一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置製造方法

2023-11-01 03:28:07

一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置，方法包括：將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區域；確定待檢對象的檢測區域；在待檢對象上選取某一點作為雷射幹涉儀接收超聲波聲信號的接收點；脈衝雷射器對檢測區域中的每個點依次發射脈衝雷射，從而在每個點激發超聲波，同時雷射幹涉儀在接收點接收超聲波聲信號，並存儲於計算機中；根據互易定理，得到脈衝雷射器激發接收點傳播到檢測區域中所有點的聲信號；通過計算機得到的各個點的聲信號與其所在檢測區域模型中的位置相對應。與現有技術相比，本發明突破了傳統超聲探頭需接觸待檢對象的瓶頸，實現現場無損檢測，具有檢測解析度、帶寬及靈敏度高等優點。
【專利說明】一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射超聲檢測【技術領域】，尤其是涉及一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置。
【背景技術】
[0002]隨著人類生活水平的不斷提高，對環境、出行及工業產品的安全要求越來越高，如何防止核電的洩露、飛行器的空難、高溫高壓設備的爆炸等災難性事故的發生是反映一個國家的工業水平及管理能力的綜合指標，而超聲無損檢測因其適用範圍廣、穿透能力強、解析度高、檢測成本低以及對人無害是國家工業進步必不可少的有效工具之一。運用計算機圖像處理技術，將超聲無損檢測的聲場數據以形象、直觀的形式呈現出來的聲場可視化方法可以方便現場工作人員的判斷，提高安檢的可靠性和效率，是目前超聲無損檢測技術的一個發展方向。
[0003]目前常用的超聲場可視化方法是利用聲場引起透明媒質光折射率的變化而實現聲場可視化的動態光彈技術，由光源、聲源、聲光延時同步控制及CCD圖像採集系統組成，它對透明介質中的聲場進行無幹擾、快速成像。該技術主要應用於撞擊應力和動應力集中的觀察、應力波和聲波的傳播規律研究、地震波在透明地球物理模型中傳播規律研究、斷裂力學中裂紋擴展規律研究。但受透光性的限制，動態光彈法不能用來觀察不透明介質中的超聲場。另外超聲探頭需與試樣接觸或是浸入液體中來產生超聲場，不適合有彎曲表面及空間受限不能與傳感器接觸的試樣。
[0004]目前超聲無損檢測大多採用壓電換能器來實現超聲的激發和接收，需要被檢試樣與其接觸或浸泡在水中，很難實現實時在線檢測，更不能適用高溫、輻射、彎曲下的構件。而由雷射脈衝產生超聲並由雷射幹涉儀檢測的雷射超聲檢測技術可非接觸地實現超聲的激發和接收，而且靈敏度高、時空解析度好，已在實驗室用於細觀及納觀結構材料的聲、光、熱特性的研究，也用於大型飛機構件、高溫鋼管等傳統超聲無法接觸的在線無損檢測。但目前的雷射超聲檢測系統大多用到高功率雷射，系統複雜龐大，而且系統昂貴，使用和維護成本高，還沒有低成本且可攜式的系統，因此還沒有在工業中得到廣泛使用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法及裝置。
[0006]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0007](I)將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區域；
[0008](2)確定待檢對象的檢測區域，通過計算機將該檢測區域建立為由行列交叉的點陣表示的模型；
[0009](3)在待檢對象上選取某一點作為雷射幹涉儀接收超聲波聲信號的接收點；[0010](4)脈衝雷射器從檢測區域的某個點開始，對檢測區域中的每個點依次發射脈衝雷射，從而在每個點激發超聲波，與此同時，雷射幹涉儀在接收點接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過採集卡轉化為數位訊號後存儲於計算機中；
[0011](5)根據互易定理，得到脈衝雷射器激發接收點傳播到檢測區域中所有點的聲信號;
[0012](6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在檢測區域模型中的位置相對應，並利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現待檢對象的缺陷情況。
