基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法，检测方法包括以下步骤：将待测物体浸润在水箱中，使待测物体表面具有一层水约束层；上位机控制激光脉冲发生器发射出高能激光脉冲束；高能激光脉冲束通过光路调节系统入射到待测物体表面；利用激光干涉仪测量物体表面受激光辐照引发的高频率激光超声波；测量得到的超声波信号经数据采集系统存储到数据分析系统；通过数据分析系统可以实现物体表面裂纹检测。本检测方法具有无需完好试样进行对比、检测用激光能量可高于待测物体损伤阈值、检测精度高等优点。检测精度高等优点。检测精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法


[0001]本专利技术涉及表面裂纹检测
，具体地讲，涉及一种基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法。

技术介绍

[0002]各类金属及非金属材料构件是国防工业发展、国民经济建设中的重要部件，广泛应用于武器装备、航空航天、交通运输、建筑与基建、能源化工以及机械制造等诸多重要领域，在维系国防工业发展、促进国民经济建设、提高人民生活质量中发挥着巨大作用。现代设备大多在高温、高压、高速或高负载等条件下运行，如飞机蒙皮、火车铁轨、油气储存罐等，这对各类构件的可靠性提出了更高要求。然而在加工及服役过程中，受各种复杂交变、循环应力影响，构件表面不可避免地会产生各类裂纹。如果不能及时对这些裂纹进行检测，并采取必要措施进行维修，裂纹会逐渐扩展，进而影响单构件、乃至整个设备系统的稳定性与可靠性，甚至可能导致灾难性的突发后果，造成巨大的经济损失。出于安全与经济需求，对构件表面裂纹开展检测具有极其重要的意义。
[0003]国内外现有表面裂纹检测方法主要分为两类：接触式检测与非接触式检测。接触式检测方法因为检测效率低、可能对检测对象造成损伤、对环境不友好等缺点逐渐被非接触检测所替代。在非接触检测方法中，目前应用较多的是红外检测、相机成像检测及超声波检测。红外检测通过扫描记录被检对象表面上由于缺陷或材料不同的热性质所引起的温度变化来进行裂纹识别，但是该方法受环境温度、被测对象表面温度影响较大，极容易产生测量误差。相机成像检测对测试环境，如光强等具有较高要求，而且因成像像素原因，难以实现较大检测面积中细小裂纹的检测，在某些场合其应用也受到了一定限制。超声波检测穿透能力强、对缺陷定位准确、缺陷检测灵敏度高，同时检测成本低、对人体及环境无危害等，受到广泛使用。激光超声无损检测技术是超声无损检测技术的一个重要分支，且因其超声频谱宽(可达100MHz及以上)、空间分辨率高、可实现非接触式激发与接收等优点，在实际使用中正逐步取代传统超声波而对表面裂纹进行检测分析。如授权号CN111855801A，一种基于激光超声成像的粗糙部件缺陷尺寸精确测量方法，就是利用激光声表面波对构件表面缺陷进行测量的典型应用案例。
[0004]以上述专利为代表的技术方案能够利用激光声表面波对构件表面裂纹进行成像检测，但仍然存在以下不足：1)提取裂纹信号时，需要利用“无缺陷试样所激发表面波信号作为基准信号”进行对比以识别裂纹。而在检测过程中，受人工操作误差以及外界环境变化影响，无裂纹(无缺陷)对比试样声表面波信号测量结果与实际待测物体信号测量结果之间可能存在非裂纹引发偏差，导致裂纹误检。同时，在实际检测过程中，一般很难获取与待测物体在材质、形状等方面完全一致的对比用无裂纹试样；2)为了实现真正无损检测，激发声表面波用激光脉冲束能量不能过大。比如，若待测物体为金属材质，所使用激光脉冲束能量一般不能大于1
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107W/cm2[沈中华,袁玲,张宏超,等.固体中的激光超声[M].第一版.北京:人民邮电出版社，2015.]。能量阈值的这个限制直接影响了激光所能激发声表面波的能量
大小，从而直接影响裂纹检测的精度及灵敏度，这也是目前为止基于激光声表面波的裂纹检测方法没有普及使用的重要原因之一；3)一般基于激光声表面波的裂纹检测方法，都是使用激光声表面波的线性特性，主要原理是基于声表面波与裂纹作用后发生反射、衍射、衰减或模式转化等现象进行裂纹检测，对表面微裂纹不敏感[Mezil S,Chigarev N,Tournat V.Evaluation of crack parameters by a nonlinear frequency mixing laser ultrasonics method[J].Ultrasonics,2016,69:225
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235.]，无法对表面微裂纹进行精确检测。
[0005]因此，有必要对现有的基于激光声表面波的物体表面裂纹检测方法进行改进和优化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法，该检测方法能对物体表面微小裂纹进行精确检测，且检测过程无需无裂纹试样进行对比，对待测物体表面无损伤，并且，检测用激光脉冲束能量可高于待测物体损伤能量阈值，能进一步提高裂纹检测效率、精度及灵敏度。
[0007]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法，其步骤如下：
