專(zhuān)利名稱(chēng)：激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，屬于超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
迄今為止，尚未見(jiàn)到可應(yīng)用于金屬材料缺陷的基于激光-電磁超聲技術(shù)的非接觸式超聲波衍射檢測(cè)的實(shí)用化方法。超聲衍射法檢測(cè)材料缺陷時(shí)，具有檢測(cè)精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。目前，由于用于檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷超聲衍射法大多數(shù)基于接觸式的壓電超聲技術(shù)，使得其檢測(cè)靈敏度受稱(chēng)合狀態(tài)影響較大。Mihara在“Time-of-Flight DiffractionMeasurement Using Laser Ultrasound” 一文提出可以利用激光激勵(lì)超聲波并結(jié)合激光干涉儀接收超聲波的方式，實(shí)現(xiàn)非接觸式的超聲衍射檢測(cè)方法。然而，利用激光干涉儀接收的超聲波時(shí)，所接收到的超聲波幅度受制于激光干涉儀接收光強(qiáng)的反應(yīng)時(shí)間和靈敏度，而且對(duì)樣品表面的光潔度要求較高，隨著表面光潔度的變壞，接收靈敏度迅速下降，使得該技術(shù)在金屬材料實(shí)際檢測(cè)的工程應(yīng)用中存在一定的問(wèn)題
發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于激光-電磁超聲技術(shù)的金屬材料的非接觸式超聲波衍射檢測(cè)方法。它應(yīng)克服現(xiàn)有非接觸式激光超聲衍射法難以應(yīng)用于表面粗糙材料的檢測(cè)的缺點(diǎn)，且由于電磁超聲傳感器位于缺陷正上方時(shí)，接收到的缺陷衍射超聲信號(hào)幅度最大，因而易于對(duì)缺陷定位。此外，本檢測(cè)方法利用電磁超聲傳感器取代激光干涉儀可以簡(jiǎn)化激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)并大幅度降低檢測(cè)系統(tǒng)的成本。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于激光-電磁超聲技術(shù)的金屬材料缺陷檢測(cè)方法，將脈沖激光器、線型聚焦單元、橫波電磁超聲傳感器，三維機(jī)械步進(jìn)裝置、信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行電連接；將橫波電磁超聲傳感器固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置。本方法檢測(cè)金屬表面缺陷的步驟如下
①校準(zhǔn)脈沖激光器的輸出能量，使其穩(wěn)定輸出10 200m J/pulse的高斯型脈沖激光。校準(zhǔn)脈沖激光器與線型聚焦單元位置，使二者同中心放置。其中所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器，脈沖寬度8 15 ns，波長(zhǎng)1064 nm，能量0 200 m J/pulse，脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz ;所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；
②調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，以使金屬材料位于柱面透鏡焦距處。③將橫波電磁超聲傳感器固定于三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)上，開(kāi)啟電磁超聲接收單元和三維機(jī)械步進(jìn)裝置的工作電源，調(diào)整電磁超聲接收單元與金屬材料之間的距離和水平位置，使電磁超聲接收單元與金屬材料表面的線型激光斑的中心位置處于同一水平線上。其中所述的電磁超聲接收單元用于將超聲表面波遇到表面缺陷時(shí)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的橫波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為0. 02mmD
④開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的濾波頻率和放大倍數(shù)，校正數(shù)字示波器，并確認(rèn)信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。⑤開(kāi)啟脈沖激光器工作電源，以激勵(lì)出高斯型脈沖激光，利用線型聚焦單元將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲表面波。⑥調(diào)整電磁超聲接收單元的位置，使其沿線型激光斑與電磁超聲接收單元中心所處的水平線方向進(jìn)行掃查以檢測(cè)缺陷。觀察示波器，當(dāng)電磁超聲接收單元處于缺陷正上方時(shí)，接收到的缺陷信號(hào)幅度最大；將該狀態(tài)下的信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、保存和后期 處理。本方法檢測(cè)金屬內(nèi)部缺陷的步驟如下
