CN111174894A - 一种激光超声横波声速测量方法 - Google Patents

一种激光超声横波声速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光超声检测技术领域，具体涉及到一种激光超声横波声速测量方法。基于待测工件材料中激光超声横波声场指向性的分布规律，通过离心探测法获取工件底面反射或透射激光超声横波一次及二次脉冲回波，结合脉冲回波法和互相关法计算超声横波传播声速，并通过考虑离心检测中几何衍射引起的误差对横波声速计算结果进行修正，实现了激光超声横波声速的远距离、非接触式高精度测量。

Description

一种激光超声横波声速测量方法
技术领域
本发明属于激光超声检测技术领域，具体涉及到一种激光超声横波声速测量方法。
背景技术
对材料加工工艺和质量控制的严格要求以及对先进材料需求的不断增长使得超声无损检测技术的需求日益增加。激光超声由于摆脱了传统超声换能器尺寸的限制，无需液态耦合剂，可实现高温、高压、粉尘、易腐蚀等恶劣环境下材料的快速自动化扫描、远距离、非接触式检测，具有较好的应用前景。其一次激励可同时产生表面波和体波(横波、纵波)等多种类型的超声信号。其中超声横波声速测量被广泛应用于材料弹性性能的测定、材料微观结构的表征及残余应力评价等。
脉冲激光光束入射待测工件表面，当入射激光功率较低，待测工件表面未发生融蚀现象，超声信号将在热弹效应下被激发。这种情况下可采用震中探测法检测超声横波脉冲信号，然而横波脉冲到达范围很广，无法精确计时，给激光超声横波声速测量带来了挑战。当入射激光功率较高，待测工件表面材料融蚀引起反冲力，从而在融蚀效应下激发超声，这种情况下可采用离心探测法检测到一次超声横波脉冲信号，在声程确定的情况下利用横波脉冲信号传播时间确定声速。然而由于激励激光产生过程容易对入射信号引入噪音干扰、激光超声横波声场指向性的复杂以及几何衍射的影响，使得横波声速检测精度较低。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提供了一种激光超声横波声速测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激光超声横波声速测量方法，包括以下步骤：
步骤一：获取待测工件被测区域的平均厚度h；
步骤二：使脉冲激光器的激励激光垂直入射在待测工件表面，形成激励光斑；使激光超声探测仪的探测激光垂直照射在激励激光入射表面的同侧或相对侧，形成探测光斑；调整激励光斑和探测光斑在一条直线上，此时激励光斑位置记为I0，探测光斑位置记为R0；
步骤三：调整脉冲激光器的激励激光使其水平平移Δx，再次垂直入射在待测工件表面，形成新的激励光斑，位置记为I1，所用激励激光单脉冲能量足以在融蚀效应下激发超声波；保持探测光斑位置与步骤二相同，采用激光超声探测仪探测超声信号，采集并记录超声波形，记为一次超声波形，同时记录信号采样频率fs和激励光斑的半径 a；
步骤四：步骤三后，调整脉冲激光器的激励激光使其再次水平平移2Δx，再次垂直照射在待测工件表面，形成新的激励光斑，位置记为I2，所用的激励激光单脉冲能量与步骤三相同，且足以在融蚀效应下激发超声波；保持探测光斑位置与步骤二相同，采用激光超声探测仪探测超声信号，采集并记录超声波形，记为二次超声波形，其中信号采样频率fs和激励光斑的半径a与步骤三相同；
步骤五：对一次超声波形和二次超声波形分别进行高频滤波处理，然后再分别求解对时间的一阶导数，得到一次高频滤波超声信号和二次高频滤波超声信号；
步骤六：采用时间长度为T的矩形窗函数首先截取一次高频滤波超声信号中由待测工件底面反射或透射产生的一次横波脉冲信号，一次横波脉冲信号的传播距离记为
Figure RE-GDA0002433471170000021
对应的传播时间记为t1；然后截取二次高频滤波超声信号中由待测工件底面反射或透射产生的二次横波脉冲信号，二次横波脉冲信号对应的传播距离为
Figure RE-GDA0002433471170000022
对应的传播时间记为t2；
步骤七：将一次横波脉冲信号及二次横波脉冲信号分别进行归一化处理得到一次横波脉冲归一化信号和二次横波脉冲归一化信号；
步骤八：采用插值法对一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号进行插值处理，获得一次横波脉冲插值信号和二次横波脉冲插值信号；
