CN111595949A - 一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***及检测方法。本发明的检测***包括表面轮廓测量模块、激光扫描控制模块、超声数据采集模块和叠合成像与评定模块，所述表面轮廓测量模块分别与激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块连接，用于工件轮廓形状尺寸测量及数据传输；激光扫描控制模块与超声数据采集模块是两个独立模块，同步协同工作，分别实现激光超声信号的激励与接收；叠合成像与评定模块将激光超声信号进行虚拟聚焦处理及工件表面轮廓叠合成像显示，识别与定位缺陷与结构回波。本发明可以实现对未知几何形状的不规则表面进行非接触式的激光超声扫描检测，快速识别缺陷信号并直观显示缺陷在不规则工件内部的相对位置。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种激光超声无损检测技术，特别是一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***及检测方法。
背景技术
超声检测是保证工业部件制造质量和运行安全的重要手段。但是，随着先进制造技术的发展，特别是增材制造等技术的高速发展，出现了大量具有不规则表面的复杂结构工业部件。传统超声应用于具有不规则表面的部件时，超声传感器与不规则表面难以实现接触式的良好耦合，需要借助于水浸等检测方式，水浸检测一般应用用于尺寸较小的部件在制造阶段的检验。然而，对于表面不规则的大型部件、以及在安装使用之后不可拆卸的部件，传统的接触式以及水浸检测方案都不再适用。
激光超声是典型的非接触式检测方法，是不规则表面工件的潜在检测手段。但是由于在检测时无法获得不规则表面的轮廓信号，激光超声扫描成像检测还存在较大的问题：首先，激光扫描的轨迹规划无法随着轮廓的变化而实时调整；其次，为了实现工件内部小缺陷的检出，通常使用的是阵列超声聚焦成像来提升缺陷检测分辨率，而当面对不规则表面时，阵列超声聚焦成像会受到不规则表面的扰动，导致聚焦效果不佳；最后，不规则表面工件内部还可能存在结构回波，导致缺陷识别与定位困难。因此，为了实现不规则表面部件的非接触式检测，开发兼具自动测量工件表面轮廓、规划激光超声扫描路径、数据采集和叠合成像的方法，对工业部件内部缺陷的检测与评定具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***及方法，非接触地实现具有不规则表面工业部件内部缺陷的快速检测与评定。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，包括表面轮廓测量模块、激光扫描控制模块、超声数据采集模块和叠合成像与评定模块，其特征在于：所述表面轮廓测量模块分别与激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块连接，用于工件轮廓形状尺寸测量及数据传传输；所述激光扫描控制模块与超声数据采集模块是两个独立模块，同步协同工作，分别实现激光超声信号的激励与接收；所述叠合成像与评定模块将激光超声信号进行虚拟聚焦处理及工件表面轮廓叠合成像显示，识别与定位缺陷与结构回波；
所述激光扫描控制模块由动态聚焦镜、振镜及与之匹配扫描控制卡组成，所述超声数据采集模块包括脉冲激光器、激光干涉仪、数据采集卡及光电探测器，所述脉冲激光器和激光干涉仪通过扫描控制卡控制分别发出脉冲激光和测量激光，所述光电探测器用于检测脉冲激光并触发数据采集卡。
优选的，表面轮廓测量模块具体为非接触式轮廓测量仪器。
优选的，所述表面轮廓测量模块包括线激光传感器和驱动线激光传感器运动的平移台。
优选的，所述激光扫描控制模块中，所述扫描控制卡控制振镜和动态聚焦镜根据使用需求进行一维或二维扫描。
优选的，其中所述超声数据采集模块中，用于超声激励的激光与用于超声接收的激光的传播路径为同轴传播或分别由两套振镜和动态聚焦***控制的分路传播。
一种上述自适应不规则表面的激光超声成像检测***的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用平移台将线激光传感器平移至振镜整下方，对工件不规则表面进行测量，获得目标检测区域的轮廓点坐标集；
S2.表面轮廓测量模块根据轮廓点坐标集，按照样条曲线拟合获得工件的目标检测区域的轮廓曲线，并传输至激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块；
S3.激光扫描模块的振镜按照轮廓曲线，将脉冲激光器发射的激励激光和激光干涉仪发射的测量激光以一定的扫描步进扫描，同时动态聚焦镜根据振镜中心与扫描点距离对激光焦距进行动态调节，保证激光扫描时，激励激光的焦点落在工件不规则表面每一个扫描点；