①校準(zhǔn)脈沖激光器的輸出能量，使其穩(wěn)定輸出10 200m J/pulse的高斯型脈沖激光。校準(zhǔn)脈沖激光器與線型聚焦單元位置，使二者同中心放置。其中所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器，脈沖寬度8 15ns，波長(zhǎng)1064 nm,能量0 200 m J/pulse，脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz ;所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；
②調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，以使金屬材料位于柱面透鏡焦距處。③將橫波電磁超聲傳感器固定于三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)上,開(kāi)啟橫波電磁超聲傳感器和三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)的工作電源，調(diào)整橫波電磁超聲傳感器與金屬材料之間的距離至10mm。其中所述的橫波電磁超聲傳感器用于將橫波遇到內(nèi)部缺陷時(shí)發(fā)生衍射所產(chǎn)生的橫波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為0. 02mmD③開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的濾波頻率和放大倍數(shù)，校正數(shù)字示波器，并確認(rèn)信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。④開(kāi)啟脈沖激光器工作電源，以激勵(lì)出高斯型脈沖激光，利用線型聚焦單元將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，激勵(lì)出超聲橫波信號(hào)。⑤調(diào)整三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)，以使橫波電磁超聲傳感器與金屬材料表面的線型激光斑的中心位置處于同一水平線上，并將橫波電磁超聲傳感器沿平行于金屬材料表面向激光束方向進(jìn)行掃查，以接收缺陷的衍射橫波。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)所述橫波電磁超聲傳感器位于缺陷正上方時(shí)，接收到的衍射波信號(hào)最強(qiáng)，依此標(biāo)記缺陷的水平位置。⑥缺陷的深度位置則可依據(jù)公式(I)計(jì)算出
公式 a):
2vt
其中d為缺陷深度，F(xiàn)金屬材料中的橫波聲速，t為接收到衍射波的時(shí)間，7為線型光斑與橫波電磁超聲傳感器之間的距離。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明將激光超聲技術(shù)與電磁超聲技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用激光激發(fā)出高能量的超聲橫波，采用受表面幾何形狀及粗糙度影響很小的橫波電磁超聲傳感器來(lái)接受缺陷的衍射橫波，實(shí)現(xiàn)了可用于金屬材料表面及內(nèi)部缺陷超聲衍射的檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法無(wú)需耦合劑并可以遠(yuǎn)距離激勵(lì)出超聲橫波，且不受激光入射角度、金屬材料幾何形狀及表面粗糙度影響，能夠在O 10 mm范圍內(nèi)對(duì)金屬材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行定位檢測(cè),檢測(cè)相對(duì)誤差小于1%。本方法的檢測(cè)靈敏度不受耦合狀態(tài)的限制，所用設(shè)備簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，易于實(shí)用化，測(cè)量精度高，可重復(fù)性好，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖I為一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。圖2為45號(hào)鋼中人工傷表面裂紋制作示意圖。圖3為一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)金屬材料表面缺陷示意圖。圖4 一種非接觸式的45號(hào)鋼表面裂紋缺陷的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。圖5為45號(hào)鋼中內(nèi)部人工傷孔洞制作示意圖。圖6為一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)金屬材料表面缺陷示意圖。圖7 —種非接觸式的45號(hào)鋼內(nèi)部孔 洞缺陷的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。圖8給出電磁超聲單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。圖9為激光-電磁超聲無(wú)損系統(tǒng)的信號(hào)放大濾波單元中前置放大電路原理圖。