CN106017371B - 基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法。其步骤为：1)脉冲激光器探头和激光干涉仪探头放置在工件表面缺陷的一侧；2)脉冲激光器在工件表面激励出声表面波，激光干涉仪分别测得直达表面波信号R1和从缺陷反射回的表面波信号RR1；3)控制二维位移平台运动，使脉冲激光器探头和激光干涉仪探头在表面缺陷的另外一侧；4)重复步骤2)，干涉仪测得直达表面波信号R2和从缺陷反射回的表面波信号RR2；5)通过两次干涉仪测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，以及二维运动平台运动位移d，计算出表面缺陷的开口宽度。本发明能够用于在位检测，且对于不同内部形状的开口缺陷均能准确测得开口的宽度。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，特使是涉及一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法。
背景技术
现今，在机械制造、冶金、航空航天等领域对材料的加工质量要求越来越高。材料早期缺陷或者加工过程中造成的缺陷应该被及时检测出并加工去除或者报废，如果使用带有缺陷的工件，在使用过程中，由于材料受力受热损伤会不断积累最终突然失效，给国民经济带来巨大的损失和给人们生命安全带来威胁。所以，对材料缺陷进行经济适用、简单有效的无损检测显得特别重要。开发对材料缺陷进行无损检测的技术也吸引了越来越多的关注。
表面缺陷是材料在表面张力的作用下产生的表层张烈现象。许多学者致力于采用声表面波检测表面缺陷，因为声表面波能量主要集中在表面附近，且具有无色散、不衰减等特征。利用声表面波达到表面缺陷区域时基于材料本身结构和声阻抗性质的突变而产生的反射、衍射及衰减等特征来反演缺陷的位置、深度、及走向等信息。声表面波可以用表面波换能器产生，但是由于需要使用耦合剂，并不能做到真正的非接触测量。激光超声是用脉冲激光在材料内部产生超声，具有非接触的特点，为此很多学者致力于研究使用激光超声检测表面缺陷的方法。
在已有的研究中，Copper使用脉冲线源激光激发表面波，用电容式传感器，在实验上观测了表面波遇到表面矩形槽时发生的散射波形，并得到了通过表面波回波时间计算矩形槽深度尺寸的公式；Tittmann等在实验上选用较高频率的瑞利波探测表面微小缺陷的尺寸；Achenbach等发明了扫描激光线源激光超声，可以快速检测出表面缺陷位置，且对于小于表面波波长的缺陷也有较好的效果；然而更多的学者还是致力于研究表面缺陷的深度，通过表面波在缺陷处的反射和透射系数与表面缺陷深度之间的定量关系。
对于某些场合，需要测量表面缺陷的开口宽度。在对工件表面缺陷深度测量后，如果要对表面缺陷开口宽度进行测量，需要将工件重新装夹到其他测量***中，效率低下。为此我们提出一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度检测方法，可以在一次装夹中，在用激光超声方法检测表面缺陷深度后，使用此方法获得表面缺陷的开口宽度。
发明内容
本发明的目的是在某些需要测量表面缺陷开口宽度的场合，克服工件在其他测量***中二次装夹导致的耗时，提供一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法。其具体方案如下：
一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量方法，包括以下步骤：
1)脉冲激光器探头和激光干涉仪探头放置在工件表面缺陷的一侧，且激光干涉仪探头在脉冲激光器探头和表面缺陷之间；
2)利用脉冲激光器探头在工件表面激励出表面声波，再利用激光干涉仪探头先后分别测得直达表面波信号R1和从缺陷反射回的表面波信号RR1，继而得到直达表面波信号R1到达干涉仪探头的时间tR1以及从缺陷反射回的表面波信号RR1到达干涉仪探头的时间tRR1；
3)将脉冲激光器探头和激光干涉仪探头放置在工件表面缺陷的另一侧，且激光干涉仪探头在脉冲激光器探头和表面缺陷之间；再重复步骤2)，得到直达表面波信号R2和从缺陷反射回的表面波信号RR2，继而得到直达表面波信号R2到达干涉仪探头的时间tR2以及从缺陷反射回的表面波信号RR2到达干涉仪探头的时间tRR2；
4)通过干涉仪探头两次测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，以及步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源间的距离，再计算出在两次测量中干涉仪探头探测点连线上的表面缺陷的开口宽度w。
作为优选，所述的工件放置在二维运动平台上，通过二维运动平台的移动改变步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源相对于表面缺陷的位置，且超声源和探测点的连线与表面缺陷的移动方向平行。
