CN113155967A - 一种相控阵非线性激光超声检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相控阵非线性激光超声检测系统，包括用以放置被测工件的移动平台，还包括：激光超声发射系统，发射激光至被测工件上，形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦；超声接收系统，接收激光超声发射系统发出的超声声束信号，并将该信号发送至控制与信号处理分析系统；控制与信号处理分析系统，对激光超声发射系统和移动平台进行控制，并对接收的信号进行处理，实现缺陷检测。与现有技术相比，本发明检测更全面精确、可实现微弱信号检测、操作更加方便快捷等优点。

Description

一种相控阵非线性激光超声检测系统
技术领域
本发明涉及工件无损检测技术领域，尤其是涉及一种相控阵非线性激光超声检测系统。
背景技术
无损检测是指在不破坏被检材料自身性能的基础上，利用被检材料因存在缺陷而引起的变化，采用物理化学的手段，并借助现代化的仪器设备对这些变化量进行测量。通过这些变化量的测量结果判断被测对象是否存在内部或者表面缺陷。随着我国经济科技不断地进步发展，对于材料的力学性能以及使用寿命等的监控要求越来越严格，有效的无损检测评估，可以提高产品的质量和保障高效安全生产，为企业带来更好的经济效益。常规超声波检测只能显示A扫信号，检测结果不太直观且对微缺陷不敏感。因此，相控阵技术、和激光技术被引入到超声检测中，衍生出超声相控阵无损检测、激光超声无损检测和相控阵激光超声二次谐波无损检测，然而正常的激光超声无损检测对于微小缺陷或者闭合缺陷的检测灵敏度非常低甚至是检测不出，并且其成像也是分辨率不高，因此引入二次谐波技术可以完美的解决这个问题，二次谐波检测不仅能精确的检测到闭合微小裂痕，其成像分辨率也是得到了大大的提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种相控阵非线性激光超声检测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种相控阵非线性激光超声检测系统，包括用以放置被测工件的移动平台以及：
激光超声发射系统，发射激光至被测工件上，形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦；
超声接收系统，接收激光超声发射系统发出的超声声束信号，并将该信号发送至控制与信号处理分析系统；
控制与信号处理分析系统，对激光超声发射系统和移动平台进行控制，并对接收的信号进行处理，实现缺陷检测。
所述激光超声发射系统包括高频光纤脉冲激光器、分束器、相位控制器和扫描电压控制器，所述高频光纤脉冲激光器与分束器连接，所述分束器与所述相位控制器连接，所述扫描电压控制器的一端与相位控制器连接，另一端连接控制与信号处理分析系统。所述高频光纤脉冲激光器激励一束激光，并通过分束器将激光分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦。
所述超声接收系统包括压电传感器、电荷放大器和高速数据采集卡，所述压电传感器通过电荷放大器的BNC输出和BNC输入与高速数据采集卡连接，所述高速数据采集卡与控制与信号处理分析系统连接，所述压电传感器通过润滑脂作为耦合剂置于被测工件的表面。
所述控制与信号处理分析系统包括：
控制模块，控制移动平台的运动，以及高频光纤脉冲激光器的功率大小和开关；
参数调制模块，对信号进行幅值和频率双重调制，并进行二次谐波的提取，选取变尺度系数降低信号频率进行二次采样；
信号降噪模块，对调制后的信号进行降噪处理，获取最终二次谐波信号；
结果显示模块，对接收的信号进行显示，并对信号降噪模块的处理结果进行显示。
所述参数调制模块采用遗传算法选择最优方法对信号进行幅值和频率双重调制。
进一步地，所述参数调制模块首先通过FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数降低信号频率进行二次采样，随后在信号输入信号降噪模块前进行幅值和频率双重调制，采用遗传算法计算出最优调制参数后，输入到信号降噪模块对信号进行信噪比提升处理。
进一步地，所述信号降噪模块对调制后的信号输入随机共振原理双稳态系统进行降噪处理，获取最终二次谐波信号。
本发明相控阵非线性激光超声检测系统对待测工件进行检测的具体步骤包括：
