CN104345092A - 一种扫查式激光超声检测方法及其*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫查式激光超声检测方法及其***，其方法步骤为：通过上位机软件控制激光器产生脉冲激光束；振镜扫描装置对被测材料进行水平X-Y轴方向二维扫查；利用在试块对心的纵波传感器接收产生的纵波信号；接收的纵波信号经放大后，由数字A/D采集卡采集产生的纵波信号，上位机软件对采集的超声波信号进行带通滤波；利用计算机控制电路***控制扫查动镜***对材料表面进行二维扫查成像，根据材料表面是否有表面裂纹缺陷的纵波一次峰值信号到达传感器的时间不同，可以迅速对二维扫查接收的纵波信号进行光声成像，实现对检测材料缺陷的快速定量成像检测。本发明计算机处理数据量小，可直接从纵波传播图像中对材料缺陷进行定量检测。
Description
技术领域
本发明属于激光超声无损检测技术领域，涉及一种扫查式激光超声检测方法；本发明还涉及一种实施上述扫查式激光超声检测方法进行材料检测的扫查式激光超声检测***。
背景技术
工业生产中，金属板材在轧制过程中，很容易在板材表面或内部产生损伤，接触面类缺陷(如表面缺陷、分层、夹杂等)是较为常见的缺陷，激光超声技术适合检测这种接触面类损伤，检测过程中可显著提高这类缺陷的信噪比和灵敏度，具有十分重要的实际应用价值。激光超声波检测技术主要采用激光在材料表面激发出超声波信号(包括表面波、纵波、横波等多种超声信号)，由于表面波与材料表面缺陷作用产生信号特性变化(如幅值、频率)，具有较高的灵敏度，因此，一般采取表面波技术对表面损伤进行检测，其中pitch-catch方法及pulse-echo方法是比较常见的两种方法。
专利申请（201310669619.7） 提出了“一种用于无损探伤的超声场非接触可视化方法及装置”，这种检测***突破了传统超声探头需要接触待检对象的瓶颈，具有较高的灵敏度。但是这种检测***：检测数据处理量大，无法实现对检测缺陷的形状及大小的定量检测。
发明内容
为了克服上述现有技术所存在的技术缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对材料缺陷的形状及大小的定量检测，并且检测数据处理量小的扫查式激光超声检测方法。
与此相应，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种实施上述扫查式激光超声检测方法进行材料检测的扫查式激光超声检测***，检测数据处理量小，能够方便地进行材料缺陷的形状及大小的定量检测。
本发明为解决所述技术问题的一种扫查式激光超声检测方法，包括以下步骤：
（1）通过上位机软件控制激光器产生脉冲激光束，射入振镜扫描装置；所述的振镜扫描装置根据上位机软件设计好的扫描路线对被测材料进行水平X-Y轴方向二维扫查；
（2）同时在激光扫描区域的另一侧安装一个纵波传感器，纵波传感器接收激光束在材料中产生的纵波信号；开启信号放大器、数据采集卡和计算机的上位机采集软件，同时设置采集的采样率、以及上位机带通滤波器的参数，以确保超声波信号的正确采集，以防止漏采、多采等情况的发生；
（3）通过上位机软件控制振镜扫描装置，以便控制扫查***中X-Y中的两轴聚焦透镜的位置，改变激光束在材料中的激发位置，实现对材料的水平X-Y轴方向进行二维扫查检测缺陷；当激光束扫查到无表面缺陷的材料位置处时，纵波传感器接收到的纵波信号的一次纵波峰值时间将提前，从而将这种信号输送到上位机软件进行数据处理分析、记录和后期成像处理；
（4）信号采集器将接收到的纵波信号传送到计算机中，计算机将采集到的纵波信号存储于（X，Y，t）矩阵中，得到纵波在检测材料中的传播图像；根据纵波信号在有缺陷的位置处一次纵波峰值到达时间，确定纵波在材料中传播到缺陷时的图像，对材料中的缺陷进行图像化检测；
所述的接收到的纵波信号用于计算机进行信号分析；并且通过上位机软件分析和比较不同位置处接收的一次纵波信号峰值到达时间，更进一步地确定材料中缺陷的检测位置及所需选取的纵波传播图像时间和对材料中的缺陷进行图形化检测。
所述的对被测材料进行二维扫查检测的扫描形状是矩形的，二维扫查间距为0.2mm-1mm。
