CN114280156A - 一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法；该测量方法的步骤如下：一、对具有不同长度l和深度h亚表面裂纹的样品，利用脉冲激光器激励表面波和激光测振仪接收亚表面裂纹反射表面波和透射表面波，并计算反射系数RWC和透射系数TWC。二、拟合求解反射系数和透射系数与亚表面裂纹的长度与深度的函数关系。三、利用两个函数关系求出被测亚表面裂纹的深度和长度。本发明利用亚表面裂纹反射和透射的表面波幅值进行亚表面裂纹的深度和长度的测量，方法简单高效，具有较高精度。此外，本发明可同时获得亚表面裂纹的深度和长度。

Description

一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法

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的同时定量测量亚表面裂纹长度和深度的方法。

背景技术

亚表面裂纹大量存在于长期处于交变载荷下的金属构件中，导致金属构件长期服役后极易突然断裂，从而造成重大的经济损失和安全事故。因此，对金属构件亚表面缺陷的检测是十分必要的。目前，检测亚表面裂纹的方法有很多，例如，偏振激光散射法，x射线法，扫描超声显微技术和激光超声检测技术等。而激光超声检测由于具有非接触测量、高时空分辨率等优点，被广泛应用于无损检测领域。

激光超声是利用脉冲激光激励超声，激光测振仪接收超声的无损检测技术。具有非接触，高的时空分辨率，和对样品无损伤的新型检测技术，被广泛应用于航空航天、国防军工等领域的重要零部件的检测。Ghafoor，I等人采用完全非接触式激光检测系统产生和感知瑞雷波，检测列车轨道的表面和亚表面缺陷。Everton，S等人探讨了激光超声检测在金属制造过程中的亚表面缺陷的检测能力。Nakahata，K等人阐述了在薄层流材料中亚表面缺陷的无损检测的概念验证实验。但是这些方法都只能发现和定位亚表面裂纹，却无法对亚表面裂纹进行定量检测。

在无损检测领域，发现和定位缺陷很重要，但是定量检测缺陷的尺寸大小同样重要。亚表面裂纹具有长度和深度两个尺寸，在已有的方法中有针对深度的定量检测方法或者长度的定量检测方法。但是，对于亚表面裂纹的深度和长度同时定量检测的方法很少。本发明能够在一次测量中同时定量检测亚表面裂纹的长度和深度两个尺寸。且方法简单，检测速度快，精度高，还具有非接触的特点。有望应用在加工过程中的在位检测，提升加工效率和质量。

发明内容

本发明是为了定量检测在精密/超精密加工过程中产生的亚表面裂纹的深度和长度，以便在后续的加工过程中对裂纹进行去除，而提出的一种基于激光超声的同时定量测量亚表面裂纹长度和深度的方法，其具体方案如下：

一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，包括以下步骤：

1)在多个深度和长度已知且不同的亚表面裂纹的一侧分别通过激光激励出表面波，并进行分别反射表面波和透射表面波检测，得到入射表面波R和n组不同亚表面裂纹的反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)，其中i＝1,2,…,n。n为被检测的已知亚表面裂纹数量。

2)对得到的入射表面波R、反射表面波RW(i)、透射表面波信号TW(i)分别进行时域幅值特征提取，得到入射波幅值RA、反射波幅值RWA(i)、透射波幅值TWA(i)。

3)计算各亚表面裂纹的反射系数RWC(i)和透射系数TWC(i)如下

4)将不同的亚表面裂纹的反射系数RWC(i)与对应的长度l、深度h进行拟合，得到反射系数RWC与亚表面裂纹h、l的函数关系RWC＝f(h,l)。将不同的亚表面裂纹的透射系数TWC(i)与对应的长度l、深度h进行拟合，得到透射系数TWC与亚表面裂纹h、l的函数关系TWC＝g(h,l)。

5)对被测亚表面裂纹以与步骤1)相同的方式检测反射表面波信号和透射表面波信号，并计算被测亚表面裂纹对应的反射系数RWC_m和透射系数TWC_m。将反射系数RWC_m和透射系数TWC_m分别代入函数RWC＝f(h,l)和TWC＝g(h,l)，求解得到被测亚表面裂纹的长度和深度。

作为优选，所述的步骤1)中测试的已知亚表面裂纹的数量n大于或等于50。

作为优选，步骤1)中，检测反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)的过程如下：

①.将脉冲激光器探头放置在已知长度和深度的亚表面裂纹的一侧，将激光测振仪的两个探头分别放置在亚表面裂纹的两侧，其中一个激光测振仪探头位于脉冲激光器探头和亚表面裂纹之间，且亚表面裂纹、脉冲激光器探头和两个激光测振仪探头处于同一直线上。

②.脉冲激光器探头发出激光照射在工件上激励出表面波R，与脉冲激光器探头处于同侧的激光测振仪探头接收到直达表面波R和从亚表面裂纹反射回的表面波回波信号RW(i)；另外一个激光测振仪探头接收透射过亚表面裂纹的表面波透射信号TW(i)。

作为优选，被测亚表面裂纹长度和深度之和小于脉冲激光器发出的表面波波长的2倍。

作为优选，被测亚表面裂纹垂直于工件表面。

作为优选，步骤4)中，通过二元线性回归的方式获得进行拟合。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、本发明通过一次检测即可通过透射和反射表面波系数求解得到亚表面裂纹的深度和长度尺寸，具有方法简单、精度高和测量速度快的特点。