作为优选，所述的超声源的激发方法为：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出表面声波。
进一步的，所述的表面缺陷的开口呈矩形，且所述的线源激光与表面缺陷长度方向平行。
作为优选，所述的所述的步骤4)中表面缺陷的开口宽度w计算公式为：
其中d为步骤1)和3)中脉冲激光器探头在工件表面激励出的超声源间的距离，vR为表面声波在工件中的传播速度。
作为优选，所述的表面缺陷内部形状不限。
作为优选，所述的工件厚度大于5mm。
一种实现上述方法的基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置，包括：脉冲激光器、激光干涉仪探头和示波器；其中脉冲激光器用于在工件表面激励出表面声波；激光干涉仪探头和示波器相连，用于接收直达表面波信号和从缺陷反射回的表面波信号。
作为优选，所述的工件放置于二维运动平台上，用于带动工件相对于脉冲激光器和激光干涉仪探头移动。
作为优选，所述的激光干涉仪探头的位置到工件表面的距离为激光干涉仪探头上的聚焦透镜的焦距。
本发明相对于现有技术的有益效果为：在需要测量表面缺陷的开口宽度的场合。传统测量方法是，在对工件表面缺陷深度测量后，将工件重新装夹到表面缺陷开口宽度测量***(比如显微镜***)中，效率低下。本发明提出一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度检测装置及其方法，可以在一次装夹中，在用激光超声方法检测表面缺陷深度后，使用本发明提出的方法获得表面缺陷的开口宽度。
附图说明
图1是基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法的一种检测状态示意图；
图2是基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法另一种检测状态示意图；
图3是基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法线源激光和探测点示意图；
图中，工件1、二维运动平台2、脉冲激光器探头3、激光干涉仪探头4、示波器5、表面缺陷6、线源激光7、探测点8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做具体说明。
本发明的实施方式涉及一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度的检测装置及其方法，该方法利用聚焦成线源的脉冲激光在工件表面产生表面波，表面波遇到缺陷而产生散射回波信号，通过激光干涉仪对入射表面波信号和散射信号的接收和计算，从而实现对工件表面缺陷开口宽度的检测。
如图1所示，本发明中采用的测量装置，包括：脉冲激光器3、激光干涉仪探头4和示波器5；其中脉冲激光器3用于在工件1表面激励出表面声波；激光干涉仪探头4和示波器5相连，用于接收直达表面波信号和从缺陷反射回的表面波信号。工件1放置于二维运动平台2上，用于带动工件1相对于脉冲激光器3和激光干涉仪探头4移动。激光干涉仪探头4的位置到工件1表面的距离为激光干涉仪探头4上的聚焦透镜的焦距。
本发明的基于激光超声的表面缺陷开口宽度的检测方法基本原则与发明内容部分一致，具体步骤如下：
1)将带有表面缺陷6的工件1放置在二维运动平台2上，使工件长边和短边分别与二维运动平台2的两个运动方向平行；将脉冲激光器探头3和激光干涉仪探头4放置在工件表面缺陷6的左侧(如图1所示)，激光干涉仪探头4在脉冲激光器探头3和表面缺陷6之间，且激光干涉仪探头4和脉冲激光器探头3的连线与表面缺陷6的开口长度方向垂直(如图1所示)；
2)脉冲激光器探头3发出脉冲激光，经过柱透镜聚焦成一条直线，且线源激光7与表面缺陷6开口长度方向平行(如图3所示)，线源激光7照射在工件1表面激励出表面声波，激光干涉仪探头4先后分别测得直达表面波信号R1和从缺陷反射回的表面波信号RR1，并显示在示波器5中，得到直达表面波信号R1到达干涉仪探头4的时间tR1，从缺陷反射回的表面波RR1到达干涉仪探头4的时间tRR1；
3)控制二维位移平台2向x轴的负方向运动位移d，使脉冲激光器探头3和激光干涉仪探头4在表面缺陷的右侧(如图2所示)；
4)重复步骤2)，干涉仪探头4先后测得直达表面波信号R2和从缺陷反射回的表面波信号RR2，同样得到直达表面波信号R2到达干涉仪探头4的时间tR2，从缺陷反射回的表面波RR2到达干涉仪探头4的时间tRR2；
5)通过干涉仪探头4两次测量得到的直达表面波信号和从缺陷反射回的表面波信号到达时间，以及二维运动平台运动距离，计算出表面缺陷的开口宽度w，计算公式如下：
