CN110779990B - 一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 - Google Patents
一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110779990B CN110779990B CN201910958350.1A CN201910958350A CN110779990B CN 110779990 B CN110779990 B CN 110779990B CN 201910958350 A CN201910958350 A CN 201910958350A CN 110779990 B CN110779990 B CN 110779990B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- laser
- waves
- defects
- sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 140
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 88
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 44
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 21
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 44
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 206010063385 Intellectualisation Diseases 0.000 description 1
- 235000019687 Lamb Nutrition 0.000 description 1
- 235000011203 Origanum Nutrition 0.000 description 1
- 240000000783 Origanum majorana Species 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，在二维扫描条件下，利用激发的斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个传播方向路径的交叉点对内部缺陷进行定位检测；利用斜透射超声体波幅值衰减或波前时延定量检测内部缺陷。经缺陷衰减和透射作用后的斜透射超声体波和底面反射横波的幅值远大于缺陷的反射波或衍射波幅值，克服了检测亚毫米微缺陷时超声信号弱、信噪比低的问题；斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波分别从三个方向与缺陷相互作用，依据衰减位置的三个超声波交叉点可以准确定位内部缺陷，且能够实现对多缺陷的准确定量检测；适用于对检测材料内部亚毫米级多缺陷定位和定量检测。
Description
技术领域
本发明涉及材料无损检测技术领域，具体涉及一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法。
背景技术
在工程建设等诸多领域，内部缺陷的存在会严重影响材料的质量和性能，因此，对材料内部缺陷进行及时准确地无损检测具有重要意义。随着工业自动化及智能化的发展，未来对无损检测方法的需求是应具有非接触、在线、高精高效等检测能力。作为一种新兴的无损检测手段，激光超声技术具有非接触、无辐射、检测速度快、空间分辨率高等优点，在材料内部缺陷检测方面具有广阔的应用前景。目前，国内外研究者针对材料内部缺陷检测已经开展了许多激光超声检测方法的研究工作，激光超声能够在材料中激发出多种模式的超声波，如声表面波、体波(横波和纵波)、兰姆波等，能够实现对材料表面、近表面以及材料内部多种类型缺陷的无损检测。激光超声检测方法主要有四大类：导波法、脉冲反射体波法、体波透射法和衍射飞行时差法。导波法适用于薄板材料内部缺陷、材料近表面或界面处的缺陷检测。文献1[J.M.Chen,P.W.Tse,H.C.Zhang.Integrated optical Mach–Zehnderinterferometer-based defect detection using a laser-generated ultrasonicguided wave[J].Optics Letters,2017,42(21):4255-4258.]利用激光在薄板材料中激发出兰姆波，根据兰姆波的时频特征变化对内部缺陷进行无损检测。
当材料厚度较大(厚度远大于检测声波的波长)时，通常采用后三种方法(脉冲反射体波法、体波透射法和衍射飞行时差法)利用激光激发超声体波对内部缺陷进行检测，其检测原理示意图如图1所示。