步骤九：计算一次横波脉冲插值信号、二次横波脉冲插值信号的互相关函数，获取互相关函数取最大值时所对应的时间tf，计算得到一次横波脉冲信号与二次横波脉冲信号的传播时间差为Δt＝tf+t2-t1；
步骤十：计算得到超声横波声速：
Figure RE-GDA0002433471170000031
考虑由于几何衍射引起的计算误差，对计算结果进行修正，修正后得到超声横波声速为：v＝vm[1-3a2/(4z1z2)]；
步骤十一：控制待测工件沿指定轨迹运动，重复步骤(二)—步骤(十)，对待测工件待测区域进行扫描检测，获取所有扫描检测点的超声横波声速，并求取平均值
Figure RE-GDA0002433471170000032
记为待测工件的超声横波平均声速。
作为优选方案：
所述步骤三中水平平移距离Δx是基于待测工件中激光超声横波声场指向性分布规律确定的，优选地，可取Δx＝0.25*h。
所述步骤六中，所述时间长度T为激光超声纵波脉冲信号宽度的两倍。
所述步骤八中，以采样间隔Δτ’＝0.01/fs对一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号进行插值处理。
所述步骤八中，插值法采用线性插值法、多项式插值法、牛顿插值法中任一种。
所述待测工件为平板类工件。
所述脉冲激光器的激光头安装于振镜扫描装置上，振镜扫描装置与工控机连接，通过工控机调整激励光斑位置。
所述待测工件固定在二维手动平移台上，可以通过手动调节实现待测工件在给定平面内的运动。
所述二维手动平移台放置在光学平台上。
所述激光超声探测仪及其检测探头放置在光学平台上。
本发明提供一种激光超声横波声速测量方法，基于待测工件材料中激光超声横波声场指向性的分布规律，通过离心探测法获取待测工件底面反射或透射激光超声横波一次及二次脉冲回波，结合脉冲回波法和互相关法计算超声横波传播声速，并通过考虑离心检测中几何衍射引起的误差对横波声速计算结果进行修正，实现了激光超声横波声速的远距离、非接触式高精度测量。
附图说明
图1为本发明超声检测方法示意图。
图2为本发明超声检测信号及其处理过程结果图；其中(a1)为激光入射位置为I1时获取的一次超声波形图；(a2)为对一次超声波形进行高频滤波及求导后获取的一次高频滤波超声信号；(a3)为归一化处理的一次横波脉冲信号；(b1)为激光入射位置为I2时获取的二次超声波形图；(b2)为对二次超声波形进行高频滤波及求导后获取的二次高频滤波超声信号；(b3)为归一化处理的二次横波脉冲信号。
图3为一次横波脉冲信号、二次横波脉冲信号插值处理后的互相关函数计算结果图。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。
本发明的激光超声横波声速测量方法包括以下步骤：
步骤一：厚度检测
获取待测工件被测区域的平均厚度h，本实施例中待测工件选为平板类工件。其中，所述被测区域为所述待测工件中多个检测点所在区域。
步骤二：超声检测
将脉冲激光器的激光头、聚焦透镜安装于振镜扫描装置上，与工控机连接，并通过工控机的控制实现脉冲激励激光光束在给定平面内沿预定轨迹的运动。
将激光超声探测仪与其检测探头连接，安装在光学平台上，并将激光超声探测仪信号输出接口与带有信号采集卡的工控机连接。
将待测工件固定在二维手动平移台上，可以通过手动调节实现待测工件在给定平面内的运动。
上述激励激光的运动控制、信号采集的控制及待测工件的运动控制仅是一种实现方式，本发明对此不作特殊限制，现有的能够实现本发明的控制方案均在本发明的保护范围内。
打开脉冲激光器，调整激光头使其发射的激励激光光束垂直入射在待测工件表面，形成激励光斑；打开激光超声探测仪，调整检测探头使其发出的探测激光光束垂直照射在激励激光入射表面的同侧(反射法)或相对侧(透射法)形成探测光斑。调整激励光斑与探测光斑在一条直线上，此时，将激励光斑位置记为I0，探测光斑位置记为 R0。在本实施例中激光超声探测仪在待测工件入射表面的相对侧接收 (透射法)为例进行说明。