以上述方法对某铝块表面缺陷开口宽度进行检测，其中铝块的长100mm、宽50mm、厚10mm，用KEYENCE VHX-600测量得到表面缺陷宽度为873.18μm作为参照。将铝块放置在二维运动平台上，并用脉冲激光器探头和干涉仪探头分别在铝块上的表面缺陷的左侧激发和接收表面波，干涉仪探头将先后接收到从激发源直接到达的表面波R和从缺陷反射回的表面波RR，干涉仪探头将探测到的信号传输给示波器，将数据保存并在电脑上读取，得到表面波直达波时间tR1和反射波时间tRR1。控制二维运动平台运动位移d，使得脉冲激光器探头和干涉仪探头在缺陷右侧完成上述步骤并得到tR2和tRR2。
最终测量结果及其相对误差如下表所示：
从表中可以看出，本发明对于材料表面缺陷的开口宽度检测结果具有很高的精度。本发明不像显微镜测量一样需要将待测样品从加工中取下放到待测区，本发明可以实现在位检测，提高检测效率。
Claims (10)
1.一种基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)脉冲激光器探头(3)和激光干涉仪探头(4)放置在工件(1)表面缺陷的一侧，且激光干涉仪探头(4)在脉冲激光器探头(3)和表面缺陷(6)之间；
2)利用脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出表面声波，再利用激光干涉仪探头(4)先后分别测得直达表面波信号R1和从缺陷反射回的表面波信号RR1，继而得到直达表面波信号R1到达激光干涉仪探头(4)的时间tR1以及从缺陷反射回的表面波信号RR1到达激光干涉仪探头(4)的时间tRR1；
3)将脉冲激光器探头(3)和激光干涉仪探头(4)放置在工件(1)表面缺陷的另一侧，且激光干涉仪探头(4)在脉冲激光器探头(3)和表面缺陷(6)之间；再重复步骤2)，得到直达表面波信号R2和从缺陷反射回的表面波信号RR2，继而得到直达表面波信号R2到达激光干涉仪探头(4)的时间tR2以及从缺陷反射回的表面波信号RR2到达激光干涉仪探头(4)的时间tRR2；
4)通过激光干涉仪探头(4)两次测量得到的直达表面波信号和缺陷回波信号到达时间，以及步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源间的距离，再计算出在两次测量中激光干涉仪探头(4)探测点(8)连线上的表面缺陷的开口宽度w。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的工件(1)放置在二维运动平台(2)上，通过二维运动平台(2)的移动改变步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源相对于表面缺陷(6)的位置，且超声源和探测点(8)的连线与表面缺陷(6)的移动方向平行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超声源的激发方法为：脉冲激光器探头(3)发出脉冲激光经过柱透镜聚焦成线源激光(7)，照射在工件(1)表面并激励出表面声波。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的表面缺陷(6)的开口呈矩形，且所述的线源激光(7)与表面缺陷(6)长度方向平行。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤4)中表面缺陷的开口宽度w计算公式为：
其中d为步骤1)和3)中脉冲激光器探头(3)在工件(1)表面激励出的超声源间的距离，vR为表面声波在工件(1)中的传播速度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的表面缺陷(6)内部形状不限。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的工件(1)厚度大于5mm。
8.一种实现权利要求1所述方法的基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置，其特征在于，包括：脉冲激光器探头(3)、激光干涉仪探头(4)和示波器(5)；其中脉冲激光器探头(3)用于在工件(1)表面激励出表面声波；激光干涉仪探头(4)和示波器(5)相连，用于接收直达表面波信号和从缺陷反射回的表面波信号。
9.如权利要求8所述的基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置，其特征在于，所述的工件(1)放置于二维运动平台(2)上，用于带动工件(1)相对于脉冲激光器探头(3)和激光干涉仪探头(4)移动。
10.如权利要求8所述的基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置，其特征在于，所述的激光干涉仪探头(4)的位置到工件(1)表面的距离为激光干涉仪探头(4)上的聚焦透镜的焦距。
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