文献2[饶昌勇,王志全,张友良,等.激光超声探伤方法.专利号:201510232971.3.]在被测材料表面耦合增强介质来提高激光激发超声波的强度，通过缺陷对超声波的反射或散射信号来测定缺陷。文献3[G.Diot,A.K.David,H.Walaszek,etal.Non-destructive testing of porosity in laser welded aluminium alloyplates-laser ultrasound and frequency-bandwidth analysis[J].Journal ofNondestructive Evaluation,2013,32:354-361.]利用激光超声透射纵波法实现了焊接材料内部缺陷的定量检测。文献4[C.Pei,T.Fukuchi,K.Koyama,et al.A study of internaldefect testing with the laser-EMAT ultrasonic method[J].IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2012,59:2702-2708.]利用激光超声TOFD方法研究了内部通孔缺陷对超声横波的衍射作用，依据两个衍射波的时间差对缺陷进行了定量分析，但由于缺陷的衍射波幅值较小，当缺陷小于1mm时两个衍射波即湮没在噪声中。
脉冲反射法尤其适用于较大的、平底孔缺陷；相比于脉冲反射法，缺陷透射波的幅值强度要明显大于缺陷反射波，检测缺陷的灵敏度和分辨率也更高，但是，透射法最大的缺点在于很难定位缺陷的深度；TOFD方法对狭长形缺陷较为敏感，然而由于超声体波与缺陷作用后衍射波模式众多，时域波形较为复杂，同时受缺陷的位置和走向等特性影响，衍射波的幅值和到达时间不稳定，容易与底面的各种反射波发生叠加，给亚毫米缺陷尤其是多缺陷的定位和定量检测增加了较大难度。
利用上述激光超声检测方法对材料内部多缺陷(尤其是亚毫米级小缺陷)进行定位定量检测时还存在一些技术难题，主要体现在以下三点
(1)针对亚毫米级微缺陷，脉冲反射法和衍射时差法可以定量缺陷的尺寸和深度位置，但其散射信号弱，信噪比低，灵敏度和稳定性不好；透射法的透射体波信号较强，但是利用体波的幅值变化难以获得缺陷的深度位置信息；
(2)上述检测方法主要是利用超声幅值变化对缺陷进行检测，但在激光超声扫描检测的过程中，若被测样品内部力学性质或表面粗糙度分布不均匀，会造成超声波信号的幅值波动和低信噪比，难以准确有效检测出微小的内部缺陷，影响检测的灵敏度和稳定性；
(3)当材料内部的多个缺陷同时分布在超声波的检测方向上时，上述检测方法无法准确获取所有缺陷在深度方向的位置，存在漏检或误判的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：对于亚毫米级小缺陷，尤其是在材料内部存在多个缺陷时，采用传统的脉冲反射体波法、体波透射法或衍射飞行时差法检测时，存在检测灵敏度和准确度不足的问题，本发明提供了解决上述问题的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法。本发明通过下述技术方案实现：
一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，在激光超声的二维扫描条件下，利用激发的斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个传播方向路径的交叉点对内部缺陷进行定位检测；利用斜透射超声体波幅值衰减或波前时延定量检测内部缺陷。
进一步地，一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，包括以下步骤：
步骤A，激光器发射出脉冲激光，且以圆形或线形激发光源辐照在样品的上表面，产生斜透射超声体波和底面入射超声横波并向样品的底面传播；
步骤B，激光干涉仪I发射出连续的探测激光辐照在样品的底面，用于探测斜透射超声体波的超声波信号f(x,y,t)；
步骤C，激光干涉仪Ⅱ发射出连续的探测激光辐照在样品的上表面，用于探测底面入射超声横波经样品底面反射横波的超声波信号g(x,y,t)；
步骤D，激光器、激光干涉仪I和激光干涉仪Ⅱ三者保持相对位置不变，三者同步对样品进行二维扫描，利用斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个方向对样品内部缺陷进行检测；
步骤E，在每个x-z面内，即y切片内，沿x轴的扫描方向上移动样品得到超声波扫描图，可优选为获得超声波扫描B图，依据超声波信号的幅值衰减极值或时延值的极大值来检出缺陷；利用斜透射超声体波定位得到所有缺陷检出位置处激发光源辐照在样品上的x坐标位置xfi，其中i＝1,2,3…N，N为正整数；利用底面入射超声横波在样品底面反射横波定位得到所有缺陷检出位置处激发光源辐照在样品上的x坐标位置xgj，其中j＝1,2,3…M，M为正整数；然后依据激发光源的x坐标绘制斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波在缺陷处的传播路径，利用超声波这三个传播方向的路径交叉对应得到多个缺陷在样品x-z面的二维位置坐标(xdi,zdi)；
步骤F，通过在x-y方向上进行二维扫描，依据缺陷在样品中所有扫描位置y处x-z面的二维位置确定缺陷在样品中的三维位置分布，结合所有扫描位置y处x-z面内的超声波的幅值衰减或时延值定量缺陷的三维尺寸。
进一步地，所述步骤A中，激光器发射出脉冲激光经凸透镜聚焦后形成圆形或线形激发光源。步骤A中若激发光源为圆形光源，直径D范围为0.1mm≤D≤1.0mm；步骤A中若激发光源为线形光源，线源宽度d范围为0.1mm≤d≤0.5mm，线源长度l范围为2.0mm≤l≤6.0mm。
进一步地，所述斜透射超声体波为超声纵波或超声横波；优选幅值较大者作为检测波。
