羅朝莉,朱 冰,徐志偉,王 波

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,西安 710065)

金屬表面缺陷的無損檢測方法主要有超聲檢測、磁粉檢測及滲透檢測等[1]。這些方法檢測時(shí)需要接觸被測體表面或進(jìn)行特殊檢測工序,且對表面微小缺陷分辨率較低,檢測效率不高,在特殊環(huán)境下已無法滿足檢測需求。隨著技術(shù)的發(fā)展與無損檢測要求的不斷提高,迫切需要研究發(fā)展非接觸式檢測技術(shù)。

激光超聲檢測可實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離、高時(shí)空分辨率檢測,是近年來國內(nèi)外相關(guān)表面缺陷檢測研究的熱點(diǎn),并取得了一定進(jìn)展[2-8]。為滿足快速、高時(shí)空分辨率的檢測需求,TAKATSUBO 等[9]提出一種基于超聲傳播的可逆性原理和可視化圖像處理技術(shù),用脈沖激光掃描產(chǎn)生超聲信號(hào),通過對接收到的信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)超聲波三維波場傳播過程可視化,進(jìn)而對被測體內(nèi)部損傷情況進(jìn)行評價(jià)。

與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比,激光超聲可視化檢測技術(shù)具有非接觸掃描,檢測過程無需使用耦合劑;無檢測盲區(qū),頻帶較寬,分辨率高;可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作,用于高溫及腐蝕性強(qiáng)等惡劣條件下的檢測;適用于復(fù)雜形狀、大面積板材的檢測;快速掃描、可重復(fù)性高;能將超聲波在被測物體中的傳播過程可視化;可實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果,缺陷精確定位等優(yōu)點(diǎn)。

目前關(guān)于表面缺陷激光超聲檢測的研究主要集中于理論分析、模型仿真、一維和二維信號(hào)處理等方面,對三維信號(hào)重構(gòu)研究較少[10-16]。文章采用高坪等[17-18]開發(fā)的一種激光超聲可視化檢測系統(tǒng),利用脈沖激光器產(chǎn)生超聲信號(hào),壓電探頭接收超聲信號(hào);采用脈沖激光逐點(diǎn)掃描檢測范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)并得到單點(diǎn)超聲時(shí)域波形,再提取峰峰值以重構(gòu)掃描區(qū)域內(nèi)的二維超聲波場圖像及三維超聲波場圖像,由此快速識(shí)別表面裂紋缺陷的位置和大小,對接收到的信號(hào)按時(shí)間-強(qiáng)度方向重新排列以實(shí)時(shí)觀察超聲波場時(shí)空變化。結(jié)果表明,激光超聲可視化檢測技術(shù)可快速檢出鋁板表面的裂紋缺陷,并且能夠三維顯示表面裂紋的位置及大小信息。

1 激光超聲激發(fā)機(jī)理

激光超聲產(chǎn)生機(jī)理主要有熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)。熱彈效應(yīng)是指當(dāng)入射激光的功率密度較低時(shí),激光照射在物體表面,激光能量激發(fā)電子遷移引起晶格振動(dòng)使得物體表面溫度上升且瞬間熱膨脹,從而產(chǎn)生超聲波,熱彈效應(yīng)原理如圖1所示,熱彈效應(yīng)所產(chǎn)生的超聲波對物體表面無損傷,可產(chǎn)生多種波形,應(yīng)用最廣。當(dāng)入射激光的功率較高時(shí),物體表面局部熔化、汽化,材料表面有小部分物質(zhì)噴發(fā)出來,產(chǎn)生垂直于表面的反作用力,此時(shí)仍產(chǎn)生超聲波,但主要是燒蝕效應(yīng)產(chǎn)生的超聲波,燒蝕效應(yīng)原理如圖2所示,燒蝕效應(yīng)會(huì)對表面產(chǎn)生一定的微損傷,但可獲得更高強(qiáng)度的超聲信號(hào)。文中介紹的激光超聲主要是基于熱彈效應(yīng)產(chǎn)生。

圖1 熱彈效應(yīng)原理示意

圖2 燒蝕效應(yīng)原理示意

2 激光超聲可視化檢測系統(tǒng)

