CN112362732B - 基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及系统 - Google Patents

基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及系统。获得被测样品的三维面形，在样品表面设置一系列激发点与检测点，并固定一检测点，脉冲激光线源在样品表面各激发点依次激发激光超声，激光探测装置在检测点接收声表面波反射信号，直至扫描完成所有的激发点，激光超声信号输入计算机；改变检测点位置，重复上述步骤；在待测区域内分别逐点计算到达激发点和检测点的曲面最短距离，利用椭圆成像算法，完成反射回波信号处理，将所有检测点的计算结果累加，得到样品面缺陷的成像结果。本发明通过计算曲面上两点之间测地线距离，得到激光激发的超声表面波在曲面上的传播路径，使用椭圆成像算法，实现了对自由曲面样品面缺陷的探测。

Description

基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及系统
技术领域
本发明属于材料无损检测领域，具体涉及一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及系统。
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，适合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。目前的常用激光超声检测方法，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。
椭圆成像算法由于信号处理方式相对简单、对传感器排布密度没有苛刻要求，为无损检测研究人员广泛采用。椭圆成像的基本原理是把激发点和检测点看作椭圆的两个焦点，而样品表面缺陷到激发点和检测点的距离之和为一个常数，即缺陷位于椭圆的圆周上。利用不同的激发-检测路径画出相应的椭圆，那么缺陷将会位于这些椭圆的公共交点上。
目前激光超声检测领域内存在使用声表面波通过椭圆成像算法在光滑平面和规则曲面探测表面缺陷，能够准确地检测出样品构件中缺陷的位置、深度和方向。例如，王铮恭在论文《激光超声检测阶梯板表面裂纹的数值研究》(王铮恭，中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑，2020年第2期，第B022-37页)中提到，通过波场图和波形图对直角和圆角阶梯的金属板中超声波在裂纹处的传播现象进行分析，得到超声波的传播规律与传播路径，可以检测出表面裂纹的位置。该方案可以使用激光超声激发的表面波实现带阶梯的金属板上表面裂纹的探测，但仍存在以下不足：声表面波在曲面上传播依据能量最短路径，计算超声波在自由曲面样品表面传播的具体距离较为复杂，故而难以实现精准的缺陷检测定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法，解决自由曲面上超声波的传播路径问题，实现任意面缺陷的定位。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将待测样品置于激光线源的扫描区域，使激光线源发出的光束垂直入射在待测样品表面，用光感单元CCD采集待测样品表面的反射光信号，通过计算机计算得到待测样品的三维面型数据；
步骤(2)：用空间光调制器调制脉冲激光线源，使光斑尺寸与曲面曲率相适应，光斑覆盖区域近似为样品表面的一部分曲线，使激光能量在自由曲面表面呈高斯分布，设定检测点步长和激光点，针对确定的检测点，线激光源在每个激发点依次激发激光超声，激光多普勒干涉仪在检测点接收超声反射回波信号，所得结果输入计算机；
步骤(3)：移动激光多普勒干涉仪，根据步骤(2)所设步长，移动到下一个检测点位置，重复步骤(2)，直至所有检测点都处理完毕；
步骤(4)：根据声表面波在曲面上传播的特性，使用计算机将待测区域进行三角剖分，得到样品表面所有像素点的数据，并计算每个像素点与激发点和检测点之间的测地线距离，即表面波在曲面上的传播路径；
步骤(5)：利用椭圆成像算法，对样品表面待测区域内的像素点的反射回波信号进行时延叠加，再将所有检测点计算结果累加，即可得到样品表面缺陷位置的成像结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明与三维面型测量方法结合，为后续检测自由曲面表面缺陷提供便利，使整个检测缺陷系统流程更加完善。
(2)传统的线激光源辐照在规则曲面上的光斑多为直线，无法适用于自由曲面，或者采用点激光源，产生的超声信号较小，本发明创新引入采用空间光调制器调制脉冲激光线源辐照在自由曲面上，使光斑尺寸与曲面曲率相适应，光斑覆盖区域近似为样品表面的一部分曲线，使激光能量在自由曲面表面呈高斯分布，解决了超声表面波在自由曲面上的幅值问题。
(3)传统激光超声检测缺陷只能在平面和规则曲面样品上进行，本发明创新引入计算曲面上两点之间的测地线距离，并使用椭圆成像算法计算，得到缺陷位置和大小，解决了自由曲面缺陷无法探测的问题。
附图说明
图1是本发明的三维面形测量装置工作示意图。
图2是本发明的激光超声检测系统装置工作示意图。
图3是本发明的椭圆成像算法原理图，其中A1、A2为激发点，B为检测点，C为样品表面待测区域某像素点，d1和d2分别为像素点C到激发点A1和激发点A2的测地线距离，d3为像素点C到检测点B的测地线距离。
附图标记说明：
1-待测样品，2-参考样品，3-连续激光器，4-接收透镜，5-光感单元CCD，6-计算机，7-脉冲激光器，8-空间光调制器，9-激光多普勒干涉仪。
具体实施方式
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。
如图1-3所示，本发明提供一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法和系统，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测样品1与材质相同的光滑平面参考样品2置于激光线源的扫描区域，使其发出的光束垂直入射在待测样品1表面，使用接收透镜4接收待测样品1表面的反射光线，并用光感单元CCD5来采集信号，通过计算机6计算得到待测样品的三维面形数据。
(2)用空间光调制器8调制脉冲激光线源，使光斑尺寸与曲面曲率相适应，光斑覆盖区域近似为样品表面的一部分曲线，在样品表面取检测点步长0.05～0.2mm，激发点取5～10个均匀分布在样品表面的点，针对确定的检测点，线激光源在每个激发点依次激发激光超声，激光多普勒干涉仪9在检测点接收超声反射回波信号，所得结果输入计算机6。
(3)移动激光多普勒干涉仪9，根据步骤(2)中所设步长，移动到下一个检测点位置，重复步骤(2)，直至所有检测点都处理完毕。
(4)根据声表面波在曲面上传播的特性，使用计算机6将待测区域进行三角剖分，得到样品表面所有像素点的数据，并计算每个像素点与激发点和检测点之间的测地线距离，即表面波在曲面上的传播路径。
(5)利用椭圆成像算法对反射回波进行处理，如图2所示，A1为激发点，B为检测点，C为样品表面待测区域某像素点，d1和d3分别为像素点C到激发点A1、检测点B之间使用步骤(4)计算所得的测地线距离，v表示样品中超声表面波的波速。由A1点激励的超声表面波在样品表面快速传播，若C点为缺陷，表面波到达缺陷点C时会发生散射，最后散射信号被B点接收。从A1点传播到缺陷C点最后被B点接收，在这个过程中表面波的传播距离为d＝d1+d3，检测点在t＝d/v时刻接收到表面波的反射回波信号。
(6)将所有检测点计算结果累加，即可实现样品表面各点的重建。当超声表面波经过缺陷散射后被放置在检测点的连续激光干涉仪所接收的传播距离d确定时，即以激发点和检测点为焦点确定了一个椭圆的轨迹，而缺陷就在这个椭圆轨迹上。如果换成另一组激发点A2和检测点B，同样也可以得到一个椭圆，两个或多个椭圆的交点即为缺陷可能所在位置。
实施例1
本实施例中，三维铝样品尺寸为20.00mm*20.00mm*20.00mm，样品上表面为自由曲面，设置检测步长为1.00mm，激发步长为0.50mm。使用空间光调制器8调制脉冲激光线源，垂直入射在样品上表面设置的激发点，在每个激发点依次激发激光超声，与此同时，激光多普勒干涉仪9在固定的检测点依次接收超声回波信号，所得结果输入至计算机。移动激光多普勒干涉仪9，改变检测点位置，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储存在计算机6中。使用计算机6将样品表面待测区域进行三角剖分，并计算每个像素点与激发点和检测点之间的测地线距离，存储在计算机6中方便之后调用。使用椭圆成像算法对数据进行处理，将所有检测点的计算结果累加，即可得到样品表面缺陷成像结果。