进一步地，所述步骤B中，激光干涉仪I探测到的斜透射超声体波的传播方向与样品表面法向的夹角为θf，所述θf的范围为0°≤θf≤25°。
进一步地，所述步骤C中，激光干涉仪Ⅱ探测到的底面反射横波的传播方向与样品表面法向的夹角为θg，θg的范围为35°≤θg≤50°；激发光源与激光干涉仪Ⅱ探测激光的距离L为2Htanθg，H为样品厚度。
进一步地，所述斜透射超声体波和底面入射超声横波两者传播方向的夹角不小于15°，即|θg-θf|≥15°。
进一步地，所述二维扫描通过控制样品移动、或通过控制激光器和探测器移动，使样品与激光器及探测器发生相对移动；所述探测器为激光干涉仪Ⅱ和激光干涉仪I；在x-y平面内，扫描路径呈蛇形扫描移动，扫描的步长长度小于等于期望检出的最小缺陷直径的1/2。
进一步地，所述步骤E中，超声波信号的时延值获得方法为：选取在样品无缺陷位置处由激光干涉仪Ⅱ和激光干涉仪Ⅰ分别探测到的超声波信号g0和f0作为参考波；然后分别与超声波信号g(x,y,t)和f(x,y,t)进行互相关运算，计算波形互相关系数最大处的时延值，得到每个扫描位置(xi,yi)处超声波信号g(xi,yi,t)和f(xi,yi,t)对应的时延值Δtg和Δtf。
优先选取在样品(8)无缺陷位置处由激光干涉仪Ⅱ和激光干涉仪Ⅰ分别探测到的信噪比SNR≥10的超声波信号g0和f0作为参考波；若扫描得到超声波信号的信噪比SNR≤5，可先对超声波信号进行时域平滑、带通滤波降噪处理或空域二维中值滤波处理，提高超声波信号的信噪比。
进一步地，步骤F中，依据超声波信号g(x,y,t)和f(x,y,t)的幅值衰减极值或时延值极大值检出缺陷；然后利用作图法绘出斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波三个传播方向的超声波在检出缺陷位置处的传播路径，三个传播方向路径的共同交叉点为缺陷的位置(xdi,zdi)，路径的共同交叉点与多缺陷在x-z面的二维位置坐标(xdi,zdi)存在映射关系，通过在y方向上逐步扫描，即可得到内部缺陷的三维位置(xdi,yi,zdi)。
超声波信号的幅值衰减值或时延值的大小与缺陷尺寸存在定量的对应关系，相比于利用超声波信号的幅值衰减，利用超声波信号的时延值来定位和定量缺陷，不受扫描过程中幅值波动和噪声的影响，能够更加准确、稳定表征多缺陷的三维位置和尺寸。
本发明还通过设置示波器、工控机和平移台等仪器提高检测自动化水平；所述示波器接收、显示并记录探测得到的超声波信号，所有超声波信号经示波器被传输并存储入工控机；所述工控机控制平移台沿扫描路径进行二维运动，平移台上固定样品，从而带动样品进行二维扫描。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了材料内部亚毫米级多缺陷定位和定量检测的新方法，即横波阴影交叉法，利用斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个方向对缺陷进行检测，依据超声信号波衰减位置处三个传播方向路径的交叉点来准确定位内部多缺陷；并依据斜透射超声体波波前时延来定量检测内部缺陷。本发明被测样品的厚度可为5mm～20mm，被测样品的材料为金属或非金属材料。
本发明的检测方法和原理如图2-图4所示。该方法利用激光在热弹机制下激发的斜透射超声体波和底面反射横波同时对内部缺陷进行无损检测。检测过程如下：激光干涉仪I(4)发出激光检测斜透射超声体，激光干涉仪Ⅱ(3)发探测激光检测底面反射横波；保证激发与探测光的相对位置不变，扫描移动激光和/或样品进行检测；在扫描过程中，斜透射超声体波和底面反射横波(底面入射横波+底面反射横波)分别会被材料中的同一缺陷衰减一次和两次。该检测方法同时利用斜透射超声体波、底面入射横波+底面反射横波从三个方向上与内部缺陷作用，依据透射波的波前时延、幅值衰减及其与底面反射波的路径交叉来实现无损检测，在亚毫米级多缺陷的定位和定量方面具有独特的优势。具体优势如下：
(1)经缺陷衰减和透射作用后的斜透射超声体波和底面反射横波的幅值远大于缺陷的反射波或衍射波幅值，克服了检测亚毫米微缺陷时超声信号弱、信噪比低的问题；
(2)斜透射超声体波和底面反射横波的传播方向和到达时间可以固定，不受缺陷位置影响，检测信号稳定，利于信号处理和分析；
(3)斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波分别从三个方向与缺陷相互作用，依据衰减位置的三个超声波交叉点可以准确定位内部缺陷，克服了多缺陷在某个方向上存在重合分布而干扰检测的问题，能够实现多缺陷的准确定位；
(4)利用斜透射超声体波与缺陷作用后的波前时延对内部缺陷进行定量检测，克服了扫描检测过程中超声信号幅值波动对缺陷检测灵敏度的影响，定量检测结果更加准确和稳定。横波与内部缺陷作用时会产生多种模式的超声波，如透射横波、反射纵波、反射横波、沿缺陷边界传播的爬波以及爬波辐射波等。其中，透射横波的幅值较强，并且与缺陷作用后，直达横波的波前会与一次爬波辐射波相连，形成透射横波的连续波前，由于爬波与横波的传播速度不一致以及缺陷的尺寸原因，斜透射横波的波前在缺陷阴影区域会形成时延滞后，而利用透射波前时延来定量检测内部缺陷的研究尚未见报道。另外，利用幅值衰减和波前时延来定量检测缺陷，避免了由于横波的球面波前或柱面波前在传播过程中产生的缺陷阴影放大问题，定量检测结果将更加准确。
