体波方向角，与下边界相交于G，DG则为该计算区域的左边界。将DG平移至EH，EH经下表面镜面反射，得到HF，HF即为检测区域的右边界。D、F为激发的起始点和结束点。
图中，边界1和边界2以及材料的上下边界构成的封闭图形为针对检测点B划分的右侧计算区域，D、F分别为针对点B右侧计算区域的激发起始点和结束点。
图3为针对检测点B划分的左侧计算区域，同理可得该区域左右边界EJ、KI，以及激发的起始点和结束点I、E。
图中，边界3和边界4以及材料的上下边界构成的封闭图形为针对检测点B划分的左侧计算区域，I、E分别为针对点B左侧计算区域的激发起始点和结束点。
(3)在样品表面按照一定步长，从D到F以及I到E设置一系列激发点。激发步长大致为0.1mm～1mm。
(4)针对每个检测点，脉冲激光器在确定的激发点依次在样品表面激发激光超声，与此同时，激光探测装置在该检测点依次接收超声回波信号。激光探测装置与数据采集卡相连，所得结果通过数据采集卡输入至计算机。
(5)移动激光探测装置，改变检测点位置，重复步骤(2)(3)(4)，直到设置的所有检测点都处理完毕。
(6)利用SAFT算法对反射回波进行处理，对不同检测点，只需处理步骤(2)预设区域内的像素点。即，对探测点B而言，只需分别处理图2和图3中所划区域内的像素点。激光超声SAFT原理如图4所示，A为某一激光激发点，B为某一检测点，C为检测点B对应计算区域中任意一点，d1和d2分别为激发点A和检测点B到C的距离。v表示样品中超声波的波速，Mi为检测点的位置，i＝1,2,3，…N，S(Mi,t)为检测光在t＝(d1+d2)/v时刻探测到的信号。若C点为缺陷，则信号S(Mi,t)将出现一个由缺陷引起的反射波峰；若C点无缺陷，则信号S(Mi,t)中不会出现反射波。对样品内部的点C进行重建的表达式为∑(c)＝Σs(Mi,t)。
(7)最后所有检测点计算结果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可实现样品内部各点的重建。
本实施例中，二维铅块样品尺寸为50.00mm×5.00mm，检测步长为2.00mm。激光作为表面热源在热弹机制下垂直于表面入射，利用横波回波来进行缺陷反演(方向角为30°)，则可计算出图2中检测点B右侧计算区域对应激发起始点和激发结束点分别在B左侧1.00mm和右侧5.77mm处，图3中检测点B左侧计算区域对应激发起始点和激发结束点分别在B左侧5.77mm和右侧1.00mm处。调节激光探测装置，在检测点B处准备接收回波信号。设置激发步长为0.10mm，不足0.10mm时按0.10mm算。调节脉冲激光器，在预设的激发点依次激发激光。改变检测点，重复以上步骤，直到对所有的检测点都检测完毕。
将采集到的超声波信号存储在计算机中，利用SAFT算法进行数据处理。对点B设计的计算区域划分为两部分，分别如图2、图3所示，将所有检测点的计算结果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可得到样品内部缺陷成像结果。经过区域划分后，需要进行SAFT算法进行处理的面积仅为原来的16％，明显减小了计算量，提高了检测速度。

Claims (5)

1.一种提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在待检区域的样品表面按照一定步长，设置多个检测点，设置检测点的检测区至少占待检区域上表面的80％；
步骤2，根据超声波在样品内传播的方向性，对不同的检测点设置激发点；
将同一个检测点所对应的激发区域划分为左右两个部分：某检测点左部激发区域的起始点为该检测点左侧x＝2dtan(θ)+0.5s处；结束点为该检测点右侧0.5s处；某检测点右部激发区域的起始点为该检测点左侧0.5s处；结束点为该检测点右侧x＝2dtan(θ)+0.5s处；其中d表示样品深度，θ表示所用超声波的方向角大小，s表示探测步长；
步骤3，针对每个检测点，脉冲激光器在确定的激发点依次在样品表面激发激光超声，激光探测装置在检测点依次接收超声回波信号；激光探测装置与数据采集卡相连，所得结果通过数据采集卡输入至计算机；
步骤4，移动激光探测装置，根据步骤1中所设步长，改变检测点位置，重复步骤3，直至所有检测点均处理完毕；
步骤5，依据超声波在样品内部传播的方向性，利用SAFT算法对相应区域内每个像素点反射的回波信号，进行时延叠加；
步骤6，将所有检测点计算结果累加，重复叠加的区域按权数进行平均，得到样品内部缺陷位置的成像结果。
2.根据权利要求1所述的提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，其特征在于，待检样品为金属、陶瓷或复合材料。
3.根据权利要求1所述的提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，其特征在于，步骤1中设置检测点的步长为2mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，其特征在于，步骤2中设置激发点的步长为0.1mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的提高激光超声SAFT缺陷定位速度的方法，其特征在于，步骤5中，对某一检测点，其左侧计算区域是上底为左侧激发区，下底为一个检测步长的等腰梯形；其右侧计算区域是上底为右侧激发区，下底为一个检测步长的等腰梯形。
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