S1：在被测工件表面上采用耦合剂固定超声探头，根据相控阵控制声束对激光执行不同范围的扫描或聚焦，或控制激光扫描一系列点光源的路径进行全局扫描。
S2：控制高频光纤脉冲激光器激励激光由分束器分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦，以实现表面缺陷的检测和内部不同深度的缺陷检测。
S3：将被测工件置于移动平台上，在实验前设定高频光纤激光器达到最佳点源的焦距，并通过激光测距仪测量被测工件与高频光纤激光器的距离，实现高频光纤激光器激光器的精准聚焦。
S4：设定压力传感器的中心频率、高速数据采集卡的采样频率以及FFF带通滤波的上限截止频率和下限截止频率，接收激光超声发射系统发出的超声声束信号。
S5：结果显示模块显示接收的信号后，参数调制模块采用FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数进行二次采样，采用遗传算法计算出最优调制参数，并输入到随机共振双稳态系统对信号进行信噪比的提升，最后采用变尺度系数得到二次谐波信号，通过分析信号实现材料性能与状态的检测。
进一步地，所述高频光纤脉冲激光器的激励的光斑半径为0.5mm，所述FFF带通滤波的上限截止频率为3MHz，下限截止频率为0.4MH，所述的高速数据采集卡的采样频率为30MHz。
本发明提供的相控阵非线性激光超声检测系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明采用相控阵技术，相控阵技术可实现多声束的聚焦以及快速扫查更精准快速的定位到缺陷，可以实现表面和内部缺陷更全面精确的检测，且本发明采用二次谐波技术检测能够检测到跟细小的裂痕分辨率更高；
2)采用随机共振原理即用噪声信号来增强有用的待测信号，能够将一部分低频的噪声能量转化为信号能量，在削弱噪声能量的同时也增强信号能量，以此实现微弱信号检测，即可同频分离又可以快速计算；
3)使用压电传感器作为接收信号比光学干涉仪灵敏度更高；
4)使用激光测距仪测量距离自动调聚功能使得操作更加方便快捷；
5)采用高频脉冲激光器，分辨率更高，更精确，更适合工业实用。
附图说明
图1为实施例中相控阵非线性激光超声检测系统的结构示意图；
图2为实施例中激光相控阵原理示意图；
图3为实施例中PC机接收到信号后的信号处理流程图；
图4为实施例中遗传算法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种相控阵非线性激光超声检测系统，用于对移动平台上的被测工件进行非线性激光超声检测，移动平台设有电机，该系统包括激光超声发射系统、超声接收系统和控制与信号处理分析系统。如图1所示，
激光超声发射系统包括高频光纤脉冲激光器、分束器、相位控制器和扫描电压控制器。高频光纤脉冲激光器与分束器连接，分束器连接相位控制器，扫描电压控制器的一端与相位控制器连接，另一端连接控制与信号处理分析系统。通过高频光纤脉冲激光器激励出一束激光被分束器分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦，进而来实现表面缺陷的检测和内部不同深度的缺陷检测。
在本实施例中，作为优选方案，高频光纤脉冲激光器的重复频率为20KHz，与传统激光超声YAG脉冲激光器重频为10-20Hz相比，在保证正常的工作前提下，能够更有效率及精准地完成工作。
超声接收系统包括压电传感器、电荷放大器和高速数据采集卡。压电传感器通过电荷放大器与高速数据采集卡连接，用于完成信号的实时采集，并在控制与信号处理分析系统上的PC机显示处理并分析。压电传感器通过润滑脂作为耦合剂置于被测工件的表面。PC机用于完成硬件的控制和软件分析，硬件控制包括对激光器的功率大小和开关控制、扫描电压控制器控制、移动平台工作台电机和高速数据采集卡电路控制，软件分析完成对检测信号二次谐波的提取以及进一步的降噪结果的析，实现高效率、高灵敏度和高分辨率的缺陷检测。
作为优选方案，压电传感器采用的中心频率可根据被测试件的实际情况选取，并经过电荷放大器BNC输出和BNC输入，与高速数据采集卡相连接，高速数据采集卡与控制与信号处理分析系统相连接，用于完成超声信号的实时采集。
