CN111521565A - 一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法，系统包括超声激发装置，用于作为带有待测裂纹的样品的超声信号激发源；加热装置，用于加热样品上的待测裂纹，产生热应力以使裂纹闭合；超声探测装置，用于接收超声信号；信号采集装置，用于采集超声信号并传输至控制装置；运动装置，用于带动加热装置在待测裂纹上的加热点和待测裂纹同步运动；控制装置，用于调节加热装置的加热功率以及控制运动装置运动，还用于根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，求取样品上待测裂纹的开口宽度。本发明不仅能够实现对疲劳裂纹在施加载荷时开口宽度的检测，而且整个检测过程无损，不会影响被测样品，整体检测效率高，精度高。

Description

一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法
技术领域
本发明属于材料无损检测技术领域，具体涉及激光超声检测技术领域，特别涉及一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法。
背景技术
激光超声技术是一种材料无损检测技术，它具有非接触、宽频带、多模态激发以及激发和探测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，并适用于高温、高压、高酸碱及辐射等恶劣环境下。书刊[魏坤霞.无损检测技术[M].中国石化出版社，2016.]中介绍，目前常用的激光超声检测方法采用激光束作为激励，在被测材料中激发超声波信号，使用压电换能器或测振仪等方法接收信号。
裂纹检测是无损检测的一个重要方面，激光超声裂纹检测技术是裂纹检测方向的新兴研究热点。书刊[沈中华，袁玲，张宏超，等.固体中的激光超声[M].第1版.北京:人民邮电出版社，2015.]中介绍，线性激光超声裂纹检测方法通过探测超声波与裂纹作用产生的反射和散射信号来确定裂纹的存在，然而若裂纹的开口宽度进一步减小，表面波将直接穿过裂纹而不发生反射与散射，则其无法对这类微裂纹进行有效的检测。非线性激光超声裂纹检测方法利用裂纹闭合状态的变化以及由此引起的各种非线性声学现象对开口宽度很小的真实微裂纹进行检测，相比于传统的线性激光超声检测方法，其突出的优点是可以大幅度地改善和提高对真实微裂纹的检测灵敏度。
利用非线性的激光超声方法也能对在施加载荷情况下裂纹闭合所发生的改变进行检测。中国专利201110185407.2公开了一种固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法。在扫查光源的每步扫查过程中，通过检测激发光源激发的声表面波信号在激光加热以及冷却两种情况下的变化，以实现微裂纹的检测。之前也有学者[吕锦超,沈中华,倪辰荫.光致裂纹闭合及改变的激光超声监测[J].无损检测，2017,39(6):19-23.]在黑玻璃样品上通过对透射情况下表面波和模式转换信号的检测，研究了光致裂纹闭合过程中裂纹的改变。该方案可对在施加载荷情况下裂纹闭合所发生的改变进行检测，并且过程简便，但仍然存在以下不足：采集系统中的数据偶然性大，而且难以实现对裂纹开口宽度的检测。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，所述系统包括带有待测裂纹的样品、超声激发装置、加热装置、超声探测装置、信号采集装置、运动装置以及控制装置；
所述超声激发装置，用于作为带有待测裂纹的样品的超声信号激发源；
所述加热装置，用于加热所述样品上的待测裂纹，产生热应力以使裂纹闭合；
所述超声探测装置，用于接收超声信号；
所述信号采集装置，用于采集超声信号并传输至控制装置；
所述运动装置，用于带动所述加热装置在待测裂纹上的加热点和待测裂纹同步运动；
所述控制装置，用于调节所述加热装置的加热功率以及控制运动装置运动，还用于根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，求取样品上待测裂纹的开口宽度；
所述超声激发装置辐照至样品表面的激发点、加热装置辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直。
进一步地，所述加热装置具体采用连续激光器。
进一步地，所述系统还包括反射装置，该装置与样品均设置在运动装置上，所述连续激光器的出射光经所述反射装置反射后照射于所述样品上的待测裂纹。
基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统的检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定加热装置在待测裂纹上的加热区域；
步骤2，调节超声激发装置辐照至带有待测裂纹的样品表面的激发点、加热装置辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直，之后固定超声激发装置和超声探测装置；
步骤3，由运动装置带动所述加热装置在待测裂纹上的加热点和待测裂纹沿所述待测裂纹的走向同步运动，使超声激发装置和超声探测装置从所述加热区域的一侧移动至另一侧，由信号采集装置采集超声信号并传输至控制装置；
步骤4，设置加热装置的初始加热功率；
步骤5，开启加热装置，加热待测裂纹以通过热应力使裂纹闭合，达到热平衡状态后，按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；关闭加热装置使待测裂纹恢复室温下的平衡状态，之后再次按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；