圖10為激光-電磁超聲無(wú)損系統(tǒng)的信號(hào)放大濾波單元中濾波電路原理圖。圖中1-耐磨陶瓷片；2_隔熱陶瓷片；3_PCB檢測(cè)線圈(Printed Circuit Board,PCB，即印制電路板)；4-前端蓋；5_傳感器外殼；6_緊固螺釘；7_中間端蓋；8-氣嘴；9-后端蓋；10_連接螺釘；11_接插件；12_前置放大器；13_固定架；14_墊板；15_第一圓形磁鐵；16_第二圓形磁鐵；17_第三圓形磁鐵；18_第四圓形磁鐵；19_磁鐵固定架；20_壓縮空氣出口 ；21-羰基鐵粉板。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，它包括脈沖激光器，所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器；脈沖激光器輸出激光至線型聚焦單元；線型聚焦單元，所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架用于將線型聚焦單元與被檢測(cè)金屬材料之間的距離調(diào)節(jié)至線型聚焦透鏡的焦距處；所述的線型聚焦單元用于將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹或燒蝕，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲波；電磁超聲接收單元，所述的電磁超聲接收單元可在0 10 mm范圍內(nèi)將10 200 m J/pulse脈沖激光在金屬材料中激勵(lì)出的超聲橫波信號(hào)或缺陷衍射出橫波信號(hào)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出至信號(hào)放大濾波單元；三維機(jī)械步進(jìn)裝置，所述的三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為0. 02 mm ;所述的電磁超聲接收單元夾持固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置上；信號(hào)放大濾波單元，所述的信號(hào)放大濾波單元包括前置放大器和模擬濾波器兩個(gè)部分，其中超聲信號(hào)經(jīng)檢測(cè)線圈輸出后進(jìn)入前置放大器，其過(guò)程為信號(hào)首先經(jīng)過(guò)中心頻率0. 5MHz的LC選頻電路，進(jìn)入放大倍數(shù)約70倍的第一級(jí)放大器，經(jīng)過(guò)電容耦合后進(jìn)入放大倍數(shù)約為4倍的第二級(jí)放大器，后經(jīng)阻抗匹配后進(jìn)入模擬濾波器，其中模擬濾波器為二階高通濾波器并且放大倍數(shù)約為4倍，模擬濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)入可調(diào)增益放大器，增益區(qū)間0 30dB(即放大倍數(shù)0 31. 6)。然后再經(jīng)過(guò)濾波選頻電路，進(jìn)入最后一級(jí)約為4倍的運(yùn)算放大器，進(jìn)行放大輸出至數(shù)字示波器；還有電聯(lián)接在一起的數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)。所述調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器的脈沖寬度8 15 ns，波長(zhǎng)1064 nm，能量0 200 m J/pulse，脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz0所述的信號(hào)放大濾波單元將金屬材料中的超聲波頻率濾波至0. 5 4 MHz，信號(hào)總放大倍數(shù)為0 141000倍。圖8給出電磁超聲單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。所述的電磁超聲接收單元包括通過(guò)連接螺釘10連接在一起的前端蓋4和后端蓋9，在前端蓋4底部設(shè)置中央通孔，在中央通孔中設(shè)置有耐磨陶瓷片1，在耐磨陶瓷片I上方疊放隔熱陶瓷片2 ;在前端蓋4和后端蓋9之間設(shè)置傳感器外殼5,所述傳感器外殼5頂部設(shè)置有中間端蓋7,傳感器外殼5底部與前端蓋4的中央通孔對(duì)應(yīng)設(shè)置有中央安裝孔，在中央安裝孔中設(shè)置羰基鐵粉板21，在羰基鐵粉板21和隔熱陶瓷片2之間設(shè)置有PCB檢測(cè)線圈3 ；PCB檢測(cè)線圈與前置放大器之間進(jìn)行電連接；在傳感器外殼5內(nèi)部設(shè)置磁鐵固定架19，在磁鐵固定架19中設(shè)置第四圓形磁鐵18，在第四圓形磁鐵18上方依次疊放第三圓形磁鐵17,第二圓形磁鐵16和第一圓形磁鐵15 ;在第四圓形磁鐵18上方設(shè)置連接在傳感器外殼5上的固定架13 ;第四圓形磁鐵18直徑<第三圓形磁鐵17直徑<第二圓形磁鐵16直徑<第一圓形磁鐵15直徑；在固定架13和第四圓形磁鐵18之間設(shè)置墊板14 ;固定架13上方設(shè)置前置放大器12 ;在中間端蓋7上設(shè)置接插件 11 ;前置放大器和接插件之間進(jìn)行電連接。在后端蓋9上設(shè)置氣嘴8。PCB檢測(cè)線圈3采用的是蝶形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)施例為45號(hào)鋼人工傷的檢測(cè)結(jié)果。實(shí)施例I :金屬材料表面缺陷檢測(cè)具體實(shí)施方式
