CN113533504A - 基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法；该测量方法的步骤如下：一、在被测工件的被检测表面的同一侧设置依次排列的脉冲激光器探头、反射波接收器和透射波接收器。反射波接收器、透射波接收器分别位于被测的亚表面裂纹的相反侧。二、反射波接收器检测反射波中心频率的数值fr。透射波接收器检测透射波中心频率的数值ft。三、计算出亚表面裂纹的埋藏深度和高度。本发明利用亚表面裂纹反射和透射的表面波进行亚表面裂纹的深度和长度的测量，且准确度能够达到95％以上，实现了金属板亚表面裂纹的定量检测。此外，本发明仅通过检测反射波、透射波中心频率并代入对应表达式后即可获得亚表面裂纹的深度和长度。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法。
背景技术
近些年来，随着新型材料和新工艺的不断涌现，大量精密仪器和设备被开发出来并投入到生产实践当中。然而，在航空航天、冶金等对加工材料的要求越来越高的领域，试件内部的一些亚表面裂纹会在应力作用下沿试件表面扩张，最后对试件的机械性能产生重要的影响，甚至会使试件发生断裂，造成重大的事故。
激光超声是一种非接触，高精度，无损伤的新型超声检测技术，是目前材料无损检测和评估的前沿技术。通过对超声波透射、反射和散射等过程进行分析，能够获取试件的宏观缺陷、结构形式和力学性能等信息。在已有的研究中，有的学者运用时频分析方法中的短时傅里叶变换和EMD分解方法对仿真数据进行分析，并得到了缺陷深度与超声信号的频率、能量等特征量的关系。
在无损检测领域，探测缺陷的深度和长度也十分重要。亚表面裂纹的深度和长度对于后续加工去除缺陷层是两个重要的参数。但在已有的一些激光检测中，很少能同时对缺陷的深度和长度进行定量测量。此外，传统的表面缺陷定量检测方法(如利用超声振动幅值的方法)，需要对多种已知尺寸缺陷先行检测以得到拟合曲线再对其他尺寸缺陷进行定量检测，且这种方法检测精度不高。利用超声传播路径的方法，检测精度较高，但是比较复杂且对于微弱信号很难获取准确的传播时间。
发明内容
本发明是为了定量检测精密加工材料在加工中产生的亚表面裂纹的深度和长度，以便于后续加工去除缺陷层，而提出的一种基于超声表面波频域参数的亚表面裂纹的定量测量方法，其具体方案如下：
一种基于超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，包括以下步骤：
步骤一、在被测工件的被检测表面的同一侧设置依次排列的脉冲激光器探头、反射波接收器和透射波接收器。反射波接收器、透射波接收器分别位于被测的亚表面裂纹的相反侧。
步骤二、利用脉冲激光探头在被测工件的表面上激发出表面波。反射波接收器检测在亚表面裂纹反射的表面波，得到反射波中心频率的数值fr。透射波接收器检测透射过亚表面裂纹的表面波，透射波中心频率的数值ft。
步骤三、计算出亚表面裂纹的埋藏深度h1如式(1)所示：
h1＝-3.97×10-4×fr+1904.57 式(1)
计算亚表面裂纹的高度h2如式(2)所示：
作为优选，所述被测工件的材质为铝。
作为优选，步骤二中获得反射波中心频率的数值fr和透射波中心频率的数值ft的具体过程如下：根据反射波接收器、透射波接收器接收到的反射波、透射波到达的时间和振幅，得到反射波形图和透射波形图。对反射波形图和透射波形图分别进行傅里叶变换，分别得到反射波、透射波的频域图像，观测得出反射波中心频率的数值fr和透射波中心频率的数值ft。
作为优选，所述的脉冲激光器探头采用脉冲激光探头、压电陶瓷表面波探头、电磁声换能器和空气耦合换能器中的一种。
作为优选，所述的反射波接收器和透射波接收器采用激光干涉仪、压电陶瓷表面波探头中的一种或两种。
作为优选，步骤一执行前通过线源激光扫描或者通过振镜扫描点源激光快速扫描的方法检测亚表面裂纹的位置。
作为优选，所述的反射波接收器和透射波接收器到亚表面裂纹的横向距离均大于或等于5mm。并且，反射波接收器和透射波接收器的带宽要包含反射波和透射波的频谱范围。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1、本发明利用亚表面裂纹反射和透射的表面波进行亚表面裂纹的深度和长度的测量，且准确度能够达到95％以上，实现了金属板亚表面裂纹的定量检测。
2、本发明仅通过检测反射波、透射波中心频率并代入对应表达式后即可获得亚表面裂纹的深度和长度，具有方法简单、成本较低和测量速度快的特点。
附图说明
图1是本发明检测亚表面裂纹的示意图；
图2a为具体的测量试验中反射波接收器接收到的波形图；
图2b为具体的测量试验中透射波接收器接收到的波形图；
图3a为具体的测量试验中反射波接收器接收到波形经傅里叶变化后的频域信号图；
图3b为具体的测量试验中透射波接收器接收到波形经傅里叶变化后的频域信号图。
图中，1、工件，2、脉冲激光探头；3、反射波接收器；4、透射波接收器；5、亚表面裂纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作具体说明。
本发明是为了检测精密加工材料在加工中产生的亚表面裂纹的深度和高度，以便于后续加工去除缺陷层，而提出的一种基于超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其具体方案如下：