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为激光超声体波检测材料内部缺陷的三种方法示意图；从左到右依次为脉冲反射体波法、体波透射法和衍射飞行时差法；图中A表示激发光，B表示探测光，C表示缺陷，双箭头表示扫描方向；
图2为本发明的材料内部缺陷的激光超声路径交叉检测方法示意图；
图3为本发明的检测原理示意图；
图4为本发明在x-y面内扫描路径示意图；
图5为本发明斜透射超声体波与缺陷相互作用后的波前时延分布示意图；
图6为本发明斜透射超声体波扫描检测内部缺陷得到的超声B扫描图；
图7为本发明斜透射超声体波的波前时延值随扫描位置变化的分布及其高斯拟合曲线图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-激光器，2-凸透镜，3-激光干涉仪II，4-激光干涉仪I，5-示波器，6-工控机，7-平移台，8-样品，9-缺陷，10-斜透射超声体波，11-底面入射超声横波，12-扫描方向，13-扫描路径。
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
本实施例提供一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，具体实施方案如下所述：
铝合金样品规格为120mm×80mm×10mm，内部钻有多个侧通孔缺陷，直径分别为0.5mm和0.8mm，分布样品同一水平位置不同深度位置上，如图2所示。
Nd：YAG激光器1激发出波长1064nm、脉宽10ns、重复频率30Hz、单脉冲能量20mJ的脉冲激光，经过凸透镜2(采用柱面透镜)后聚焦为5mm×0.2mm的线形光源辐照在铝合金样品8的上表面，激发出超声体波分为斜透射超声体波10和底面入射超声横波11向样品8内部传播，此处斜透射超声体波10为超声横波。
采用两路探测激光分别探测：激光干涉仪I4发射出波长为532nm、功率为200mW的连续的探测激光辐照在样品8的底面，用于非接触探测斜透射超声体波10的超声波信号f(x,y,t)，激发光源辐照在样品8上表面接触点I，激光干涉仪I4的探测激光辐照在样品8的下表面接触点II，接触点I和接触点II的连线与样品表面法向的θf为15°，即斜透射超声体波10的传播方向与样品8表面法向的夹角为θf＝15°。激光干涉仪Ⅱ3发射出连续的探测激光辐照在样品8的上表面，用于探测底面入射超声横波11经样品8底面反射横波的超声波信号g(x,y,t)；激发激光和探测激光能根据需要调整位置。激光干涉仪Ⅱ3探测到的底面反射横波的传播方向与样品8表面法向的夹角为θg，H为样品厚度10mm，则θg＝45°，激发光源与激光干涉仪Ⅱ3探测激光的距离L＝2Htanθg＝20mm，激光干涉仪Ⅱ3的探测激光的聚焦点位于激发线光源的中轴线上。
样品8被固定在二维电控平移台7上，按图4所示的扫描路径13进行扫描检测，在x-y平面内，扫描路径13呈蛇形扫描移动。为检出直径0.5mm以上的内部缺陷，扫描步长设置为0.2mm，在y方向上每次移动一步，然后在x-z面内沿x方向进行扫描检测。
激发激光器1发出的触发信号以及激光干涉仪I4和激光干涉仪Ⅱ3探测得到的超声波信号均由示波器5接收并显示，超声波信号被平均10次以提高超声波信号的信噪比，然后传输到工控机6上进行信号处理和存储。
斜透射超声体波与内部缺陷作用时会产生沿缺陷边界传播的爬波，爬波便沿缺陷界面传播便辐射横波，与未经过缺陷的超声横波的波前相连，形成连续的超声透射横波的波前。由于爬波与横波的传播速度不一致以及缺陷的尺寸原因，经缺陷作用后的斜透射横波波前与无缺陷作用的横波波前相比，会形成较为明显的波前时间延迟，如图5所示。利用该时延可对内部缺陷进行定量检测。
在每一个y方向的yi位置处均可分别得到斜透射超声体波和底面反射横波的超声B扫描图。若样品8内部存在两个缺陷，在斜透射超声体波的B扫描图中则至多有两个位置存在时延，如图6所示；在底面反射横波的超声B扫描图中至多有四个位置存在时延。
利用波形互相关算法来提取波形时延值，方法如式(1)所示：
其中，r(t)为在B扫描检测图中无缺陷位置处选定的一个信噪比较好的超声波信号，将其作为参考波形，s(t)为任意扫描位置处的超声波信号，B(τ)为r(t)和s(t)这两个波形互相关运算后的归一化互相关系数。当相关系数到最大时，说明两个超声波信号的波形最相关，此时τ的取值即为两信号的相关时延值Δt。通过该方法将超声B扫描图中每个扫描位置xi处的超声波信号波形与信号参考波形逐一进行互相关运算即可求得所有扫描位置处超声波信号的波形时延值。如图7所示，利用高斯拟合时延峰值数据，依据高斯峰值位置确定准确的缺陷时延位置。
依据超声波信号g(x,y,t)和f(x,y,t)的时延值极大值检出缺陷9；然后利用作图法绘出斜透射超声体波10、底面入射超声横波11和底面反射横波三个传播方向的超声波在检出缺陷9位置处的传播路径，三个传播方向路径的共同交叉点为缺陷9的位置(xdi,zdi)，路径的共同交叉点与多缺陷在x-z面的二维位置坐标(xdi,zdi)存在映射关系，如图3所示。通过在y方向上逐步扫描，即可得到内部缺陷的三维位置(xdi,yi,zdi)。
同时，缺陷位置处的波形时延值与缺陷尺寸存在定量关系，依据缺陷位置、超声波速以及时延值即可反向计算得到缺陷的尺寸。通过在x-y方向上进行二维扫查，即可得到内部缺陷的三维尺寸。
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 (8)