為
圖I為一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。首先將脈沖激光器、三維機(jī)械步進(jìn)裝置、橫波電磁超聲傳感器、信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)之間依次進(jìn)行電氣連接，且將電磁超聲接收單元固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置。校準(zhǔn)脈沖激光器與線型聚焦單元位置，使二者同中心放置。調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，以使45號(hào)鋼位于與柱面透鏡之間的距離為200 mm。圖2給出了 45號(hào)鋼中人工傷表面裂紋制作示意圖，45號(hào)鋼的尺寸為400 mmX600mmX60 mm，利用線切割技術(shù)在45號(hào)鋼表面加工出的表面型人工傷，其尺寸為20 mmXO. 2mmXO. 2 _。開(kāi)啟激光激勵(lì)超聲波單元工作電源，設(shè)定脈沖重復(fù)頻率為10 Hz，脈沖能量為10 m J/ pluse，利用線型聚焦單元將激勵(lì)出高斯型脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至45號(hào)鋼表面，引起45號(hào)鋼表面的熱膨脹，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲表面波，實(shí)驗(yàn)中所得到的線型激光光斑長(zhǎng)度為11 mm。圖3給出了一種非接觸式的金屬材料表面缺陷的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)方法原理示意圖。開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的帶通濾波范圍為I 2 MHz和放大倍數(shù)為26000，校正數(shù)字示波器并將示波器設(shè)置為峰值記錄狀態(tài)，然后確認(rèn)信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。開(kāi)啟橫波電磁超聲傳感器和三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)的工作電源，調(diào)整橫波電磁超聲傳感器與45號(hào)鋼之間的距離至10 _。利用所述的橫波電磁超聲傳感器，使其沿線型激光斑與橫波電磁超聲傳感器所處的水平線方向進(jìn)行掃查并觀察數(shù)字示波器，當(dāng)掃查至缺陷位置時(shí)，會(huì)接收到表面波遇到表面缺陷時(shí)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的橫波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸至信號(hào)放大濾波單兀，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)橫波電磁超聲傳感器與45號(hào)鋼表面之間的距離一定時(shí),橫波電磁超聲傳感器位于缺陷正上方時(shí)所接收到的信號(hào)幅度最大，該狀態(tài)下的信號(hào)用于判定缺陷位置及尺寸，并由計(jì)算機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行上位機(jī)顯示、記錄、保存和處理。圖4給出了線型激光束與橫波電磁超聲傳感器距離為43 mm時(shí)的缺陷檢測(cè)信號(hào)，其峰峰值幅度約為0.79 V，信噪比約為25 dB。實(shí)施例2 :金屬材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)具體實(shí)施方式
為
圖5給出了 45號(hào)鋼內(nèi)部人工傷孔洞制作示意圖，45號(hào)鋼的尺寸為900 mm X200mmX300 mm，利用鉆銑加工中心在距45號(hào)鋼上表面60 mm內(nèi)部加工出的孔洞型人工傷，其尺寸依次為7 mm X 30 mm, 5mmX 30mm和3 mm X 30 mm,實(shí)施例中給出了 3 mm X 30 mm孔的檢測(cè)結(jié)果。校準(zhǔn)脈沖激光器的輸出能量為150 m J/pulse，調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，使二者同中心放置，且滿足被檢測(cè)45號(hào)鋼表面位于線型聚焦單元中柱面透鏡的焦距處。開(kāi)啟橫波電磁超聲傳感器和三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)的工作電源，調(diào)整橫波電磁超聲傳感器與45號(hào)鋼之間的距離至10 mm。開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的帶通濾波范圍為0. 5 2 MHz和放大倍數(shù)為26000，校正數(shù)字示波 器并將示波器設(shè)置為峰值記錄狀態(tài)，然后確認(rèn)信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。開(kāi)啟脈沖激光器工作電源，以激勵(lì)出高斯型脈沖激光，利用線型聚焦單元將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至45號(hào)鋼表面，激勵(lì)出超聲橫波信號(hào)。