[0013]所述的待檢對象包括金屬、陶瓷或複合材料。
[0014]一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特徵在於，包括信號控制與處理箱、振鏡掃描頭及雷射幹涉儀，所述的信號控制與處理箱包括脈衝雷射器、振鏡控制卡、信號採集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭包括雷射通道、幹涉儀通道及振鏡；
[0015]所述的脈衝雷射器發射雷射，該雷射通過雷射通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調節振鏡的反射鏡角度，對待檢對象的檢測區域進行掃描；
[0016]所述的雷射在待檢對象上激發產生超聲波，該超聲波信號經由幹涉儀通道被所述的雷射幹涉儀同步接收，之後傳輸給所述的信號採集卡，再經過所述的計算機進行分析處理得到待檢對象的缺陷情況。
[0017]所述的振鏡是由X、Y方向的旋轉小鏡組成。
[0018]所述的振鏡掃描頭的掃描視角為+20°，掃描頻率可達為1kHz。
[0019]所述的圖像包括A型掃描顯示(簡稱A掃)圖、B型掃描顯示(簡稱B掃)圖及最大振幅圖。
[0020]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0021 ] 1、不僅突破了傳統超聲探頭需接觸待檢對象的瓶頸，而且可快速得到超聲在不透明材料中傳播的聲場，檢測解析度、帶寬及靈敏度高，可應用於不適合接觸的極端環境，實現現場無損檢測；
[0022]2、裝置各個部分均可攜帶，適合應用於工業現場檢測；
[0023]3、通過計算機建模，方便現場工作人員直觀判斷缺陷存在而產生的聲場擾動，提高安檢的可靠性和效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明裝置的結構框圖；
[0025]圖2為本發明實施例薄鋁板的檢測區域模型圖；
[0026]圖3實施例中本發明裝置對含有人工缺陷的鋁板進行掃描檢測後得到的聲信號圖像:(a)A掃圖，(b)B掃圖，(C)最大振幅圖；
[0027]圖4為實施例中聲波在掃描區域內傳播時的動畫截圖，a為聲波經過缺陷前聲場(t = 12.2 μ s), b為聲波經過缺陷時聲場(t = 14.3 μ s), c為聲波經過缺陷時聲場(t =15.5 μ s)，d為聲波經過缺陷後聲場(t = 16.4 μ s)。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。[0029]如圖1所示，一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特徵在於，包括信號控制與處理箱1、振鏡掃描頭2及雷射幹涉儀3，所述的信號控制與處理箱I包括脈衝雷射器、振鏡控制卡、信號採集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭2包括雷射通道、幹涉儀通道及振鏡；所述的脈衝雷射器發射雷射，該雷射通過雷射通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調節振鏡的反射鏡角度，對待檢對象Q的檢測區域進行掃描；所述的雷射在待檢對象Q上激發產生超聲波，該超聲波信號經由幹涉儀通道被所述的雷射幹涉儀3同步接收，之後傳輸給所述的信號採集卡，再經過所述的計算機進行分析處理得到待檢對象Q的缺陷情況。所述的待檢對象Q包括金屬、陶瓷或複合材料。所述的振鏡掃描頭2的掃描視角為±20°，掃描頻率為100Hz。所述的圖像包括A掃圖、B掃圖及最大振幅圖。
[0030]實施例:本例為厚度為0.2mm的薄招板表面缺陷檢測,具體檢測步驟為:
[0031](I)將薄鋁板置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區域；
[0032](2)通過振鏡掃描頭的紅光標示，確定薄鋁板的檢測區域S，通過計算機將該檢測區域S建立為由行列交叉的點陣M表示的模型，再根據檢測需求，通過計算機中聲場可視化軟體設置點陣M的行列數，以獲取足夠的空間解析度，如圖2所示；
[0033](3)在薄鋁板上選取某一點作為雷射幹涉儀接收超聲波聲信號的接收點P ；