S4.激光扫描模块在扫描过程中同步触发脉冲激光器实现激光超声信号的激励，光电探测器通过感知脉冲激光器的激励信号实现数据采集卡的同步触发，完成超声信号的采集及编号存储；
S5.叠合成像与评定模块首先将激光扫描点坐标与存储的超声信号进行一一对应，其次根据扫描点与工件内部目标聚焦区域的聚焦点距离，以及工件中超声传播的声速，计算得到虚拟聚焦成像所用到的时间延迟矩阵，最后通过超声信号的延迟叠加获得工件内部的聚焦超声影像；
S6.叠合成像与评定模块将工件内部的聚焦超声影像与工件轮廓进行叠合显示，根据超声影像与工件内部结构及缺陷的重叠关系，快速评定疑似影像为结构影像或者缺陷影像，根据最终确定的缺陷影像与工件轮廓的空间位置关系快速实现缺陷的位置测量。
优选的，步骤S3中，所述扫描步进根据检测需求进行调节，调节范围不超过被检工件内部超声传播波长的二分之一。
优选的，步骤S5中，所述工件内部目标聚焦区域的聚焦点的数量和排布形式根据需求进行调节，具体为单点聚焦、一维动态聚焦或二维网格排布的全矩阵聚焦。
本发明的有益效果在于：
本发明通过集成表面轮廓轮测量仪器与激光超声成像***，实现了在检测过程中自动完成工件表面轮廓的测量，然后再根据所测表面轮廓数据规划激光扫描的路径，再根据扫描路径进行超声数据的采集和叠合成像，做到了对未知表面形状部件的自适应和自动检测。本发明采用激光作为超声激励和接收的手段，实现非接触式数据采集，可以解决不规则表面工件导致的超声耦合问题。本发明的叠合成像模块可以将复杂的部件轮廓与超声图像进行融合，实现了内部缺陷的在不规则工件中的直观显示、快速识别和定位。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中激光超声成像检测***的构成图；
图2为本发明具体实施方式中激光超声成像检测***检测时的布局示意图；
图3为本发明具体实施方式中激光扫描点与聚焦点分布的示意图；
图4为本发明具体实施方式中叠合成像与缺陷识别示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作以下详细描述。
实施例1：
如图1所示，一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，包括表面轮廓测量模块、激光扫描控制模块、超声数据采集模块和叠合成像与评定模块，所述表面轮廓测量模块分别与激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块连接，用于工件轮廓形状尺寸测量及数据的传输；所述激光扫描控制模块与超声数据采集模块是两个独立模块，同步协同工作，分别实现激光超声信号的激励与接收；所述叠合成像与评定模块将激光超声信号进行虚拟聚焦处理及工件表面轮廓叠合成像显示，识别与定位缺陷与结构回波；
如图2所示，所述表面轮廓测量模块由线激光传感器和运动平移台组成，所述激光扫描控制模块由动态聚焦镜、振镜及与之匹配扫描控制卡组成，所述超声数据采集模块包括脉冲激光器、激光干涉仪、数据采集卡及光电探测器，所述脉冲激光器和激光干涉仪通过扫描控制卡控制分别发出脉冲激光和测量激光，所述光电探测器用于检测脉冲激光并触发数据采集卡。所述激光扫描控制模块中，所述扫描控制卡控制振镜和动态聚焦镜根据使用需求，具体进行一维扫描或二维扫描。所述超声数据采集模块中，用于超声激励的激光与用于超声接收的激光的传播路径为同轴传播。
一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***的检测方法，利用激光超声成像检测***对不规则工件的缺陷进行成像检测、自动识别与定位，所述检测方法具体包括步骤如下：
(1)利用平移台将线激光传感器平移至振镜整下方，对工件不规则表面进行测量，获得目标检测区域的轮廓点坐标集；
(2)表面轮廓测量模块根据轮廓点坐标集，按照样条曲线拟合获得工件的目标检测区域的轮廓曲线，并传输至激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块；
(3)激光扫描模块的振镜按照轮廓曲线，将脉冲激光器发射的激励激光和激光干涉仪发射的测量激光以一定的扫描步进扫描，同时动态聚焦镜根据振镜中心与扫描点距离对激光焦距进行动态调节，保证激光扫描时，激光激光的焦点落在工件不规则表面每一个扫描点；
(4)激光扫描模块在扫描过程中同步触发脉冲激光器实现激光超声信号的激励，光电探测器通过感知脉冲激光器的激励信号实现数据采集卡的同步触发，完成超声信号的采集及编号存储；
(5)叠合成像与评定模块首先将激光扫描点坐标与存储的超声信号进行一一对应，其次根据扫描点与工件内部目标聚焦区域的聚焦点距离，如图3所示，以及工件中超声传播的声速，计算得到虚拟聚焦成像所用到的时间延迟矩阵，最后通过超声信号的延迟叠加获得工件内部的聚焦超声影像；
