一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法及系统，所述检测方法包括以下步骤：PLC控制两激光器同时发出两束中心频率不同的激光，通过光路系统集成作用于待测含缺陷青铜器表面的同一点；在待测青铜器受激光辐射同侧表面放置电容式位移传感器测量激光激发超声信号；接收的超声信号经数据采集系统集成存储于数据处理系统用于频率分析使用；通过数据处理系统集成可以对青铜器表面或亚表面存在的缺陷进行二维平面成像检测；进而可以对缺陷深度进行检测。本发明专利技术方法及其系统能够扫描检测到青铜器表面或亚表面缺陷的三维位置及尺寸信息，具有高效率、高精度、对被测体无损伤等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于考古领域，尤其涉及一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法；本专利技术还涉及一种实施上述青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法的系统。
技术介绍
我国是一个历史悠久的文明古国，随着中国考古事业的发展，发掘出土了大量青铜器文物。青铜器文物主要是指：古代传统工艺制作的，以锡、铅、铜为基本元素的青铜器物。由于年代久远，特别是那些埋藏在地下被挖掘出土的青铜器文物，在其表面及亚表面出现缺损断裂或缺损空洞是常有的情况。且对于青铜器文物缺损部位的修复，传统修复方法常采用灌缝、填缝和补块等方法。这些方法都需要使用到粘结剂，粘结剂本身的老化又不可避免，所以即使是修复后的青铜器在其缺损部位还是容易出现二次老化、缺损及开裂。发现青铜器表现及亚表面的这些微小缺陷进而进行修复对青铜器的存储具有极其重要的意义。国内外现有青铜器表面及亚表面微裂纹检测方式大体分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量因为对青铜器表面及亚表面有一定损伤、在线测量难度大等劣势基本已被非接触式测量所取代，接触式测量对青铜器表面及亚表面有一定损伤是因为：（1）传感器在青铜器表面及亚表面直接接触作用可能直接划伤青铜器表面及亚表面，（2）耦合剂为有机物质，可能对被测青铜器产生腐蚀作用。目前常用的非接触式测量方法主要有：常规超声检测、放射性射线检测、激光超声检测等。其中，放射性射线检测因为对环境、人体具有较大损伤已基本放置不用。当前用的较多的是传统超声检测以及激光超声检测方法。然而，由于在某些特殊条件下，传统超声检测所使用的耦合剂会出现失效问题，且传统超声需要由压电传感器接触青铜器表面及亚表面进行发射、接收，因此存在检测效率低下、存在检测盲区等问题，因而越来越多的学者、企业开始选用激光超声检测方法进行青铜器表面及亚表面裂纹检测。公布号CN102608123A，名称“一种用于微缺陷的激光超声检测方法”是较典型的利用激光超声检测缺陷应用实例。然而该专利所述装置进行缺陷检测存在以下问题：（1）只能定性预测缺陷存在，不能给出缺陷的三维尺寸信息；（2）空气耦合探头接收到的异常散射信号不一定是由青铜器表面及亚表面缺陷引起，青铜器表面及亚表面本身属性的异常，如属性分布各向异性等也会引起超声信号异常而导致系统误判。公布号“CN104345092A”，名称“一种扫差式激光超声检测方法及其系统”是较新的利用激光超声进行缺陷检测实例。然而，这些专利在应用中仍然存在下列问题：（1）在青铜器表面及亚表面/试块上表面激发超声波，但在青铜器表面及亚表面/试块对心处（下表面对应点）利用纵波/体波探头接收超声波。事实上，想要在青铜器下表面对心处安装超声探头颇为不易，会受到青铜器空间尺寸限制；且一如之前所述，纵波/体波探头因为需要使用耦合剂，会对青铜器产生腐蚀作用，直接限制了这些专利装置的使用场合。(2)这些专利装置在缺陷检测中，仅利用了激光所激发的纵波/体波信号。而在激光激发超声过程中，纵波/体波信号所含能量是非常弱小的，表面波包含能量才最大，约为纵波/体波能量的5-10倍。这也是为何CN103808802A需要在被测材料受辐射面添加“透明覆盖层”以增大体波能量的原因，然而“透明覆盖层”的增加不仅可能对被测青铜器表面及亚表面造成污染，更因为需要与青铜器表面及亚表面直接接触的原因，不能直接在特殊环境条件下（如无氧状态等）使用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的上述不足，提供一种（1）完全非接触、能对在各种条件下存放的青铜器表面及亚表面进行检测；（2）能充分利用激光超声所有能量，做到超声利用率最大化；（3）光斑直径尺寸不受缺陷尺寸限制，能高效、高精度对缺陷三维尺寸做出检测的基于非线性超声频率混合技术的青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法。与此相应，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种实施上述基于非线性超声频率混合技术的青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法的系统，能够对缺陷三维尺寸做出高效、高精度的检测。本专利技术所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法是采用如下技术方案实现的：一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，包括以下步骤：（1）通过PLC控制激光发射器一与激光发射器二同时发射两束中心频率不同的激光脉冲束一与激光脉冲束二，控制两束激光使它们能够同时入射到光路调节系统并作为触发信号打开高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态；所述光路调节系统按照上位机指令控制两束重叠激光束对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测；两束重叠激光束同时入射到待检测的含缺陷青铜器上表面的同一点；（2）在待检测的含缺陷青铜器被激光辐射的同一侧的表面上方放置电容式位移传感器以接收激光在青铜器表面激发的超声信号；接收到的超声信号经数据采集系统集成进入数据处理系统集成，当重叠激光束扫描至缺陷位置附近时，因缺陷存在激光超声信号发生非线性频率混合现象导致新的超声频率成分的产生，数据处理系统集成通过对新产生的超声频率成分进行分析可以快速对缺陷长宽二维信息进行成像处理；（3）确定缺陷长宽二维尺寸信息后，可以进一步利用数据处理系统对电容式位移传感器接收到的衍射过缺陷的超声信号进行分析得到缺陷深度尺寸信息。所述激光脉冲束一的中心频率应与被测青铜器共振频率相同或相近，激光脉冲束二的中心频率最大不超过激光脉冲束一中心频率值的1/10。所述的两束激光脉冲束经过光路系统集成后应同时入射到待测含缺陷青铜器上表面的同一点。