CN107064301A - 一种基于激光测振的非接触式无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，属于土木、建筑、道桥、水利工程质量安全检测技术领域，包括以下步骤：确定待测物，将激光测振装置固定在移动测试工具上，并使其距离待测物的测试面0.01‑3m；打开激光测振装置，使激光垂直于测试面；利用冲击装置作用于待测物被激光照射的测点上，使待测物产生振动，同时使激光测振装置以速度V_H匀速移动，且移动方向与测点振动方向垂直；通过激光测振装置计算出测点的振动速度V_移；利用软件对测点的振动速度V_移进行分析，得到待测物的内部情况。该方法采用非接触式测试，不仅可以避免传感器与被测物表面接触而产生的误差，还能够采用连续移动式的检测，从而大幅提高测试精度和效率。

Description

一种基于激光测振的非接触式无损检测方法

技术领域

本发明属于土木、建筑、道桥、水利工程质量安全检测技术领域，具体涉及一种基于激光测振的非接触式无损检测方法。

背景技术

无损检测技术是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学，其定义就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使用性能和形态受到损伤为前提，通过一定的检测手段来测试、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件等被测物的性质、状态或内部结构等所采用的检查方法。

在各类土木工程中，无损检测技术的应用是十分广泛的，无论是公路、铁路的路基填筑、路面铺装，还是桥梁、隧道以及其它重要结构物的施工和维护，处处可以看到无损检测技术的身影。下面的表1列出了目前常见的无损检测技术。

表1 各种无损检测方法的领域和特征

其中，采用冲击弹性波、超声波是重要的无损检测方法之一。然而，现有的冲击弹性波、超声波检测均采用的接触式测量，需要在被测物体上安装加速度传感器(如图1)，利用加速度传感器的电荷输出信号实现振动信号的相关测量。如果测量质量较小物体的振动，附加的加速度传感器的质量往往会影响被测物体的振动，从而产生测量误差。同时，由于传感器***本身的共振特性，以及接触状态的不良，都有可能导致测试信号的误差。另一方面，由于传感器的固定，需要在静止条件下实施，因此无法应用在连续测试中，进而严重地影响测试效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，该方法采用非接触式测试，不仅可以避免传感器与被测物表面接触而产生的误差，还能够采用连续移动式的检测，从而大幅提高测试精度和效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，如图6所示，包括以下步骤：

(1)确定待测物，在待测物上选择一段测试线路；

(2)将激光测振装置固定在移动测试工具上，并使激光测振装置距离待测物的测试面0.01-3m；

(3)打开激光测振装置，使激光垂直于测试面；

(4)利用冲击装置作用于待测物被激光照射的测点上，使待测物产生振动，同时使激光测振装置以速度V_H匀速移动，移动方向与测点振动方向垂直，且随激光测振装置移动过程中激光照射点沿测试线路移动；

(5)通过激光测振装置计算出测点的振动速度V_移；

(6)利用软件对测点的振动速度V_移进行分析，得到待测物的厚度、缺陷、材质和待测物整体质量的评价。

其中，步骤(5)中，V_移是在测点静止时振动速度V的基础修正得到，其修正角度为再代入激光多普勒测振速度公式得到：

步骤(5)中，激光测振装置计算出测点的振动速度V_移的具体方法如下：

1)构建一个测试模型：如图2所示，假设点S为光源，光的频率为f，光速为c，点O为光波接收器，点P为速度为V的单个测点，S和O在P的两侧，激光经光源S发出至运动测点P，经运动测点反射后被光波接收器O接收，θ₁和θ₂分别为SP、OP与速度V的夹角，当光源和光波接收器保持相对静止时，假设n为沿从光源到光波接收器的光路上的光波周期数，在无限小的时间间隔δt中，假定P移动到P′的距离为Vδt。在光程中周期数的增加数δn为，

其中，PN和PN′分别是向SP和PO作的垂线，PP′为无限小，λ和λ′是散射前后的波长。上式又可以表示为：

考虑到：

在一般情况下，不需要区分λ和λ′，这样就得到一级近似的多普勒频移：

2)光波接收器接收到的光波频率为f+Δf_D，如图3所示，对于光波沿反向散射时，即光源和光波接收器件为一体时，S＝O，θ₁＝θ₂＝θ，因此有：

对于单个测点的振动速度，有：

3)如图4所示，在利用激光多普勒测振原理测试出单个测点振动速度V基础上，利用激光测振装置对待测物进行连续移动式检测，具体为，当激光测振装置移动方向垂直于待测物的测点的振动方向，且其移动速度为V_H时，测试夹角为：

将θ代入式-6中可得

V_移即为激光测振装置移动过程中测试得到的待测物测点的振动速度。再通过解析软件对测试得到的速度V_移进行分析，即可得到待测物内部情况如厚度、缺陷、材质和待测物整体质量的评价数据。

针对V_移的分析方法有很多，其中，冲击回波法是非常有效的方法之一。

如图5所示，使用冲击装置在待测物结构表面激发冲击弹性波，利用激光测振代替接触式传感器进行拾振，当激光测振装置接收位置与激振位置较近时，接收到波的主要成分为P波，当激发的P波在结构内部传播过程中，遇到不同界面或者材质发生改变的地方，P波则会发射反射、透射、绕射等现象，再通过激光测振仪接收到反射回来的P波，对其进行时域或者频域的分析，即可知道测试结构内部的缺陷大小及位置深度。