(6)叠合成像与评定模块将工件内部的聚焦超声影像与工件轮廓进行叠合显示，根据超声影像与工件内部结构及缺陷的重叠关系，快速评定疑似影像为结构影像或者缺陷影像，根据最终确定的缺陷影像与工件轮廓的空间位置关系快速实现缺陷的位置测量，如图4所示。
本发明通过集成表面轮廓轮测量仪器与激光超声成像***，实现了在检测过程中自动完成工件表面轮廓的测量，然后再根据所测表面轮廓数据规划激光扫描的路径，再根据扫描路径进行超声数据的采集和叠合成像，做到了对未知表面形状部件的自适应和自动检测。本发明采用激光作为超声激励和接收的手段，实现非接触式数据采集，可以解决不规则表面工件导致的超声耦合问题。本发明的叠合成像模块可以将复杂的部件轮廓与超声图像进行融合，实现了内部缺陷的在不规则工件中的直观显示、快速识别和定位。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，包括表面轮廓测量模块、激光扫描控制模块、超声数据采集模块和叠合成像与评定模块，其特征在于：所述表面轮廓测量模块分别与激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块连接，用于工件轮廓形状尺寸测量及数据传传输；所述激光扫描控制模块与超声数据采集模块是两个独立模块，同步协同工作，分别实现激光超声信号的激励与接收；所述叠合成像与评定模块将激光超声信号进行虚拟聚焦处理及工件表面轮廓叠合成像显示，识别与定位缺陷与结构回波；
所述激光扫描控制模块由动态聚焦镜、振镜及与之匹配扫描控制卡组成，所述超声数据采集模块包括脉冲激光器、激光干涉仪、数据采集卡及光电探测器，所述脉冲激光器和激光干涉仪通过扫描控制卡控制分别发出脉冲激光和测量激光，所述光电探测器用于检测脉冲激光并触发数据采集卡。
2.根据权利要求1所述的一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，其特征在于：表面轮廓测量模块具体为非接触式轮廓测量仪器。
3.根据权利要求2所述的一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，其特征在于：所述表面轮廓测量模块包括线激光传感器和驱动线激光传感器运动的平移台。
4.根据权利要求1所述的一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，其特征在于：所述激光扫描控制模块中，所述扫描控制卡控制振镜和动态聚焦镜根据使用需求进行一维或二维扫描。
5.根据权利要求1所述的一种自适应不规则表面的激光超声成像检测***，其特征在于：其中所述超声数据采集模块中，用于超声激励的激光与用于超声接收的激光的传播路径为同轴传播或分别由两套振镜和动态聚焦***控制的分路传播。
6.一种权利要求3所述自适应不规则表面的激光超声成像检测***的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用平移台将线激光传感器平移至振镜整下方，对工件不规则表面进行测量，获得目标检测区域的轮廓点坐标集；
S2.表面轮廓测量模块根据轮廓点坐标集，按照样条曲线拟合获得工件的目标检测区域的轮廓曲线，并传输至激光扫描控制模块和叠合成像与评定模块；
S3.激光扫描模块的振镜按照轮廓曲线，将脉冲激光器发射的激励激光和激光干涉仪发射的测量激光以一定的扫描步进扫描，同时动态聚焦镜根据振镜中心与扫描点距离对激光焦距进行动态调节，保证激光扫描时，激励激光的焦点落在工件不规则表面每一个扫描点；
S4.激光扫描模块在扫描过程中同步触发脉冲激光器实现激光超声信号的激励，光电探测器通过感知脉冲激光器的激励信号实现数据采集卡的同步触发，完成超声信号的采集及编号存储；
S5.叠合成像与评定模块首先将激光扫描点坐标与存储的超声信号进行一一对应，其次根据扫描点与工件内部目标聚焦区域的聚焦点距离，以及工件中超声传播的声速，计算得到虚拟聚焦成像所用到的时间延迟矩阵，最后通过超声信号的延迟叠加获得工件内部的聚焦超声影像；
S6.叠合成像与评定模块将工件内部的聚焦超声影像与工件轮廓进行叠合显示，根据超声影像与工件内部结构及缺陷的重叠关系，快速评定疑似影像为结构影像或者缺陷影像，根据最终确定的缺陷影像与工件轮廓的空间位置关系快速实现缺陷的位置测量。
7.根据权利要求6所述的自适应不规则表面的激光超声成像检测***的检测方法，其特征在于：步骤S3中，所述扫描步进根据检测需求进行调节，调节范围不超过被检工件内部超声传播波长的二分之一。
8.根据权利要求5所述的自适应不规则表面的激光超声成像检测***的检测方法，其特征在于：步骤S5中，所述工件内部目标聚焦区域的聚焦点的数量和排布形式根据需求进行调节，具体为单点聚焦、一维动态聚焦或二维网格排布的全矩阵聚焦。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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