1.一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，在激光超声的二维扫描条件下，利用激发的斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个传播方向路径的交叉点对内部缺陷进行定位检测；利用斜透射超声体波波前时延定量检测内部缺陷；
包括以下步骤：
步骤A，激光器（1）发射出脉冲激光，且以圆形或线形激发光源辐照在样品（8）的上表面，产生斜透射超声体波和底面入射超声横波并向样品（8）的底面传播；
步骤B，激光干涉仪Ⅰ（4）发射出连续的探测激光辐照在样品（8）的底面，用于探测斜透射超声体波的超声波信号f (x, y, t)；
步骤C，激光干涉仪Ⅱ（3）发射出连续的探测激光辐照在样品（8）的上表面，用于探测底面入射超声横波经样品（8）底面反射横波的超声波信号g (x, y, t)；
步骤D，激光器（1）、激光干涉仪Ⅰ（4）和激光干涉仪Ⅱ（3）三者保持相对位置不变，三者同步对样品（8）在x-y方向上进行二维扫描，利用斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波从三个方向对样品（8）内部缺陷（9）进行检测；
步骤E，在每个y处的x-z面内，沿x轴方向移动样品（8）进行扫描，得到超声波扫描图，依据超声波信号g (x, y, t)和f (x, y, t)的时延值的极大值来检出缺陷（9）；利用斜透射超声体波定位得到所有缺陷（9）检出位置处激发光源辐照在样品（8）上的x坐标位置xf i ，i=1, 2, 3…N，N为正整数，i表示激光干涉仪Ⅰ（4）发射的探测激光探测得到的第i个缺陷信号；利用底面入射超声横波在样品（8）底面反射横波定位得到所有缺陷（9）检出位置处激发光源辐照在样品（8）上的x坐标位置xg j ，j= 1, 2, 3…M，M为正整数，j表示激光干涉仪Ⅱ（3）发射的探测激光探测得到的第j个缺陷信号；然后利用作图法依据激发光源的x坐标绘制斜透射超声体波、底面入射超声横波和底面反射横波三个传播方向的超声波在缺陷（9）处的传播路径，利用超声波这三个传播方向的路径的共同交叉点对应得到多个缺陷（9）在样品（8）每个y处的x-z面的二维位置坐标（x k , z k ），k=1, 2, 3…A，A为正整数，k表示第k个缺陷；
步骤F，通过在y方向上逐步扫描，依据缺陷（9）在样品（8）中所有扫描位置y处x-z面的二维位置确定缺陷（9）在样品（8）中的三维位置分布，得到内部缺陷（9）的三维位置（x k ,y k ,z k ），结合所有扫描位置y处x-z面内的超声波的时延值定量缺陷（9）的三维尺寸；
所述步骤E中，超声波信号的时延值获得方法为：选取在样品（8）无缺陷位置处由激光干涉仪Ⅱ（3）和激光干涉仪Ⅰ（4）分别探测到的超声波信号g 0 和f 0 作为参考波；然后分别与超声波信号g (x,y, t)和f (x, y, t)进行互相关运算，计算波形互相关系数最大处的时延值，得到每个扫描位置(x, y)处超声波信号g (x, y, t)和f (x, y, t)对应的时延值Δt g 和Δt f 。
2.根据权利要求1所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，所述步骤A中，激光器（1）发射出脉冲激光经凸透镜（2）聚焦后形成圆形或线形激发光源。
3.根据权利要求1所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，所述斜透射超声体波为超声纵波或超声横波。
4.根据权利要求3所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，选择斜透射超声体波中的超声纵波或超声横波中幅值较大者作为检测波。
5.根据权利要求1所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，所述步骤B中，激光干涉仪Ⅰ（4）探测到的斜透射超声体波的传播方向与样品（8）表面法向的夹角为θ f ，所述θ f 的范围为0°≤θ f ≤25°。
6.根据权利要求5所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，所述步骤C中，激光干涉仪Ⅱ（3）探测到的底面反射横波的传播方向与样品（8）表面法向的夹角为θ g ，θ g 的范围为35°≤θ g ≤50°；激发光源与激光干涉仪Ⅱ（3）探测激光的距离L为2Htanθ g ，H为样品厚度。
7.根据权利要求6所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，所述斜透射超声体波和底面入射超声横波两者传播方向的夹角不小于15°，即|θ g -θ f | ≥15°。