本发明为解决所述技术问题的一种扫查式激光超声检测***，包括激光器、振镜扫描装置、信号采集器，其特征在于，还包括用于接收激光束在材料中产生的纵波信号的纵波传感器和用于将激光束在材料中产生波信号进行放大的信号放大器。
所述的振镜扫描***的X、Y 方向旋转小镜的扫描视角为±25°,最大扫描频率可达3kHz。
所述的信号采集器采用高速数字A/D采集卡。
所述的激光器为Nd:YAG激光器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1．突破了传统激光超声波无损检测技术对被测材料无法进行定量检测的缺点。
2．采取纵波分析的方法对材料的表面缺陷进行检测，大大缩短了检测时间。
3．该检测方法不需对大量的数据进行处理，可以根据纵波达到传感器的位置时间，自动选取纵波在材料内部的传播图像，检测数据量小，而且提高了整个检测***的检测效率。
4．该检测方法不受盲区的影响，适用于材料表面、近表面、内部的缺陷，不仅操作简单、重复性好、而且不依赖于检测人员的技术水平。
附图说明
图1是本发明所述的一种扫查式激光超声检测***框图。
图2是本发明所述的一种扫查式激光超声检测方法的激光超声二维扫描示意图。
图3是本发明所述的扫查式激光超声检测方法实施实验过程中选取的不锈钢板缺陷示意图。
图4是对图3所示的不锈钢板缺陷进行扫查式激光超声检测时的纵波传播成像示意图。
图5是对图3所示的不锈钢板实施实验的不同位置处检测到的纵波波形结果。
图6是对图3所示的不锈钢板实施实验的纵波传播图像结果。
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进一步详细说明。
本发明所述的一种扫查式激光超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过上位机软件控制激光器产生脉冲激光束，激光器束对准振镜扫描装置的中心位置进行射入；所述的振镜扫描装置根据上位机软件设计好的扫描路线对被测材料进行水平X-Y轴方向二维扫查；由于激光热弹机制作用，在被测材料上同时产生横波、纵波及表面波信号。
（2）同时在激光扫描区域的另一侧安装一个纵波传感器，纵波传感器接收激光束在材料中产生的纵波信号；开启信号放大器、数据采集卡和计算机的上位机采集软件，同时设置采集的采样率、以及上位机带通滤波器的参数，以确保超声波信号的正确采集，以防止漏采、多采等情况的发生；上位机软件对采集的超声波信号进行带通滤波的作用是减小随机噪声信号的影响。
（3）通过上位机软件控制振镜扫描装置，以便控制扫查***中X-Y中的两轴聚焦透镜的位置，改变激光束在材料中的激发位置，实现对材料的水平X-Y轴方向进行二维扫查检测缺陷；当激光束扫查到无表面缺陷的材料位置处时，纵波传感器接收到的纵波信号的一次纵波峰值时间将提前，从而将这种信号输送到上位机软件进行数据处理分析、记录和后期成像处理；所述的上位机包括：纵波传播的成像方法和振镜扫描路线设计算法。
（4）信号采集卡将接收到的纵波信号传送到计算机中，计算机将采集到的纵波信号存储于（X，Y，t）矩阵中，得到纵波在检测材料中的传播图像；根据传播图像可以有效对材料中的缺陷进行检测；根据纵波信号在有缺陷的位置处一次纵波峰值到达时间，确定纵波在材料中传播到缺陷时的图像，对材料中的缺陷进行图像化检测。
振镜扫描***主要功能是：将激光器激发出的激光束改变其在试件材料中的位置，根据上位机软件设计好的二维扫描路线，快速对被测试件进行缺陷扫查。在扫描过程中，激发出来的纵波信号在试件中传播，根据纵波信号在有无裂纹处的一次峰值达到的时间不同。
所述的接收到的纵波信号用于计算机进行信号分析；并且通过上位机软件分析和比较不同位置处接收的一次纵波信号峰值到达时间，更进一步地确定材料中缺陷的检测位置及所需选取的纵波传播图像时间和对材料中的缺陷进行图形化检测。采用激光成像方法提取纵波峰值时刻处的纵波传播图像，从而完成对试块中的缺陷进行定量无损检测。
所述的对被测材料进行二维扫查检测的扫描形状是矩形的，二维扫查间距为0.2mm-1mm。
一种实施上述方法的扫查式激光超声检测***，包括激光器、振镜扫描装置、信号采集器，其特征在于，还包括用于接收激光束在材料中产生的纵波信号的纵波传感器和用于将激光束在材料中产生波信号进行放大的信号放大器。
所述的振镜扫描***的X、Y 方向旋转小镜的扫描视角为±25°,最大扫描频率可达3kHz。