如附图1(L)所示，利用工控机调控使脉冲激光器的脉冲激光光束沿垂直于直线I0R0的方向进行第一次水平平移，平移距离记为Δx，平移后发射脉冲激光光束，即激励激光，入射在待测工件表面，形成激励光斑标记为I1，所用激励激光的单脉冲能量足以在融蚀效应下形成超声波。然后利用激光超声探测仪探测激光超声信号，采集并记录超声波形，记为一次超声波形，如附图2(a1)所示，信号采样频率记为 fs，采样间隔Δτ＝1/fs。记录激励激光在待测工件表面形成的激励光斑半径a。
如附图1(R)所示，利用工控机调控使脉冲激光器的脉冲激光光束沿垂直于直线I0R0的方向继续水平平移，平移距离为第一次水平平移距离的2倍，即为2Δx，平移后发射脉冲激光光束，即激励激光，入射在待测工件表面形成激励光斑，标记为I2。然后利用激光超声探测仪探测激光超声信号，获取超声波形，记为二次超声波形，如附图 2(b1)所示。
进一步，所述二次超声波形采样频率与一次超声波形采样频率相同，激励光斑I2的半径与激励光斑I1相同，所用激励激光单脉冲能量保持不变并保证足以在融蚀效应下激发超声波。
进一步，所述第一次水平平移距离Δx是基于待测工件中激光超声横波声场指向性分布规律确定的，本实施例中优选取Δx＝0.25*h，但不限于此，也可以取Δx＝0.26*h、Δx＝0.24*h等，具体取值根据待测工件中激光超声横波声场指向性分布规律进行选择。
步骤三：声速计算
超声横波声速采用脉冲回波法，基于激光检测获得的所述超声波形进行计算，计算步骤如下：
1)对所述一次超声波形、二次超声波形首先进行高频滤波处理，然后求解对时间的一阶导数，将处理以后的信号分别记为一次高频滤波超声信号、二次高频滤波超声信号，如附图2(a2)、(b2)所示。
2)采用时间长度为T的矩形窗函数首先截取一次高频滤波超声信号中由待测工件底面透射产生的一次横波脉冲信，一次横波脉冲信号的传播距离记为
Figure RE-GDA0002433471170000061
起始点对应的传播时间(即横波脉冲第一次到达底面的时间)记为t1；然后截取二次高频滤波超声信号中由待测工件底面透射产生的二次横波脉冲信号，二次横波脉冲信号对应的传播距离为
Figure RE-GDA0002433471170000062
起始点对应的传播时间(即横波脉冲第二次到达底面的时间)记为t2，如附图2(a3)、(b3)所示。
其中所述时间长度T优选的取为激光超声纵波脉冲信号宽度的两倍。
3)将一次横波脉冲信号及二次横波脉冲信号分别进行归一化处理得到一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号。其中所述归一化处理是指将待处理信号减去信号平均值，然后除以信号最大值。
4)采用多项式插值法以采样间隔Δτ’＝0.01/fs对一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号进行插值处理，获得一次横波脉冲插值信号、二次横波脉冲插值信号。
5)计算一次横波脉冲插值信号、二次横波脉冲插值信号的互相关函数，获取互相关函数取最大值时所对应的时间tf，如附图3所示。
6)计算得到一次横波脉冲信号与二次横波脉冲信号的传播时间差为Δt＝tf+t2-t1。
7)利用已经测量的待测工件厚度和超声传播时间差计算得到超声横波声速，计算方法为：
Figure RE-GDA0002433471170000063
8)考虑由于几何衍射引起的计算误差，并对计算结果进行修正，修正后超声横波声速为v＝vm[1-3a2/(4z1z2)]。
步骤四：多点测量求平均
待测工件固定在二维手动平移台上，二维手动平移台放置在光学平台上，利用二维手动平移台控制待测工件运动，重复步骤(二)和步骤(三)，对待测工件待测区域进行扫描检测，获取所有扫描检测点的超声横波声速，并求取平均值
Figure RE-GDA0002433471170000071
记为待测工件的超声横波平均声速。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光超声横波声速测量方法，包括以下步骤：
步骤一：获取待测工件被测区域的平均厚度h；
步骤二：使脉冲激光器的激励激光垂直入射在待测工件表面，形成激励光斑；使激光超声探测仪的探测激光垂直照射在激励激光入射表面的同侧或相对侧，形成探测光斑；调整激励光斑和探测光斑在一条直线上，此时激励光斑位置记为I0，探测光斑位置记为R0；