所述的对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测的激光扫描路线为周期方波形，扫描点与点之间间隔为0.2mm。所述的数据处理系统可以将青铜器表面及亚表面缺陷的形状、尺寸以图像形式精确、定量表示出来。本专利技术所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统是采用如下技术方案实现的：一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，包括光路系统集成、数据采集系统集成以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括三维移动平台、控制激光发射器用PLC以及集成有两台激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜；控制柜设在三维移动平台上；所述光路调节系统用于将两台激光发射器发射的中心频率不同的激光脉冲束一和激光脉冲束二汇聚成一点，并将重叠后的激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束作为触发信号，第二激光束入射到扫描振镜的中心位置，在PLC的控制下扫描振镜可以控制第二激光束以一定速度在待检测的含缺陷青铜器上表面一定范围内进行扫描入射；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、配有触发电路的高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在待检测的含缺陷青铜器上表面第一距离处与待检测的含缺陷青铜器为非接触式测量关系；电容式位移传感器的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连接，前置放大器的信号输出端与高速数据采集卡的信号输入端相连接；所述高速数据采集卡的触发电路位于第一激光束的光路上；所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，高速数据采集卡的信号输出端与数据处理系统的信号输入端相连接，数据处理系统的信号输出端与显示屏相连接。进一步的，所述光路调节系统包括顺次位于两台激光发射器出射光路上的第一凸透镜、分光镜、第二凸透镜以及反射镜；所述触发电路位于分光镜的反射光路上，第二凸透镜以及反射镜顺次位于分光镜的透射光路上；所述扫描振镜位于反射镜的反射光路上；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过PLC控制激光发射器一与激光发射器二同时发射两束中心频率不同的激光脉冲束一与激光脉冲束二，控制两束激光使它们能够同时入射到光路调节系统并作为触发信号打开高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态；所述光路调节系统按照上位机指令控制两束重叠激光束对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测；两束重叠激光束同时入射到待检测的含缺陷青铜器上表面的同一点；（2）在待检测的含缺陷青铜器被激光辐射的同一侧的表面上方放置电容式位移传感器以接收激光在青铜器表面激发的超声信号；接收到的超声信号经数据采集系统集成进入数据处理系统集成，当重叠激光束扫描至缺陷位置附近时，因缺陷存在激光超声信号发生非线性频率混合现象导致新的超声频率成分的产生，数据处理系统集成通过对新产生的超声频率成分进行分析可以快速对缺陷长宽二维信息进行成像处理；（3）确定缺陷长宽二维尺寸信息后，可以进一步利用数据处理系统对电容式位移传感器接收到的衍射过缺陷的超声信号进行分析得到缺陷深度尺寸信息。

【技术特征摘要】
1.一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过PLC控制激光发射器一与激光发射器二同时发射两束中心频率不同的激光脉冲束一与激光脉冲束二，控制两束激光使它们能够同时入射到光路调节系统并作为触发信号打开高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态；所述光路调节系统按照上位机指令控制两束重叠激光束对待检测的含缺陷青铜器表面进行二维扫描检测；两束重叠激光束同时入射到待检测的含缺陷青铜器上表面的同一点；（2）在待检测的含缺陷青铜器被激光辐射的同一侧的表面上方放置电容式位移传感器以接收激光在青铜器表面激发的超声信号；接收到的超声信号经数据采集系统集成进入数据处理系统集成，当重叠激光束扫描至缺陷位置附近时，因缺陷存在激光超声信号发生非线性频率混合现象导致新的超声频率成分的产生，数据处理系统集成通过对新产生的超声频率成分进行分析可以快速对缺陷长宽二维信息进行成像处理；（3）确定缺陷长宽二维尺寸信息后，可以进一步利用数据处理系统对电容式位移传感器接收到的衍射过缺陷的超声信号进行分析得到缺陷深度尺寸信息。2.如权利要求1所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，激光脉冲束一的中心频率应与待检测的含缺陷青铜器共振频率相同或相近，激光脉冲束二的中心频率最大不超过激光脉冲束一中心频率值的1/10。3.如权利要求1或2所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，对待检测的含缺陷青铜器进行二维扫描检测的激光扫描路线为周期方波，扫描点与点之间间隔为0.2mm。4.如权利要求1或2所述的一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测方法，其特征在于，所述的数据处理系统集成可以将青铜器表面及亚表面缺陷的形状、尺寸以图像形式精确、定量表示出来。5.一种青铜器表面及亚表面微缺陷检测系统，用于实施权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括光路系统集成、数据采集系统集成以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括三维移动平台、控制激光发射器用PLC（1）以及集成有两台激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜（2）；控制柜（2）设在三维移动平台上；所述光路调节系统用于将两台激光发射器发射的中心频率不同的激光脉冲束一和激光脉冲束二汇聚成一点，并将重叠后的激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束作...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷水，陈小三，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14