控制与信号处理分析系统的硬件控制包括激光器的功率大小和开关控制、扫描电压控制器控制、工作台电机和数据采集卡电路控制。控制与信号处理分析系统包括控制模块、信号降噪模块、参数调制模块和结果显示模块。控制模块与参数调制模块连接，参数调制模块与信号降噪模块连接，信号降噪模块与结果显示模块连接。在本发明中信号降噪模块采用随机共振原理双稳态系统的信号降噪模块，参数调制模块采用遗传算法选择最优方法进行参数调制，并提取二次谐波进行参数变换。具体地，参数调制模块实时获取检测得到的信号，并进行FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数降低信号频率进行二次采样，在信号输入双稳系统前进行幅值和频率双重调制，使用遗传算法计算出最优调制参数，并输入到随机共振双稳态系统对信号进行信噪比的提升、最后再用变尺度系数得到更清晰准确的二次谐波信号，实现微小缺陷或闭合缺陷的检测。控制与信号处理分析系统可采用PC机实现上述功能。
进一步地，带通滤波的上限截止频率为3MHz，下限截止频率为0.4MHz。
进一步地，采用调制信号的函数：W(t)＝Accos(2πfct)，在信号输入双稳系统前进行幅值和频率双重调制，需要择优选择参数是信号幅值Ac和信号频率fc随机共振检测方法的目标是有效利用噪声能量，将其转移至有用信号中，提升非线性系统的输出信噪比SNR。因此，遗传算法在迭代搜索双调制参数过程中，以输出信噪比SNR作为适应度函数进行评估筛选种群中个体优劣，并以此为标准，保留优质个体进行遗传。采用二进制编码方式，即用编码长度为l的二进制字符串{0,1}来表示各代种群中的每个染色体，该方法可同时进行多参数并行寻优，不需要人工干预，同时得到多参数最优解。
进一步地，采用随机共振原理即用噪声信号来增强有用的待测信号，将一部分低频的噪声能量转化为信号能量，在削弱噪声能量的同时也增强信号能量，以此实现微弱信号检测，即可同频分离又可以快速计算。
本发明相控阵非线性激光超声检测系统进行检测的具体工作流程如下：
步骤S1：被测工件可以选用任意大小、任意厚度的铝块分别进行细小或闭合裂纹和力学性能的检测，在材料表面上用耦合剂固定上超声探头，若测表面缺陷则用表面波探头，测内部缺陷则为纵波探头，根据相控阵控制声束如图2(该图为相控阵原理图，为现有技术，在此不过多赘述)来实现不同范围的扫描或聚焦，或者需要全局扫描时激光只需扫描一系列点光源的路径。
步骤S2：激光器激励激光由分束器分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦来实现表面缺陷的检测和内部不同深度的缺陷检测，激励的光斑半径优选为0.5mm，可以通过控制器控制激光功率百分比，在发生热弹效应的前提下提高信噪比。
步骤S3：被测工件放在移动平台上，在未开始实验前通过激光测距仪测量距离，高频光纤激光器达到最佳点源的焦距在160mm左右，通过激光测距仪测量物体与激光器的距离，PC机采用专用的步进电机驱动器，该步进电机驱动器连接移动平台的电机。整个过程采用闭环控制，电脑只需向驱动器输出两个信号：脉冲和方向信号。脉冲信号的频率控制步进电机的转速，脉冲的个数控制步进电机的转角；调向信号控制步进电机的转向，从而实现激光器精准聚焦的目的。
步骤S4：为了实现同步触发和采集，高频光纤脉冲激光器采用专用触发通道，电荷放大器的输出电荷与高速数据采集卡输入电荷相匹配，完成信号的实时传输，一般采样频率设置为信号最大频率的5-10倍，此处采集卡的采集频率为30MHz，采样长度设置为1Ksa，触发信号由控制器提供，FFT带通滤波器的上限和下限截止频率为0.4MHz和3MHz，
步骤S5：PC机显示接收到信号时，激光激励的和接收到的信号包含多种模态无法成像，而且周围的环境造成的噪声信号也会影响成像精度，所以如图3和图4所示，图3中，H(t)表示原信号；采用FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数进行二次采样，使用遗传算法计算出最优调制参数，并输入到随机共振双稳态系统对信号进行信噪比的提升、最后再用变尺度系数得到更清晰准确的二次谐波信号，通过分析信号实现材料性能与状态的检测。
本发明采用相控阵技术，相控阵技术可实现多声束的聚焦以及快速扫查更精准快速的定位到缺陷，可以实现表面和内部缺陷更全面精确的检测，且本发明采用二次谐波技术检测能够检测到跟细小的裂痕分辨率更高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种相控阵非线性激光超声检测系统，包括用以放置被测工件的移动平台，其特征在于，还包括：
激光超声发射系统，发射激光至被测工件上，形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦；
超声接收系统，接收激光超声发射系统发出的超声声束信号，并将该信号发送至控制与信号处理分析系统；