步骤三：调整脉冲激光器的激励激光使其水平平移Δx，再次垂直照射在待测工件表面，形成新的激励光斑，位置记为I1，所用激励激光单脉冲能量足以在融蚀效应下激发超声波，此时激光超声探测仪的探测激光探测超声信号，获取超声波形，记为一次超声波形，同时记录信号采样频率fs和激励光斑的半径a；
步骤四：步骤三后，调整脉冲激光器的激励激光使其再次水平平移2Δx，再次垂直照射在待测工件表面，形成新的激励光斑，位置记为I2，所用激励激光单脉冲能量与步骤三相同，并保证足以在融蚀效应下激发超声波，此时激光超声探测仪的探测激光探测超声信号，获取超声波形，记为二次超声波形，其中信号采样频率fs和激励光斑的半径a与步骤三相同；
步骤五：对一次超声波形和二次超声波形分别进行高频滤波处理，然后再分别求解对时间的一阶导数，得到一次高频滤波超声信号和二次高频滤波超声信号；
步骤六：采用时间长度为T的矩形窗函数首先截取一次高频滤波超声信号中由待测工件底面反射或透射产生的一次横波脉冲信号，一次横波脉冲信号的传播距离记为
Figure RE-FDA0002433471160000011
对应的传播时间记为t1；然后截取二次高频滤波超声信号中由待测工件底面反射或透射产生的二次横波脉冲信号，二次横波脉冲信号对应的传播距离为
Figure RE-FDA0002433471160000012
对应的传播时间记为t2；
步骤七：将一次横波脉冲信号及二次横波脉冲信号分别进行归一化处理得到一次横波脉冲归一化信号和二次横波脉冲归一化信号；
步骤八：采用插值法对一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号进行插值处理，获得一次横波脉冲插值信号和二次横波脉冲插值信号；
步骤九：计算一次横波脉冲插值信号、二次横波脉冲插值信号的互相关函数，获取互相关函数取最大值时所对应的时间tf，计算得到一次横波脉冲信号与二次横波脉冲信号的传播时间差为Δt＝tf+t2-t1；
步骤十：计算得到超声横波声速：
Figure RE-FDA0002433471160000021
考虑由于几何衍射引起的计算误差，对计算结果进行修正，修正后得到超声横波声速为：v＝vm[1-3a2/(4z1z2)]；
步骤十一：控制待测工件沿指定轨迹运动，重复步骤(二)—步骤(十)，对待测工件待测区域进行扫描检测，获取所有扫描检测点的超声横波声速，并求取平均值
Figure RE-FDA0002433471160000022
记为待测工件的超声横波平均声速。
2.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述步骤三中水平平移距离Δx基于待测工件中激光超声横波声场指向性分布规律确定。
3.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述Δx＝0.25*h。
4.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述步骤六中，所述时间长度T为激光超声纵波脉冲信号宽度的两倍。
5.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述步骤八中，以采样间隔Δτ’＝0.01/fs对一次横波脉冲归一化信号、二次横波脉冲归一化信号进行插值处理。
6.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述步骤八中，插值法采用线性插值法、多项式插值法、牛顿插值法中任一种。
7.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述待测工件为平板类工件。
8.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述脉冲激光器的激光头安装于振镜扫描装置上，振镜扫描装置与工控机连接，通过工控机调整激励光斑位置。
9.根据权利要求1所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述待测工件固定在二维手动平移台上，通过手动调节实现待测工件在给定平面内的运动。
10.根据权利要求9所述的激光超声横波声速测量方法，其特征在于：所述二维手动平移台和激光超声探测仪均放置在光学平台上。
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