Claims (3)

1.一种基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将待测样品置于激光线源的扫描区域，使激光线源发出的光束垂直入射在待测样品表面，用光感单元CCD采集待测样品表面的反射光信号，通过计算机计算得到待测样品的三维面型数据；
步骤(2)：用空间光调制器调制脉冲激光线源，使光斑尺寸与曲面曲率相适应，使激光能量在自由曲面表面呈高斯分布，设定检测点步长和激光点，针对确定的检测点，线激光源在每个激发点依次激发激光超声，激光多普勒干涉仪在检测点接收超声反射回波信号，所得结果输入计算机；
步骤(3)：移动激光多普勒干涉仪，根据步骤(2)所设步长，移动到下一个检测点位置，重复步骤(2)，直至所有检测点都处理完毕；
步骤(4)：根据声表面波在曲面上传播的特性，使用计算机将待测区域进行三角剖分，得到样品表面所有像素点的数据，并计算每个像素点与激发点和检测点之间的测地线距离，即表面波在曲面上的传播路径；
步骤(5)：利用椭圆成像算法，对样品表面待测区域内的像素点的反射回波信号进行时延叠加，再将所有检测点计算结果累加，即可得到样品表面缺陷位置的成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中在样品表面取检测点步长0.05～0.2mm，激发点取5～10个均匀分布在样品表面的点。
3.一种用于实现权利要求1或2所述的缺陷探测方法的系统，其特征在于，包括待测样品(1)、参考样品(2)、连续激光器(3)、接收透镜(4)、光感单元CCD(5)、计算机(6)、脉冲激光器(7)、空间光调制器(8)和激光多普勒干涉仪(9)；
将具有自由曲面的待测样品(1)与材质相同的光滑平面参考样品(2)置于连续激光器(3)的扫描区域，使其发出的光束垂直入射在待测样品(1)表面，使用接收透镜(4)接收待测样品(1)表面的反射光线，并用光感单元CCD(5)来采集信号，通过计算机(6)计算得到待测样品(1)的三维面型数据；
脉冲激光器(7)发射激光通过空间光调制器(8)变成线激光源，其光斑尺寸与曲面曲率相适应，针对确定的检测点，线激光源在每个激发点依次激发激光超声，激光多普勒干涉仪(9)在检测点接收超声反射回波信号，所得结果输入计算机(6)。
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