步骤6，预设步长序列，依次按照该序列中的每一个步长逐步增大加热功率，并重复执行步骤5；
步骤7，获取经上述过程后使得处于扫描区域内的待测裂纹完全闭合时即超声信号饱和时加热装置的加热功率；
步骤8，根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，结合步骤7中的所述加热功率，利用控制装置求取所述扫描区域内的待测裂纹完全闭合时产生的位移，即扫描区域内待测裂纹的开口宽度。
进一步地，所述方法还包括在步骤7之前执行：提取每一次扫描中超声信号的峰峰值。
进一步地，步骤8中所述裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，具体为：
Figure BDA0002528282460000031
式中，Δd为裂纹闭合产生的位移，R为样品表面的反射系数，P为加热功率，β为样品的线性热膨胀系数，k为样品的热导率；对于加热装置具体采用连续激光器，f(t)为激光的时间调制函数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)传统非线性激光超声技术对在施加载荷情况下裂纹闭合所发生的改变进行检测的方法，获得的是裂纹闭合过程中加热区域内单个位置处的超声信号变化，本发明通过待测裂纹上的加热点和待测裂纹沿裂纹走向的同步运动，使超声激发装置和超声探测装置从加热区域的一侧移动至另一侧，获得的是裂纹闭合过程中加热区域内多个位置处的超声信号变化，能够实现对疲劳裂纹在施加载荷时开口宽度的检测；2)本发明采用激光超声技术达到检测裂纹开口宽度的目的，整个检测过程无损，不会影响被测样品；3)检测效率高，精度高；4)本发明通过获取使得处于扫描区域内的待测裂纹完全闭合时即超声信号饱和时加热装置的加热功率，根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，利用控制装置求取扫描区域内待测裂纹的开口宽度，操作简单，重复性好，结果稳定。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统的结构示意图。
图2为一个实施例中某一裂纹中部处于加热状态时所得到的透射表面波信号峰峰值的扫查结果图，横坐标代表激发—探测源的扫描步数，纵坐标代表加热功率，像素灰度值代表超声信号的峰峰值。
图3为一个实施例中某一裂纹中部处于加热状态时所得到的透射模式转换波信号峰峰值的扫查结果图，横坐标代表激发—探测源的扫描步数，纵坐标代表加热功率，像素灰度值代表超声信号的峰峰值。
图4为一个实施例中某一裂纹中部处的原子力显微镜(AFM)图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，该系统包括带有待测裂纹的样品4、超声激发装置1、加热装置2、超声探测装置3、信号采集装置5、运动装置6以及控制装置7；
所述超声激发装置1，用于作为带有待测裂纹的样品4的超声信号激发源；
所述加热装置2，用于加热所述样品4上的待测裂纹，产生热应力以使裂纹闭合；
所述超声探测装置3，用于接收超声信号；
所述信号采集装置5，用于采集超声信号并传输至控制装置7；
所述运动装置6，用于带动所述加热装置2在待测裂纹上的加热点和待测裂纹同步运动；
这里示例性地，运动装置6可以采用步进电机。
所述控制装置7，用于调节所述加热装置2的加热功率以及控制运动装置6运动，还用于根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，求取样品4上待测裂纹的开口宽度；
这里示例性地，控制装置7可以为计算机以及其他计算控制装置。
所述超声激发装置1辐照至样品4表面的激发点、加热装置2辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置3进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直。
这里，所述超声激发装置1与超声探测装置3位于所述待测裂纹的同侧或异侧，所述超声探测装置3接收反射或透射超声信号。
本发明提出的系统能对固体材料样品上的任意宽度、任意类型(均匀宽度、不均匀宽度；对于均匀宽度，可以对某一裂纹区域进行检测即可；对于不均匀宽度，可以进行逐点扫描检测)的裂纹开口宽度进行检测，适用性广。
进一步地，在其中一个实施例中，所述加热装置2具体采用连续激光器。
进一步地，在其中一个实施例中，所述系统还包括反射装置，该装置与样品4均设置在运动装置6上，所述连续激光器的出射光经所述反射装置反射后照射于所述样品4上的待测裂纹。
采用本实施例的方案，可以固定加热装置2，能够防止直接带动加热装置2运动造成的晃动，提高辐照光的稳定性，降低对加热装置2的损害，延长其使用寿命。
进一步地，在其中一个实施例中，所述连续激光器的出射光在待测裂纹上形成的光斑的中心，与待测裂纹沿裂纹宽度方向的中心重合。
采用本实施例的方案，能够充分利用连续激光器的光能，并能达到更好的辐照效果。
进一步地，在其中一个实施例中，所述超声激发装置1采用脉冲激光器，其发出的脉冲激光聚焦成点光源辐照在所述样品4的表面，激发超声。
进一步地，在其中一个实施例中，所述超声探测装置3采用连续激光器或声换能器。
在一个实施例中，提供了一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，确定加热装置2在待测裂纹上的加热区域；