圖6為一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)金屬材料表面缺陷示意圖。調(diào)整橫波電磁超聲傳感器，使其在45號(hào)鋼表面沿垂直于線型激光源方向掃查，當(dāng)掃查至缺陷位置時(shí)，會(huì)接收到橫波遇到內(nèi)部缺陷時(shí)發(fā)生衍射效應(yīng)所產(chǎn)生的橫波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸至信號(hào)放大濾波系統(tǒng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)橫波電磁超聲傳感器與45號(hào)鋼表面之間的距離一定時(shí)，橫波電磁超聲傳感器位于缺陷正上方時(shí)所接收到的信號(hào)幅度最大，該狀態(tài)下的信號(hào)用于判定缺陷的水平位置及尺寸。實(shí)施例中，當(dāng)接收到缺陷信號(hào)最大值時(shí)線型激光束與橫波電磁超聲傳感器中心之間距離為55 mm ;將示波器中的缺陷信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、記錄和保存。圖7 —種非接觸式的45號(hào)鋼內(nèi)部孔洞缺陷的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。利用公式(I)，根據(jù)接收到衍射波時(shí)間t=3. 5X 10_5s,可以計(jì)算出缺陷的深度為d=59. 5 mm,與實(shí)際深度60 mm的相對(duì)誤差為0. 83 %。圖9給出了激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)放大濾波單元中的前置放大電路原理圖，圖10給出了激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)放大濾波單元中的濾波電路原理圖。開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，選定放大濾波單元的濾波頻率范圍為I 2 MHz,提離距離為0 mm時(shí)放大倍數(shù)選為11000而提離距離為10 mm時(shí)放大倍數(shù)選為26000，校正數(shù)字示波器并設(shè)定其處于峰值記錄狀態(tài)，然后確認(rèn)信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，它使用由脈沖激光器、線型聚焦單元、橫波電磁超聲傳感器，三維機(jī)械步進(jìn)裝置、信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)組成的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是它包括如下步驟 ①校準(zhǔn)脈沖激光器的輸出能量，使其穩(wěn)定輸出10 200m J/pulse的高斯型脈沖激光；校準(zhǔn)脈沖激光器與線型聚焦單元位置，使二者同中心放置； ②調(diào)整線型聚焦單元中柱面透鏡的位置，以使金屬材料位于柱面透鏡焦距處； ③將橫波電磁超聲傳感器固定于三維機(jī)械步進(jìn)電機(jī)上，開(kāi)啟電磁超聲接收單元和三維機(jī)械步進(jìn)裝置的工作電源，調(diào)整電磁超聲接收單元與金屬材料之間的距離和水平位置，使電磁超聲接收單元與金屬材料表面的線型激光斑的中心位置處于同一水平線上； ④開(kāi)啟信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)的工作電源，設(shè)定放大濾波單元的濾波頻率和放大倍數(shù)，校正數(shù)字示波器，并確認(rèn)信號(hào)放大濾波單元、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)處于聯(lián)通狀態(tài)； ⑤開(kāi)啟激光激勵(lì)超聲波單元工作電源，以激勵(lì)出高斯型脈沖激光，利用線型聚焦單元將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹或燒蝕，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲表面波及橫波； ⑥調(diào)整橫波電磁超聲傳感器的位置，使其沿線型激光斑與橫波電磁超聲傳感器中心所處的水平線方向進(jìn)行掃查以檢測(cè)缺陷；觀察示波器，當(dāng)橫波電磁超聲傳感器處于缺陷正上方時(shí)，接收到的缺陷信號(hào)幅度最大；將該狀態(tài)下的信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、保存和后期處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是所述激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)包括 脈沖激光器，所述的脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器；脈沖激光器輸出激光至線型聚焦單元； 