步骤(4)中，冲击装置为空***或者冲击锤。

本发明中，测试线路为待测物上一段表面平整且激光可照射到的线路，采用的移动测试工具可以是汽车、装载机或自制的小车等车辆。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，该方法对待测物的测点部位利用冲击装置激振并诱发振动，通过非接触式激光测振装置拾取测点部位内部的振动信号，经计算和分析得出待测物的厚度或缺陷或材质的情况，能够有效避免传感器与被测物表面接触而产生的误差，并且采用连续移动式的检测，相比于现有的单点检测而言，测试效率大大提高，因此本发明能够大幅提高测试精度和效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为背景技术中接触式无损检测示意图；

图2为本发明散射多普勒频移示意图；

图3为本发明激光多普勒效应示意图；

图4为本发明激光测振连续测试示意图；

图5为本发明冲击回波法示意图；

图6为本发明工程实际测试示意图；

图7为本发明实施例1锚杆测试示意图；

图8为本发明实施例1激光测锚杆波形图；

图9为本发明实施例1激光测锚杆结果图；

图10为本发明实施例2激光连续测试二衬厚度示意图；

图11为本发明实施例2激光连续测试二衬厚度结果图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加速度传感器，2-冲击装置，3-激光测振装置，4-待测物，5-锚杆，6-二衬，7-初支。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，应用于锚杆长度的非接触无损测试，锚杆实际长度1.3m，激光单点测试的具体操作如下：

1)如图7，将激光测振装置放置于距离被测锚杆0.01-3m范围内；

2)使激光垂直照射到锚杆端面；

3)使用空***或者冲击锤在锚杆端面激振，使其振动方向平行于锚杆长度方向；

4)利用激光测振装置的接收装置采集、保存相应的数据；

5)将步骤4)中的测试结果导入如图8所示解析软件，通过解析软件对测试波形中反射信号识别，波速取钢的波速5.18Km/s，算出埋入土中的锚杆长度1.316m，误差0.016m，结果如图9所示。

测试精确度高，且测试快速方便，效率高。

实施例2

本发明一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，应用于二衬厚度的非接触连续测试，二衬厚度设计为0.5m，二衬下层为初支，激光连续测试的具体操作如下：

1)如图10，将激光测振装置放置于距离被测二衬面0.01-3m范围内；

2)使激光垂直照射到二衬面；

3)使用空***或者冲击锤在二衬表面激振，使其振动方向垂直于装置移动方向；

4)利用激光测振装置的接收装置采集、保存相应的数据；

5)将测试结果导入解析软件，通过解析软件对测试的连续信号进行分析，测试得到的缺陷位置距离起点35-40m，如图11所示，缺陷位置测试所得厚度明显小于设计厚度0.5m，由此可判断该处厚度不够，存在脱空可能。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定待测物，在待测物上选择一段测试线路；

(2)将激光测振装置固定在移动测试工具上，并使激光测振装置距离待测物的测试面0.01-3m；

(3)打开激光测振装置，使激光垂直于测试面；

(4)利用冲击装置作用于待测物被激光照射的测点上，使待测物产生振动，同时使激光测振装置以速度V_H匀速移动，移动方向与测点振动方向垂直，且随激光测振装置移动过程中激光照射点沿测试线路移动；

(5)通过激光测振装置计算出测点的振动速度V_移；

(6)利用解析软件对测点的振动速度V_移进行分析，得到待测物的厚度、缺陷、材质和待测物整体质量的评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，其特征在于，步骤(5)中，V_移是在测点静止时振动速度V的基础修正得到，其修正角度为再代入激光多普勒测振速度公式得到：

3.根据权利要求1所述的一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，其特征在于，步骤(5)中，激光测振装置计算出测点的振动速度V_移的具体方法如下：

1)构建一个测试模型：假设点S为光源，光的频率为f，光速为c，点O为光波接收器，点P为速度为V的单个测点，S和O在P的两侧，激光经光源S发出至运动测点P，经运动测点反射后被光波接收器O接收，θ₁和θ₂分别为SP、OP与速度V的夹角，当光源和光波接收器保持相对静止时，假设n为沿从光源到光波接收器的光路上的光波周期数，在无限小的时间间隔δt中，假定P移动到P′的距离为Vδt。在光程中周期数的增加数δn为，

其中，PN和PN′分别是向SP和PO作的垂线，PP′为无限小，λ和λ′是散射前后的波长。上式又可以表示为：

考虑到：

在一般情况下，不需要区分λ和λ′，这样就得到一级近似的多普勒频移：

2)光波接收器接收到的光波频率为f+Δf_D，对于光波沿反向散射时，即光源和光波接收器件为一体时，S＝O，θ₁＝θ₂＝θ，因此有：

对于单个测点的振动速度，有：

3)在利用激光多普勒测振原理测试出单个测点振动速度V基础上，利用激光测振装置对待测物进行连续移动式检测，具体为，当激光测振装置移动方向垂直于待测物的测点的振动方向，且其移动速度为V_H时，测试夹角为：

将θ代入式-6中可得

V_移即为激光测振装置沿测试线路移动过程中测试得到的待测物测点的振动速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光测振的非接触式无损检测方法，其特征在于，步骤(4)中，冲击装置为空***或者冲击锤。