[0008]步骤一：将待测物体浸润在水箱中，使待测物体表面具有一层水约束层；水约束层能限制待测物体表面材料在激光脉冲束辐照下的气化现象，并提高脉冲束作用后喷溅物质在待测物体表面的反冲力，从而提高激光脉冲束在待测物体表面所激发的激光声表面波能量值，从而提高裂纹检测效率、精度及灵敏度；
[0009]步骤二：通过上位机控制激光脉冲发生器发射高能激光脉冲束，经光路调节系统作用后，高能激光脉冲束被分为两束：一束传输到高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态，另一束作为检测用激光脉冲束传输到待测物体表面用来激发激光声表面波；光路调节系统中的扫描振镜可以控制检测用激光脉冲束对待测物体表面进行扫描检测；
[0010]步骤三：在待测物体被测表面同一侧放置激光干涉仪，用来接收检测用激光脉冲束在待测物体表面激发的激光声表面波；所接收到的激光声表面波信号经数据采集系统存储到数据分析系统；当检测用激光脉冲束所激发的激光声表面波在待测物体表面传播时，受物体表面裂纹影响，激光声表面波会发生非线性调制现象，导致其时频特性发生显著改变，通过数据分析系统对时频特性的改变量进行分析，就能够反演裂纹信息，从而对待测物体表面裂纹进行实时成像检测；
[0011]其中，在反演裂纹信息过程中，是利用正则化非线性预测误差值NE对裂纹引发的激光声表面波时频特性参数改变量进行分析的；
[0012]正则化非线性预测误差值NE的提取方法步骤为：
[0013]第一步：通过上位机及光路调节系统，控制检测用激光脉冲束对待测物体表面进行矩阵式扫描；
[0014]第二步：利用激光干涉仪测量矩阵路线上待测物体表面每个点的激光声表面波的响应信号；
[0015]第三步：随机选取矩阵路线中的一个响应点C，根据采集到的响应信号重建相空
间，称之为相空间一；
[0016]第四步：从相空间一的点集运动轨迹上随机选取Q个基点y(i)(i＝1，2，
…
，Q)，Q＝N/100，其中N为高速数据采集卡测量得到相应数据点数；
[0017]第五步：选取第三步中的响应点C的最近临近点B，利用点B采集到的响应信号重构相空间二，在相空间二的点集轨迹上为每个基点y(i)寻找P个空间临近点x(j)(j＝1，2，
…
，P)，空间临近点x(j)的选取是根据欧式距离直接选取的；P＝N/1000，其中N为高速数据采集卡测量得到相应数据点数；
[0018]第六步：将各个基点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光声表面波的物体表面裂纹在线检测方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：将待测物体浸润在水箱中，使待测物体表面具有一层水约束层；步骤二：通过上位机控制激光脉冲发生器发射高能激光脉冲束，经光路调节系统作用后，高能激光脉冲束被分为两束：一束传输到高速数据采集卡的使能口使其进入工作状态，另一束作为检测用激光脉冲束传输到待测物体表面用来激发激光声表面波；光路调节系统中的扫描振镜可以控制检测用激光脉冲束对待测物体表面进行扫描检测；步骤三：在待测物体被测表面同一侧放置激光干涉仪，用来接收检测用激光脉冲束在待测物体表面激发的激光声表面波；所接收到的激光声表面波信号经数据采集系统存储到数据分析系统；当检测用激光脉冲束所激发的激光声表面波在待测物体表面传播时，受物体表面裂纹影响，激光声表面波会发生非线性调制现象，导致其时频特性发生显著改变，通过数据分析系统对时频特性的改变量进行分析，就能够反演裂纹信息，从而对待测物体表面裂纹进行实时成像检测；其中，在反演裂纹信息过程中，是利用正则化非线性预测误差值NE对裂纹引发的激光声表面波时频特性参数改变量进行分析的；正则化非线性预测误差值NE的提取方法步骤为：第一步：通过上位机及光路调节系统，控制检测用激光脉冲束对待测物体表面进行矩阵式扫描；第二步：利用激光干涉仪测量矩阵路线上待测物体表面每个点的激光声表面波的响应信号；第三步：随机选取矩阵路线中的一个响应点C，根据采集到的响应信号重建相空间，称之为相空间一；第四步：从相空间一的点集运动轨迹上随机选取Q个基点y(i)(i＝1,2,
…
,Q)，Q＝N/100，其中N为高速数据采集卡测量得到相应数据点数；第五步：选取第三步中的响应点C的最近临近点B，利用点B采集到的响应信号重构相空间二，在相空间二的点集轨迹上为每个基点y(i)寻找P个空间临近点x(j)(j＝1,2,
…
,P)，空间临近点x(j)的选取是根据欧式距离直接选取的；P＝N/1000，其中N为高速数据采集卡测量得到相应数据点数；第六步：将各个基点与临近点沿着各自轨迹前进L步距离，此时，点y(i)的各临近点质心可表示为：计算预测误差值PE可表示为：则点B与点C信号对应的正则化非线性预测误差值NE
BC
就可以表示为：其中σ
i2
为测量信号的方差值；第七步：根据响应点C的选取位置最终确定正则化非线性预测误差值NE：在扫描点矩阵中，任意一响应点C周边有n个临近点(包括点B)，这种情况下，分别计算
响应点C处信号与周边n个点信号(包括点B)之间的正则化非线性预测误差值NE
k
(k＝1,2,

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永强，周高明，丁小川，
申请(专利权)人：杭州久益机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：