8.根据权利要求1所述的一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法，其特征在于，二维扫描通过控制样品（8）移动、或通过控制激光器和探测器移动，使样品（8）与激光器及探测器发生相对移动；所述探测器为激光干涉仪Ⅱ（3）和激光干涉仪Ⅰ（4）；在x-y平面内，扫描路径呈蛇形扫描移动，扫描的步长长度小于等于期望检出的最小缺陷直径的1/2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910958350.1A CN110779990B (zh) | 2019-10-10 | 2019-10-10 | 一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910958350.1A CN110779990B (zh) | 2019-10-10 | 2019-10-10 | 一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110779990A CN110779990A (zh) | 2020-02-11 |
| CN110779990B true CN110779990B (zh) | 2022-06-17 |
Family
ID=69384961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910958350.1A Active CN110779990B (zh) | 2019-10-10 | 2019-10-10 | 一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110779990B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102766042B1 (ko) | 2020-02-27 | 2025-02-12 | 클리블랜드-클리프스 스틸 프로퍼티즈 인코포레이티드 | 슬래브의 연속 캐스터 관련 결함의 검출 및 제거 |
| CN112067696A (zh) * | 2020-09-30 | 2020-12-11 | 北京石油化工学院 | 一种基于激光超声检测管道表面缺陷的系统 |
| CN112539698B (zh) * | 2020-11-09 | 2021-12-31 | 北京工业大学 | 一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法 |
| CN113029966A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-25 | 武汉理工大学 | 一种用于薄壁高筋构件缺陷的激光超声无损检测方法 |
| CN116593589A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-15 | 中国铁路设计集团有限公司 | 大体积混凝土结构三维超声波智能检测方法 |
| CN118897012A (zh) * | 2024-07-16 | 2024-11-05 | 天津大学 | 一种塑封元器件内部缺陷的检测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1061333A1 (de) * | 1999-03-09 | 2000-12-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Abstandbestimmung unter Verwendung von Ultraschall und Ultraschallprüfkopf |
| CN102439436A (zh) * | 2009-05-14 | 2012-05-02 | 通用电气传感与检测科技有限公司 | 利用超声波对工件进行无损检测的测试探头、测试探头组件以及测试装置 |
| CN103808802A (zh) * | 2014-02-26 | 2014-05-21 | 南京理工大学 | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 |
| CN109374627A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-02-22 | 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 | 一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法 |
-
2019
- 2019-10-10 CN CN201910958350.1A patent/CN110779990B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1061333A1 (de) * | 1999-03-09 | 2000-12-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Abstandbestimmung unter Verwendung von Ultraschall und Ultraschallprüfkopf |
| CN102439436A (zh) * | 2009-05-14 | 2012-05-02 | 通用电气传感与检测科技有限公司 | 利用超声波对工件进行无损检测的测试探头、测试探头组件以及测试装置 |
| CN103808802A (zh) * | 2014-02-26 | 2014-05-21 | 南京理工大学 | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 |