2、本发明为非接触式测量，可以用于加工过程中的在位检测，无需将工件取下检测，提高加工效率。

附图说明

图1是本发明检测亚表面裂纹的示意图；

图中，1、工件，2、亚表面裂纹；3、脉冲激光器探头；4、第一测振仪探头；5、第二测振仪探头；6、激光测振仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，包括以下步骤：

1)在多个深度和长度已知且不同的亚表面裂纹的一侧分别通过激光激励出表面波，并进行分别反射表面波和透射表面波检测，得到入射表面波R和n组不同亚表面裂纹的反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)，其中i＝1,2,…,n。n为被检测的已知亚表面裂纹数量，其数值大于或等于50。

反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)的具体检测过程如下：

①.构建探测结构如图1所示，探测结构包括脉冲激光器探头3、激光测振仪6，以及连接激光测振仪6的第一测振仪探头4和第二测振仪探头5。将脉冲激光器探头3放置在工件1上的已知长度和深度的亚表面裂纹2的一侧，将第一测振仪探头4和第二测振仪探头5分别放置在亚表面裂纹的两侧，第一测振仪探头4位于脉冲激光器探头3和亚表面裂纹2之间；第二测振仪探头5位于亚表面裂纹2远离脉冲激光器探头3的一侧。亚表面裂纹2、脉冲激光器探头3、第一测振仪探头4和第一测振仪探头5处于同一直线上。被测亚表面裂纹长度和深度之和小于脉冲激光器发出的表面波波长的2倍。亚表面裂纹垂直于工件表面。

②.脉冲激光器探头3发出激光照射在工件上激励出表面波R，与脉冲激光器探头处于同侧的激光测振仪探头接收到直达表面波R和从亚表面裂纹反射回的表面波回波信号RW(i)；另外一个激光测振仪探头接收透射过亚表面裂纹的表面波透射信号TW(i)。

2)对得到的入射表面波R、反射表面波RW(i)、透射表面波信号TW(i)分别进行时域幅值特征提取，得到入射波幅值RA、反射波幅值RWA(i)、透射波幅值TWA(i)。

3)计算各亚表面裂纹的反射系数RWC(i)和透射系数TWC(i)如下

4)将不同的亚表面裂纹的反射系数RWC(i)与对应的长度l、深度h进行二元线性回归，得到反射系数RWC与亚表面裂纹h、l的函数关系RWC＝f(h,l)。将不同的亚表面裂纹的透射系数TWC(i)与对应的长度l、深度h进行进行二元线性回归，得到透射系数TWC与亚表面裂纹h、l的函数关系TWC＝g(h,l)。

5)对被测亚表面裂纹以与步骤1)相同的方式检测反射表面波信号和透射表面波信号，并计算被测亚表面裂纹对应的反射系数RWC_m和透射系数TWC_m。将反射系数RWC_m和透射系数TWC_m分别代入函数RWC＝f(h,l)和TWC＝g(h,l)，求解得到被测亚表面裂纹的长度和深度。

Claims (6)

1.一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在多个深度和长度已知且不同的亚表面裂纹的一侧分别通过激光激励出表面波，并进行分别反射表面波和透射表面波检测，得到入射表面波R和n组不同亚表面裂纹的反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)，其中i＝1,2,…,n；n为被检测的已知亚表面裂纹数量；

2)对得到的入射表面波R、反射表面波RW(i)、透射表面波信号TW(i)分别进行时域幅值特征提取，得到入射波幅值RA、反射波幅值RWA(i)、透射波幅值TWA(i)；

3)计算各亚表面裂纹的反射系数RWC(i)和透射系数TWC(i)如下：

4)将不同的亚表面裂纹的反射系数RWC(i)与对应的长度l、深度h进行拟合，得到反射系数RWC与亚表面裂纹h、l的函数关系RWC＝f(h,l)；将不同的亚表面裂纹的透射系数TWC(i)与对应的长度l、深度h进行拟合，得到透射系数TWC与亚表面裂纹h、l的函数关系TWC＝g(h,l)；

对被测亚表面裂纹以与步骤1)相同的方式检测反射表面波信号和透射表面波信号，并计算被测亚表面裂纹对应的反射系数RWC_m和透射系数TWC_m；将反射系数RWC_m和透射系数TWC_m分别代入函数RWC＝f(h,l)和TWC＝g(h,l)，求解得到被测亚表面裂纹的长度和深度。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中测试的已知亚表面裂纹的数量n大于或等于50。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：步骤1)中，检测反射表面波信号RW(i)以及透射表面波信号TW(i)的过程如下：

①.将脉冲激光器探头放置在已知长度和深度的亚表面裂纹的一侧，将激光测振仪的两个探头分别放置在亚表面裂纹的两侧，其中一个激光测振仪探头位于脉冲激光器探头和亚表面裂纹之间，且亚表面裂纹、脉冲激光器探头和两个激光测振仪探头处于同一直线上；

②.脉冲激光器探头发出激光照射在工件上激励出表面波R，与脉冲激光器探头处于同侧的激光测振仪探头接收到直达表面波R和从亚表面裂纹反射回的表面波回波信号RW(i)；另外一个激光测振仪探头接收透射过亚表面裂纹的表面波透射信号TW(i)。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：被测亚表面裂纹长度和深度之和小于脉冲激光器发出的表面波波长的2倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：被测亚表面裂纹垂直于工件表面。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法，其特征在于：步骤4)中，通过二元线性回归的方式获得进行拟合。

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