步骤2，调节超声激发装置1辐照至带有待测裂纹的样品4表面的激发点、加热装置2辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置3进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直，之后固定超声激发装置1和超声探测装置3；
步骤3，由运动装置6带动所述加热装置2在待测裂纹上的加热点和待测裂纹沿所述待测裂纹的走向同步运动，使超声激发装置1和超声探测装置3从所述加热区域的一侧移动至另一侧，由信号采集装置5采集超声信号并传输至控制装置7；
步骤4，设置加热装置2的初始加热功率；
步骤5，开启加热装置2，加热待测裂纹以通过热应力使裂纹闭合，达到热平衡状态后，按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；关闭加热装置2使待测裂纹恢复室温下的平衡状态，之后再次按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；
步骤6，预设步长序列，依次按照该序列中的每一个步长逐步增大加热功率，并重复执行步骤5；
步骤7，获取经上述过程后使得处于扫描区域内的待测裂纹完全闭合时即超声信号饱和时加热装置2的加热功率；
步骤8，根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，结合步骤7中的所述加热功率，利用控制装置7求取所述扫描区域内的待测裂纹完全闭合时产生的位移，即扫描区域内待测裂纹的开口宽度。
进一步地，在其中一个实施例中，所述方法还包括在步骤7之前执行：提取每一次扫描中超声信号的峰峰值。
采用本实施例的方案，能够降低步骤7的计算量。
进一步优选地，在其中一个实施例中，步骤6中所述步长序列中的步长值均相同。
采用本实施例的方案，便于调节，降低复杂度。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤8中所述裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，具体为：
Figure BDA0002528282460000061
式中，Δd为裂纹闭合产生的位移，R为样品表面的反射系数，P为加热功率，β为样品的线性热膨胀系数，k为样品的热导率；对于加热装置具体采用连续激光器，f(t)为激光的时间调制函数，若为其它加热源，f(t)为加热源的时间调制函数。
这里，对于上述检测方法每一步的其他具体限定可以参见上述对于基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统的限定，在此不再赘述。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统及方法进行进一步验证说明。该实施例中，采用的带有裂纹的样品为黑玻璃样品，其材料参数近似如下：表面的反射系数R＝0.04，热导率k＝1.38W/m·K，线性热膨胀系数β＝7.5×10-7/K。本实施例待测宽度的裂纹为黑玻璃样品上裂纹中部某处，对于黑玻璃样品，300mW的加热光功率足以完全闭合裂纹中部以及尖端处的裂纹，且20s足以让裂纹状态达到稳定。加热装置2采用波长为532nm的连续激光，超声激发装置1采用波长为1064nm的脉冲激光，超声探测装置3采用采用波长为638nm的连续激光，超声激发装置1和超声探测装置3位于待测裂纹的异侧。具体验证过程包括：
(1)确定加热装置2在待测裂纹上的加热区域。
(2)调节超声激发装置1辐照至带有待测裂纹的样品4表面的激发点、加热装置2辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置3进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直，之后固定超声激发装置1和超声探测装置3。
(3)由运动装置6带动所述加热装置2在待测裂纹上的加热点和待测裂纹沿所述待测裂纹的走向同步运动，使超声激发装置1和超声探测装置3从所述加热区域的一侧移动至另一侧，由信号采集装置5采集无加热时的超声信号并传输至控制装置7；扫描开始时，加热源距离激发—探测源构成的直线约150μm，扫描步长为30μm，扫描范围为300μm。
(4)设置加热装置2的初始加热功率为10mW。
(5)开启加热装置2，加热待测裂纹以通过热应力使裂纹闭合，达到热平衡状态后，按照上述过程3实现一次扫描和信号采集；关闭加热装置2使待测裂纹恢复室温下的平衡状态，之后再次按照上述过程3实现一次扫描和信号采集。
(6)预设步长序列，依次按照该序列中的每一个步长逐步增大加热功率，并重复执行上述过程5，通过热应力使裂纹闭合；其中，步长序列中的步长值均为10mW，加热功率最大增加至300mW。
(7)提取采集到的扫查超声信号峰峰值，绘制扫查图，获取经上述过程后使得处于扫描区域内的待测裂纹完全闭合时即超声信号饱和时加热装置2的加热功率。由图2、3可以看出，当加热光功率增大至约200mW之后，随着加热光功率增大，图2中透射表面波峰峰值基本不变且黑色区域逐渐消失，图3中模式转换波峰峰值近似为0，这表明在200mW这一加热光功率下开口宽度待测处的裂纹达到完全闭合状态。
(8)根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，结合上述过程7获得的加热功率，求取所述扫描区域内的待测裂纹完全闭合时产生的位移，即扫描区域内待测裂纹的开口宽度为：