该定量测量方法采用一种基于超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量装置，包括脉冲激光器探头2、反射波接收器3和透射波接收器4。脉冲激光器探头2用于向工件发射脉冲激光，反射波接收器3用于接收在工件的内部裂缝反射的表面波信号；透射波接收器4用于接收在透过工件内部裂缝的表面波信号；结合两种表面波信号获取工件1中的缺陷深度和高度。脉冲激光器探头2用于激发超声表面波，具体采用脉冲激光探头、压电陶瓷表面波探头、电磁声换能器和空气耦合换能器中的一种。反射波接收器3和透射波接收器4采用激光干涉仪、压电陶瓷表面波探头中的一种或两种。反射波接收器3和透射波接收器4的频带宽度包含反射和透射表面波的频谱范围，该频谱范围具体为3～5MHz。从而避免信号接收不全，保证检测结果的精度。
该定量测量方法的具体步骤如下：
1)将依次排列的脉冲激光器探头2、反射波接收器3、透射波接收器4放置在被检测工件的同一侧，并使得反射波接收器3、透射波接收器4分别位于亚表面裂纹5的相反侧。反射波接收器和透射波接收器到亚表面裂纹的横向距离均大于或等于5mm。靠近脉冲激光探头2的反射波接收器3接收反射波信息，远离脉冲激光探头2的透射波接收器4接收透射波信息。亚表面裂纹5的大致位置提前通过现有技术探测得到(如通过超声波探测)。
2)利用脉冲激光探头2在工件表面激发出表面波，再利用位于亚表面裂纹5前侧的反射波接收器3，接收反射波到达的时间和振幅，得到反射波的波形图；利用位于亚表面裂纹5后侧的透射波接收器4，接收透射波到达接收器的时间和振幅，得到透射波的波形图。
3)对步骤2中接收的反射波与透射波的波形图进行傅里叶变换，得到反射波与透射波的频域图像，观测得出反射波中心频率的数值fr和透射波中心频率的数值ft。
4)通过步骤3中得到的反射波和透射波中心频率的数值，计算出亚表面裂纹5的埋藏深度h1如式(1)所示：
h1＝-3.97×10-4×fr+1904.57 式(1)
5)再通过步骤4中计算得到的h1，计算出亚表面裂纹5的高度h2如式(2)所示：
所述的反射波中心频率fr和透射波中心频率ft的单位为赫兹；所述的公式和计算结果单位为微米，其适用于材料为铝的工件的亚表面裂纹的定量检测。
以下结合具体的测量试验对本发明的效果进行验证：通过前述方法对某铝板的亚表面裂纹进行检测，被测铝板的长度为150mm，高度为50mm，宽度为10mm，且其上表面下方有一亚表面裂纹。将脉冲激光器2置于裂纹的一侧用于表面波的激发，在脉冲激光器2与裂纹的连线上一点放置反射波接收器3用于接收入射和反射表面波，在脉冲激光器2与裂纹连线的延长线上放置透射波接收器4用于接收透射表面波，如图2a和2b所示。提取反射和透射表面波进行傅里叶变换，得到反射和透射表面波频域信号，如图3a和3b所示，提取反射和透射波中心频率fr和ft。最后用式和计算得到亚表面裂纹的深度和长度。
最终检测结果及其相对误差如下表所示：
| 裂纹参数 | 裂纹深度h<sub>1</sub>(μm) | 裂纹高度h<sub>2</sub>(μm) |
| 参考值 | 100.0 | 200 |
| 测量值 | 95.4 | 194.4 |
| 相对误差 | 4.6％ | 2.79％ |
从表中可以看出，本发明对于亚表面裂纹的长度和深度的定量检测相对误差在5％以内，具有很高的精度。本发明对于亚表面裂纹的深度和长度的检测有很大提高。
Claims (7)
1.基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：步骤一、在被测工件的被检测表面的同一侧设置依次排列的脉冲激光器探头(2)、反射波接收器(3)和透射波接收器(4)；反射波接收器(3)、透射波接收器(4)分别位于被测的亚表面裂纹(5)的相反侧；
步骤二、利用脉冲激光探头(2)在被测工件的表面上激发出表面波；反射波接收器(3)检测在亚表面裂纹(5)反射的表面波，得到反射波中心频率的数值fr；透射波接收器(4)检测透射过亚表面裂纹(5)的表面波，透射波中心频率的数值ft；
步骤三、计算出亚表面裂纹(5)的埋藏深度h1如式(1)所示：
h1＝-3.97×10-4×fr+1904.57 式(1)
计算亚表面裂纹(5)的高度h2如式(2)所示：
2.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：所述被测工件的材质为铝。
3.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：步骤二中获得反射波中心频率的数值fr和透射波中心频率的数值ft的具体过程如下：根据反射波接收器(3)、透射波接收器(4)接收到的反射波、透射波到达的时间和振幅，得到反射波形图和透射波形图；对反射波形图和透射波形图分别进行傅里叶变换，分别得到反射波、透射波的频域图像，观测得出反射波中心频率的数值fr和透射波中心频率的数值ft。
4.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：所述的脉冲激光器探头(2)采用脉冲激光探头、压电陶瓷表面波探头、电磁声换能器和空气耦合换能器中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：所述的反射波接收器(3)和透射波接收器(4)采用激光干涉仪、压电陶瓷表面波探头中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：步骤一执行前通过线源激光扫描或者通过振镜扫描点源激光快速扫描的方法检测亚表面裂纹的位置。
7.根据权利要求1所述的基于激光超声表面波频域参数的亚表面裂纹定量测量方法，其特征在于：所述的反射波接收器和透射波接收器到亚表面裂纹的横向距离均大于或等于5mm；并且，反射波接收器和透射波接收器的带宽要包含反射波和透射波的频谱范围。
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