控制与信号处理分析系统，对激光超声发射系统和移动平台进行控制，并对接收的信号进行处理，实现缺陷检测。
2.根据权利要求1所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述激光超声发射系统包括高频光纤脉冲激光器、分束器、相位控制器和扫描电压控制器，所述高频光纤脉冲激光器与分束器连接，所述分束器与所述相位控制器连接，所述扫描电压控制器的一端与相位控制器连接，另一端连接控制与信号处理分析系统。
3.根据权利要求2所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述高频光纤脉冲激光器激励一束激光，并通过分束器将激光分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦。
4.根据权利要求1所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述超声接收系统包括压电传感器、电荷放大器和高速数据采集卡，所述压电传感器通过电荷放大器的BNC输出和BNC输入与高速数据采集卡连接，所述高速数据采集卡与控制与信号处理分析系统连接，所述压电传感器通过润滑脂作为耦合剂置于被测工件的表面。
5.根据权利要求2所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述控制与信号处理分析系统包括：
控制模块，控制移动平台的运动，以及高频光纤脉冲激光器的功率大小和开关；
参数调制模块，对信号进行幅值和频率双重调制，并进行二次谐波的提取，选取变尺度系数降低信号频率进行二次采样；
信号降噪模块，对调制后的信号进行降噪处理，获取最终二次谐波信号；
结果显示模块，对接收的信号进行显示，并对信号降噪模块的处理结果进行显示。
6.根据权利要求5所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述参数调制模块采用遗传算法选择最优方法对信号进行幅值和频率双重调制。
7.根据权利要求6所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述参数调制模块首先通过FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数降低信号频率进行二次采样，随后在信号输入信号降噪模块前进行幅值和频率双重调制，采用遗传算法计算出最优调制参数后，输入到信号降噪模块对信号进行信噪比提升处理。
8.根据权利要求5所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述信号降噪模块对调制后的信号输入随机共振原理双稳态系统进行降噪处理，获取最终二次谐波信号。
9.根据权利要求1～8任一项所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，该系统对待测工件进行检测的具体步骤包括：
1)在被测工件表面上采用耦合剂固定超声探头，根据相控阵控制声束对激光执行不同范围的扫描或聚焦，或控制激光扫描一系列点光源的路径进行全局扫描；
2)控制高频光纤脉冲激光器激励激光由分束器分成多束光路，由相位控制器和扫描电压控制器控制，并延迟相同时间激发脉冲激励形成以点光源组成相控阵扫描路径，完成任意角度的超声声束的偏转和聚焦，以实现表面缺陷的检测和内部不同深度的缺陷检测；
3)将被测工件置于移动平台上，在实验前设定高频光纤激光器达到最佳点源的焦距，并通过激光测距仪测量被测工件与高频光纤激光器的距离，实现高频光纤激光器激光器的精准聚焦；
4)设定压力传感器的中心频率、高速数据采集卡的采样频率以及FFF带通滤波的上限截止频率和下限截止频率，接收激光超声发射系统发出的超声声束信号；
5)结果显示模块显示接收的信号后，参数调制模块采用FFT带通滤波进行二次谐波的提取，选取变尺度系数进行二次采样，采用遗传算法计算出最优调制参数，并输入到随机共振双稳态系统对信号进行信噪比的提升，最后采用变尺度系数得到二次谐波信号，通过分析信号实现材料性能与状态的检测。
10.根据权利要求9所述的相控阵非线性激光超声检测系统，其特征在于，所述高频光纤脉冲激光器的激励的光斑半径为0.5mm，所述FFF带通滤波的上限截止频率为3MHz，下限截止频率为0.4MH，所述的高速数据采集卡的采样频率为30MHz。
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