[0034](4)脈衝雷射器從檢測區域S的某個點開始，對檢測區域S中的每個點依次發射脈衝雷射，從而在每個點激發超聲波，與此同時，雷射幹涉儀在接收點P接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過採集卡轉化為數位訊號後存儲於計算機中；
[0035](5)經過步驟(4)後，脈衝雷射器激發檢測區域S中所有點傳播到接收點P的聲信號被依次記錄下來，根據互易定理，得到脈衝雷射器激發接收點P傳播到檢測區域S中所有點的聲信號；
[0036](6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在點陣M中的位置相對應，並利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現待檢對象的缺陷情況。
[0037]如圖3所示為本發明裝置對含有人工缺陷(直徑1.5mm深度1.5mm盲孔)的鋁板(厚2_)試樣進行檢測得到的聲信號A掃圖、B掃圖和最大振幅圖。由A掃圖可以看到各點陣M的聲波隨時間變化的幅度信息即射頻信號；B掃圖可以看到聲波隨水平位置點陣M變化的幅度信息；最大振幅圖上可以看到掃描區域內各點陣M聲波最大幅度信息，圖中圓形黑線區域為直徑1.5mm的人工缺陷。圖4為聲波在掃描區域內傳播時的動畫截圖，可以清楚看到聲波與人工缺陷作用的情況。圖中圓形黑線區域為直徑1.5mm的人工缺陷。
[0038]本發明的裝置採用脈衝雷射器和可攜式雷射幹涉儀結合實現雷射超聲場的可視化檢測，基於聲場互易性實現聲場的快速非接觸實時顯示，可直觀判斷超聲場中是否存在由缺陷引起的異常散射，並能進行進一步的定量檢測分析評價。本裝置不僅適用於實驗室複雜結構超聲場及與缺陷相互作用規律的研究，而且適用於工業現場的材料結構的超聲無損檢測，可非接觸、實時快速得到材料無損檢測的A掃圖、B掃圖、最大振幅圖及超聲傳播的動畫圖。
【權利要求】
1.一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)將待檢對象置于振鏡掃描頭能夠掃描到的有效區域； (2)確定待檢對象的檢測區域，通過計算機將該檢測區域建立為由行列交叉的點陣表示的模型； (3)在待檢對象上選取某一點作為雷射幹涉儀接收超聲波聲信號的接收點； (4)脈衝雷射器從檢測區域的某個點開始，對檢測區域中的每個點依次發射脈衝雷射，從而在每個點激發超聲波，與此同時，雷射幹涉儀在接收點接收超聲波聲信號，接收到的聲信號通過採集卡轉化為數位訊號後存儲於計算機中； (5)根據互易定理，得到脈衝雷射器激發接收點傳播到檢測區域中所有點的聲信號； (6)通過計算機將步驟(5)得到的各個點的聲信號與其所在檢測區域模型中的位置相對應，並利用圖像或動畫顯示出來，直觀地呈現待檢對象的缺陷情況。
2.根據權利要求1所述的一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特徵在於，所述的待檢對象包括金屬、陶瓷或複合材料。
3.一種實施如權利要求2所述的用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法的裝置，其特徵在於，包括信號控制與處理箱、振鏡掃描頭及雷射幹涉儀，所述的信號控制與處理箱包括脈衝雷射器、振鏡控制卡、信號採集卡、計算機及電源模塊，所述的振鏡掃描頭包括雷射通道、幹涉儀通道及振鏡； 所述的脈衝雷射器發射雷射，該雷射通過雷射通道入射到振鏡中，通過振鏡控制卡調節振鏡的反射鏡角度，對待檢對象的檢測區域進行掃描； 所述的雷射在待檢對象上激發產生超聲波，該超聲波信號經由幹涉儀通道被所述的雷射幹涉儀同步接收，之後傳輸給所述的信號採集卡，再經過所述的計算機進行分析處理得到待檢對象的缺陷情況。
4.根據權利要求3所述的一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特徵在於，所述的振鏡是由X、Y方向的旋轉小鏡組成。
5.根據權利要求3所述的一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化裝置，其特徵在於，所述的振鏡掃描頭的掃描視角為±20°，掃描頻率可達1kHz。
6.根據權利要求1所述的一種用於無損探傷的超聲場非接觸可視化方法，其特徵在於，所述的圖像包括A型掃描顯示、B型掃描顯示及最大振幅圖。
【文檔編號】G01N29/06GK103713048SQ201310669619
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】潘永東, 李立兵, 劉磊, 陳亙, 凌松 申請人:同濟大學