Figure BDA0002528282460000071
利用原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)观测待测裂纹的宽度如图4所示。对比图4和本发明的计算结果可知，本发明测得的裂纹宽度与实际测量的宽度基本一致。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述系统包括带有待测裂纹的样品(4)、超声激发装置(1)、加热装置(2)、超声探测装置(3)、信号采集装置(5)、运动装置(6)以及控制装置(7)；
所述超声激发装置(1)，用于作为带有待测裂纹的样品(4)的超声信号激发源；
所述加热装置(2)，用于加热所述样品(4)上的待测裂纹，产生热应力以使裂纹闭合；
所述超声探测装置(3)，用于接收超声信号；
所述信号采集装置(5)，用于采集超声信号并传输至控制装置(7)；
所述运动装置(6)，用于带动所述加热装置(2)在待测裂纹上的加热点和待测裂纹同步运动；
所述控制装置(7)，用于调节所述加热装置(2)的加热功率以及控制运动装置(6)运动，还用于根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，求取样品(4)上待测裂纹的开口宽度；
所述超声激发装置(1)辐照至样品(4)表面的激发点、加热装置(2)辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置(3)进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直。
2.根据权利要求1所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述加热装置(2)具体采用连续激光器。
3.根据权利要求2所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述系统还包括反射装置，该装置与样品(4)均设置在运动装置(6)上，所述连续激光器的出射光经所述反射装置反射后照射于所述样品(4)上的待测裂纹。
4.根据权利要求3所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述连续激光器的出射光在待测裂纹上形成的光斑的中心，与待测裂纹沿裂纹宽度方向的中心重合。
5.根据权利要求1所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述超声激发装置(1)采用脉冲激光器，其发出的脉冲激光聚焦成点光源辐照在所述样品(4)的表面，激发超声。
6.根据权利要求1所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统，其特征在于，所述超声探测装置(3)采用连续激光器或声换能器。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定加热装置(2)在待测裂纹上的加热区域；
步骤2，调节超声激发装置(1)辐照至带有待测裂纹的样品(4)表面的激发点、加热装置(2)辐照至待测裂纹上的加热点以及超声探测装置(3)进行超声探测的探测点位于同一直线，且该直线与所述待测裂纹的走向垂直，之后固定超声激发装置(1)和超声探测装置(3)；
步骤3，由运动装置(6)带动所述加热装置(2)在待测裂纹上的加热点和待测裂纹沿所述待测裂纹的走向同步运动，使超声激发装置(1)和超声探测装置(3)从所述加热区域的一侧移动至另一侧，由信号采集装置(5)采集超声信号并传输至控制装置(7)；
步骤4，设置加热装置(2)的初始加热功率；
步骤5，开启加热装置(2)，加热待测裂纹以通过热应力使裂纹闭合，达到热平衡状态后，按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；关闭加热装置(2)使待测裂纹恢复室温下的平衡状态，之后再次按照步骤3的过程实现一次扫描和信号采集；
步骤6，预设步长序列，依次按照该序列中的每一个步长逐步增大加热功率，并重复执行步骤5；
步骤7，获取经上述过程后使得处于扫描区域内的待测裂纹完全闭合时即超声信号饱和时加热装置(2)的加热功率；
步骤8，根据裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，结合步骤7中的所述加热功率，利用控制装置(7)求取所述扫描区域内的待测裂纹完全闭合时产生的位移，即扫描区域内待测裂纹的开口宽度。
8.根据权利要求7所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤7之前执行：提取每一次扫描中超声信号的峰峰值。
9.根据权利要求7所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测方法，其特征在于，步骤6中所述步长序列中的步长值均相同。
10.根据权利要求7所述的基于激光超声的裂纹开口宽度检测方法，其特征在于，步骤8中所述裂纹闭合产生的位移与加热功率的对应关系，具体为：
Figure FDA0002528282450000031
式中，Δd为裂纹闭合产生的位移，R为样品表面的反射系数，P为加热功率，β为样品的线性热膨胀系数，k为样品的热导率；对于加热装置具体采用连续激光器，f(t)为激光的时间调制函数。
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