所述的信号采集器采用高速数字A/D采集卡。
所述的激光器为Nd:YAG激光器。
本发明的工作原理是；根据纵波在材料中的传播原理，当超声波遇到裂纹或其它缺陷时，根据不同扫描点产生的纵波到达传感器位置时刻不同，采用纵波二维成像方法对材料中的缺陷进行定量检测。根据缺陷所在区域，振镜扫描装置通过选择所在区域的振镜扫描算法改变激光扫描路线。
以下对采用本发明所述的方法及其***进行的一次实验进行简述：
1． 选取试件不锈钢板，规格为1000mm×1000mm×12mm，其不锈钢板材料中有一个直径为1 mm、深0.5mm的圆孔。
2．调节激光器，将激光器发出的激光作用在振镜扫描装置中，通过振镜装置中X-Y轴的聚焦透镜位置改变激光束在检测材料中的激发位置，按照图3扫描的区域对检测材料进行二维扫描，其中，扫描面积为10mm×10mm，扫描间隔设置为0.2mm，扫描点为50，在不锈钢板中产生的纵波信号，遇到不锈钢板中的裂纹，激光作用于裂纹产生纵波一次峰值到达传感器的时刻的延迟，实验检测附图见图5。
3．在检测材料扫描区域的对心采取纵波传感器接收产生的纵波信号，其中本实验采取的纵波传感器直径为2cm的直探头，中心频率选取为2.5MHz，将采集到的纵波信号经放大电路进行信号放大，并通过高速数字A/D采集卡采集纵波信号，上位机软件对接收的纵波信号进行检测、并通过二维扫查成像方法（见图4）进行纵波传播图像成像，对材料中的缺陷进行定量成像检测。采用逐点激光扫描的方式，对材料中的裂纹区域的位置进行激光光声技术对其进行纵波二维成像检测，纵波传播图像采取颜色的形式呈现，可以简单的对材料中出现的缺陷进行定量检测，实验检测结果见图6。
Claims (7)
1.一种扫查式激光超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过上位机软件控制激光器产生脉冲激光束，射入振镜扫描装置；所述的振镜扫描装置根据上位机软件设计好的扫描路线对被测对象进行水平X-Y轴方向二维扫查；
（2）同时在激光扫描区域的另一侧安装一个纵波传感器，纵波传感器接收激光束在材料中产生的纵波信号；开启信号放大器、数据采集卡和计算机的上位机采集软件，同时设置采集的采样率、以及上位机带通滤波器的参数；
（3）通过上位机软件控制振镜扫描装置，以便控制扫查***中X-Y中的两轴聚焦透镜的位置，改变激光束在材料中的激发位置，实现对材料的水平X-Y轴方向进行二维扫查检测缺陷；当激光束扫查到无表面缺陷的材料位置处时，纵波传感器接收到的纵波信号的一次纵波峰值时间将提前，从而将这种信号输送到上位机软件进行数据处理分析、记录和后期成像处理；
（4）信号采集器将接收到的纵波信号传送到计算机中，计算机将采集到的纵波信号存储于（X，Y，t）矩阵中，得到纵波在检测材料中的传播图像；根据纵波信号在有缺陷的位置处一次纵波峰值到达时间，确定纵波在材料中传播到缺陷时的图像，对材料中的缺陷进行图像化检测。
2.根据权利要求1所述的一种扫查式激光超声检测方法，其特征在于，所述的接收到的纵波信号用于计算机进行信号分析；并且通过上位机软件分析和比较不同位置处接收的一次纵波信号峰值到达时间，更进一步地确定材料中缺陷的检测位置及所需选取的纵波传播图像时间和对材料中的缺陷进行图形化检测。
3.根据权利要求1所述的一种扫查式激光超声检测方法，其特征在于，所述的对被测材料进行二维扫查检测的扫描形状是矩形的，二维扫查间距为0.2mm-1mm。
4.一种实施权利要求1至4任一项所述方法的扫查式激光超声检测***，包括激光器、振镜扫描装置、信号采集器，其特征在于，还包括用于接收激光束在材料中产生的纵波信号的纵波传感器和用于将激光束在材料中产生波信号进行放大的信号放大器。
5.根据权利要求5所述的一种扫查式激光超声检测***，其特征在于，所述的振镜扫描***的X、Y 方向旋转小镜的扫描视角为±25°,最大扫描频率可达3kHz。
6.根据权利要求5所述的一种扫查式激光超声检测***，其特征在于，所述的信号采集器采用高速数字A/D采集卡。
7.根据权利要求5所述的一种扫查式激光超声检测***，其特征在于，所述的激光器为Nd:YAG激光器。
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