線型聚焦單元，所述的線型聚焦單元由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成；可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架用于將線型聚焦單元與被檢測(cè)金屬材料之間的距離調(diào)節(jié)至線型聚焦透鏡的焦距處；所述的線型聚焦單元用于將脈沖激光進(jìn)行能量匯聚且呈線型分布，并將線型激光束傳輸至金屬材料表面，引起金屬材料表面的熱膨脹或燒蝕，以激勵(lì)出指向性好、能量集中的超聲波； 電磁超聲接收單元，所述的電磁超聲接收單元可在0 10 mm范圍內(nèi)將10 200 m J/p u I s e脈沖激光在金屬材料中激勵(lì)出的超聲橫波信號(hào)以及缺陷衍射的橫波接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出至信號(hào)放大濾波單元； 三維機(jī)械步進(jìn)裝置，所述的三維機(jī)械步進(jìn)裝置由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械夾持裝置組成，其移動(dòng)精度為0. 02 mm ;所述的電磁超聲接收單元夾持固定于三維機(jī)械步進(jìn)裝置上； 信號(hào)放大濾波單元，所述的信號(hào)放大濾波單元包括前置放大器和模擬濾波器兩個(gè)部分；信號(hào)放大濾波單元將電磁超聲接收單元輸出的電信號(hào)處理后輸出至數(shù)字示波器； 還有電聯(lián)接在一起的數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是所述調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器的脈沖寬度8 15 ns，波長(zhǎng)1064 nm,能量0 200 m J/pulse，脈沖重復(fù)頻率為I 20 Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是所述的信號(hào)放大濾波單元將金屬材料中的超聲波頻率濾波至0. 5 4 MHz，信號(hào)總放大倍數(shù)為0 141000倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是所述的電磁超聲接收單元包括通過(guò)連接螺釘連接在一起的前端蓋和后端蓋，在前端蓋底部設(shè)置中央通孔，在中央通孔中設(shè)置有耐磨陶瓷片，在耐磨陶瓷片上方疊放隔熱陶瓷片；在前端蓋和后端蓋之間設(shè)置傳感器外殼，所述傳感器外殼頂部設(shè)置有中間端蓋，底部與前端蓋的中央通孔對(duì)應(yīng)設(shè)置有中央安裝孔，在中央安裝孔中設(shè)置羰基鐵粉板，在羰基鐵粉板和隔熱陶瓷片之間設(shè)置有PCB檢測(cè)線圈；PCB檢測(cè)線圈與前置放大器之間進(jìn)行電連接； 在傳感器外殼內(nèi)部設(shè)置磁鐵固定架，在磁鐵固定架中設(shè)置第四圓形磁鐵，在第四圓形磁鐵上方依次疊放第三圓形磁鐵，第二圓形磁鐵和第一圓形磁鐵；在第四圓形磁鐵上方設(shè) 置連接在傳感器外殼上的固定架。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是第四圓形磁鐵直徑<第三圓形磁鐵直徑<第二圓形磁鐵直徑<第一圓形磁鐵直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是在固定架和第四圓形磁鐵之間設(shè)置墊板；固定架上方設(shè)置前置放大器；在中間端蓋上設(shè)置接插件；前置放大器和接插件之間進(jìn)行電連接；在后端蓋上設(shè)置氣嘴。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，其特征是PCB檢測(cè)線圈采用的是蝶形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種激光-電磁超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的金屬缺陷檢測(cè)方法，使用由脈沖激光器、線型聚焦單元、橫波電磁超聲傳感器、三維機(jī)械步進(jìn)裝置、信號(hào)放大濾波系統(tǒng)、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)組成的激光-電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)激勵(lì)出高斯型激光脈沖，然后經(jīng)過(guò)光學(xué)聚焦系統(tǒng)輸送至金屬材料表面同時(shí)激勵(lì)出表面波及橫波。利用橫波電磁超聲傳感器接收，據(jù)此來(lái)對(duì)表面及近表面缺陷進(jìn)行定位檢測(cè)；利用橫波電磁超聲傳感器接收橫波遇到內(nèi)部缺陷時(shí)生成的衍射橫波，當(dāng)傳感器位于金屬材料內(nèi)部缺陷的正上方時(shí)，接收到的衍射橫波信號(hào)幅度最強(qiáng)，據(jù)此來(lái)確定缺陷的水平位置，并由缺陷回波的時(shí)間確定缺陷的垂直位置。本方法可同時(shí)檢測(cè)金屬材料表面、近表面和內(nèi)部缺陷。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102798667SQ201210290309
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者趙揚(yáng), 賈中青, 馬健, 宋江峰, 郭銳, 劉帥, 孫繼華, 翟瑞占 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所