| CN109374627A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-02-22 | 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 | 一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 弹性波斜入射声子晶体的缺陷模及其转型;刘启能;《计算物理》;20100125(第01期);第131-136页 * |
| 材料内部缺陷的激光超声反射横波双阴影检测方法;孙凯华等;《中国激光》;20180312(第07期);第0710001-1至0710001-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110779990A (zh) | 2020-02-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110779990B (zh) | 一种材料内部多缺陷的激光超声三维定位定量检测方法 | |
| CN107688051B (zh) | 一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷宽度的测量方法 | |
| CN107747922B (zh) | 一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法 | |
| CN106017371B (zh) | 基于激光超声的表面缺陷开口宽度的测量装置及其方法 | |
| CN110672047B (zh) | 高温金属材料厚度的激光超声测量方法 | |
| Ying et al. | Multi-mode laser-ultrasound imaging using Time-domain Synthetic Aperture Focusing Technique (T-SAFT) | |
| CN103808802B (zh) | 一种材料内部缺陷的全光学激光超声测定方法 | |
| US12222324B2 (en) | Ultrasonic inspection system and ultrasonic inspection method | |
| Römmeler et al. | Air coupled ultrasonic defect detection in polymer pipes | |
| CN109374627A (zh) | 一种材料内部缺陷的激光超声透射时延检测方法 | |
| KR101746922B1 (ko) | 전영역 펄스-에코 레이저 초음파전파영상화 장치 및 방법 | |
| Dai et al. | Defect imaging based on laser ultrasonic frequency domain synthetic aperture focusing technology with separated generation–detection and 2-D equivalent velocity mapping | |
| JP7463202B2 (ja) | 超音波検査装置及び超音波検査方法 | |
| JP5633059B2 (ja) | 超音波探傷の感度設定方法および超音波探傷装置 | |
| JP5672725B2 (ja) | Ｓｈ波の発生方法および超音波計測方法 | |
| Salzburger | EMAT's and its Potential for Modern NDE-State of the Art and Latest Applications | |
| CN113406003B (zh) | 基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置及方法 | |
| JP2004150875A (ja) | 超音波による内部欠陥の映像化方法、及び、装置 | |
| JPH1078415A (ja) | 非接触非破壊の材料評価方法とその装置及び弾性波励起方法と弾性波励起装置 | |
| Vangi et al. | Signal enhancement in surface crack detection with gas-coupled laser acoustic detection | |
| CN111665296B (zh) | 基于emat测量超声换能器三维辐射声场的方法及装置 | |
| CN114935547B (zh) | 管道硬度内检方法及系统 | |
| JP2008261889A (ja) | 超音波による内部欠陥の映像化方法、及び、装置 | |
| Sun et al. | Study of laser-generated longitudinal waves interacting with an internal spherical cavity by use of a transmission time delay method | |
| Caron et al. | Gas coupled laser acoustic detection for ultrasound inspection of composite materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |