基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统，在被测物的表面制造裂纹缺陷；随后激发超声波，获得激光超声信号；实现对缺陷的扫描检测，同时获得缺陷附近的超声波场；通过对不同时刻的超声波场的重构，判断超声波的传播过程和与缺陷作用过程；随后从不同时刻超声波场图提取出能量谱，获得不同时刻缺陷对能量谱的影响；判断能量谱能量再分布情况，判断是否存在缺陷进而判断是否经过缺陷；分析在经过缺陷时，能量谱能量的衰减情况，并建立与缺陷深度的单一对应关系，实现缺陷的定量表征，同时使用人工智能算法提取其他参数实现缺陷的表征；本发明专利技术提高了激光超声的检测能力和表征能力。超声的检测能力和表征能力。超声的检测能力和表征能力。

【技术实现步骤摘要】
基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统


[0001]本专利技术属于裂纹表征检测
，具体涉及一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统。

技术介绍

[0002]金属等材料在制造工程和服役阶段，由于其受到各种工作环境的影响，在其表面和内部极易产生裂纹等缺陷。如果不及时对其进行检测，极易产生断裂等失效情况，从而造成极大的人员和财产损失，所以需要对其进行及时的检测。目前针对裂纹等缺陷的检测方法有很多种，包括超声检测，射线检测，涡流检测等等，其中激光超声检测以其非接触，宽频带而受到广泛关注，常被用来对缺陷进行定性、定位和定量表征。但定量表征一直是缺陷检测表征的难点和重点。通过研究发现，由于裂纹的闭合效应，当激光通过热弹效应或烧蚀效应产生的超声传播至缺陷附近时，裂纹会对超声造成模式转换，同时也会对激光超声波进行能量再分布影响。更重要的是，裂纹的闭合也会消耗一部分能量。
[0003]反射系数主要考虑的是激光超声波的幅值，其计算方法为采用反射波峰值和入射波或者直达波峰值的比值用作定量表征裂纹等缺陷的损伤敏感特征参量。但是一般而言，很多因素都会影响幅值的大小，包括激光能量，激光光斑直径，材料特性，激发点和接收点位置等等。而且之前提到反射系数是采用峰值进行计算，这意味着这一算法无法考虑非峰值的其他波形，但是对于激光超声这种宽频带特性信号，则很容易忽略其他相关重要信息，从而无法得到所需要的结果。
[0004]因为反射系数存在很多问题，相关学者提出反射能量系数算法，即采用反射波与直达波能量比值，虽然可以解决只考虑峰值问题，但是因为需要分别求取直达波和反射波能量，那么就首先需要获得直达波和反射波信号，但是对于很多微小缺陷，从激光超声信号中准确的提取反射波是件很困难的事，所以只能用于大缺陷情况，这极大地限制了这种算法的应用场景。而且在现场信号采集中，由于信号受到很多其他信号的干扰，其反射波可能不是太明显，所以在实际操作中存在一定困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统，用于解决现有激光超声定量表征能力不足的技术问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，包括以下步骤：
[0008]S1、以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
[0009]S2、利用高功率脉冲激光分别在步骤S1得到的被测物表面和内部激发超声波；
[0010]S3、通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
[0011]S4、求解步骤S3得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
[0012]S5、根据步骤S4得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；
[0013]S6、基于步骤S5得到的能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
[0014]具体的，步骤S1中，裂纹的深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。
[0015]进一步的，裂纹的长度为5mm，宽度为0.5mm。
[0016]具体的，步骤S2中，采用热弹效应或烧蚀效应在被测物表面和内部激发出超声波。
[0017]具体的，步骤S3中，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号。
[0018]具体的，步骤S4中，设置扫描间隔，通过光斑的扫描检测获得缺陷的激光超声波场图，然后采用能量谱算法获得不同时刻的激光超声波场能量谱。
[0019]具体的，步骤S5中，激光超声波在经过缺陷过程中能量谱的变化情况包括缺陷对激光超声能量的再分布特性。
[0020]具体的，步骤S6具体为：
[0021]对经过缺陷和未经过缺陷两种波场的能量谱所有能量进行求和，并计算能量差值和能量比值，通过建立与缺陷深度之间的对应关系，实现对缺陷深度的定量表征。
[0022]进一步的，采用人工智能方法从能量谱中提取对应参数实现对缺陷的表征。
[0023]第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征系统，包括：
[0024]加工模块，以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
[0025]激发模块，利用高功率脉冲激光分别在加工模块得到的被测物表面和内部激发超声波；
[0026]扫描模块，通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
[0027]计算模块，求解扫描模块得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
[0028]表征模块，根据计算模块得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
[0029]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0030]一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，从能量谱角度出发，结合裂纹等缺陷的闭合效应，可以判断材料的受损情况和缺陷的位置。同时分析声波经过缺陷时不同时刻的能量谱，可以获得缺陷与声波的相互作用，并可着重分析缺陷对声波能量的再分布情况。同时分析经过缺陷和未经过缺陷的不同能量值，可以通过能量差值或能量比值实现对裂纹等缺陷的定量表征。相比较之前多种损伤敏感特征算法，可以充分考虑不同频率的幅值，所以可以更详细的考虑激光超声不同频率的信号信息。由于在计算过程中，
我们只关心能量谱信息，可以不用提取直达波和反射波，所以具有很强的抗干扰能力，同时也可以也可以检测微裂纹等微缺陷。
[0031]进一步的，为了后续的缺陷检测，考虑到我们所用激光的脉宽为8nm，我们设置缺陷深度为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm。其好处不仅可以进行缺陷的检测，且基本可以体现本专利对于微裂纹等缺陷的检测优越性。
[0032]进一步的，由于采用的加工方式为线切割加工，所以设置裂纹宽度为0.5mm,考虑到裂纹的长宽比，且扫描范围为1cm，所以将裂纹长度设置为5mm。
[0033]进一步的，激光可以根据实际情况在被测物表面和内部激发出不同类型的声波，例如可以通过热弹效应激励出声表面波，也可以通过烧蚀效应激励出纵波等。所以在本专利中可根据不同的需求采用不同的激励方式从而获得不同类型的声波，从而扩大其应用范围。
[0034]进一步的，同样的可以根据实际情况进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；S2、利用高功率脉冲激光分别在步骤S1得到的被测物表面和内部激发超声波；S3、通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；S4、求解步骤S3得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；S5、根据步骤S4得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；S6、基于步骤S5得到的能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。2.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S1中，裂纹的深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。3.根据权利要求2所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，裂纹的长度为5mm，宽度为0.5mm。4.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S2中，采用热弹效应或烧蚀效应在被测物表面和内部激发出超声波。5.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S3中，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号。6.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，秦峰，陈磊，张振龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：