激光超聲可視化檢測基本原理如圖3所示,檢測系統(tǒng)由脈沖激光發(fā)射掃描單元、數(shù)據(jù)采集單元和系統(tǒng)控制單元、信號(hào)接收單元等組成。檢測儀器主要包括脈沖激光器、電動(dòng)小鏡、數(shù)據(jù)采集卡、濾波器、放大器及數(shù)據(jù)處理器等部件。脈沖激光掃描順序如圖4所示,激光掃描點(diǎn)從左下角位置①出發(fā)自下向上以設(shè)定掃描點(diǎn)數(shù)逐點(diǎn)掃描至位置②,然后移至第二列最后一點(diǎn)位置③,再自下向上逐點(diǎn)掃描,如此反復(fù)掃描直至完成設(shè)定范圍內(nèi)最后一掃描點(diǎn);圖中N x為x軸激光掃描點(diǎn)數(shù);N y為y軸激光掃描點(diǎn)數(shù);(l x,l y)為掃描點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3 激光超聲可視化檢測基本原理

圖4 脈沖激光掃描順序

采用波長為1 064 n m 的空冷調(diào)Q 固態(tài)二極管泵浦脈沖激光器,通過激光腔內(nèi)鎖模、激光器陣的定時(shí)激發(fā)、電光調(diào)Q 技術(shù),利用光纖相陣法控制產(chǎn)生脈寬為7 ns的激光束。激光能量為2 mJ,光斑直徑不大于1 mm。同步控制激光反射鏡使其按上述設(shè)定順序從上到下、從左至右偏轉(zhuǎn)±25°進(jìn)行掃描。脈沖激光照射在被測體表面,試件表面會(huì)吸收光能、瞬間熱膨脹產(chǎn)生微小變形。壓電傳感器在鋁板表面接收超聲信號(hào),信號(hào)經(jīng)濾波、降噪及放大后通過高速A/D(模/數(shù))采集卡轉(zhuǎn)換存入計(jì)算機(jī)。檢測結(jié)束后所記錄超聲波信號(hào)被重新整合處理后以最大振幅圖像、時(shí)域圖像、頻域圖像及三維波場傳播圖像等形式顯示。從上述圖像中可實(shí)時(shí)觀察到物體構(gòu)造及其物理性能的變化對超聲信號(hào)的影響,也可動(dòng)態(tài)地顯示超聲波在物體中的實(shí)際傳播過程,從而直觀地檢測出物體內(nèi)部的損傷。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

檢測樣件結(jié)構(gòu)如圖5所示,在規(guī)格為300 mm×100 mm×3 mm(長×寬×厚)的鋁板表面制作一個(gè)尺寸(長×寬)為8 mm×0.2 mm(C1)的人工裂縫。用上述激光超聲波可視化系統(tǒng)對該鋁板進(jìn)行檢測,檢測現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 檢測樣件結(jié)構(gòu)示意

設(shè)定可視化檢測范圍為58 mm×58 mm(長×寬),超聲探頭頻率為2 MHz,掃描間隔dx=dy=0.198 mm,掃描間隔設(shè)定在超聲波波長的1/2以下,可視化范圍內(nèi)激光掃描總點(diǎn)數(shù)N為41 820。脈沖激光能量設(shè)置為60%(0.75 mJ),以確保鋁板樣件表面不被燒蝕。A/D采樣頻率為20 MHz,波形采樣點(diǎn)數(shù)為500,故每個(gè)波形采樣時(shí)間為25μs。信號(hào)波形峰-峰電壓值為10 V,掃描頻率為1 000 Hz,檢測時(shí)間為42 s。按上述檢測條件及掃描模式進(jìn)行檢測,采集數(shù)據(jù)且同時(shí)自動(dòng)存于計(jì)算機(jī)中。通過系統(tǒng)解析軟件將檢測結(jié)果以最大振幅圖像、超聲波動(dòng)態(tài)傳播圖像顯示。

3.2 檢測結(jié)果及分析

為了檢測表面裂紋缺陷,使用激光束掃描目標(biāo)區(qū)域,通過壓電傳感器接收超聲信號(hào),同時(shí)監(jiān)測表面裂紋缺陷引起的平面內(nèi)入射超聲反射或傳輸振幅變化情況。激光產(chǎn)生的超聲波包含了很大一部分表面波信號(hào),激光束與表面異常的相互作用可通過超聲信號(hào)振幅增加和超聲頻率的變化來表示,激光超聲時(shí)域及空域信號(hào)如圖7所示。傳感器接收到的單點(diǎn)超聲響應(yīng)信號(hào)如圖7(a)所示,對采集到的響應(yīng)信號(hào)的每個(gè)點(diǎn)取最大值得出圖7(b)所示的最大振幅圖像,然后將響應(yīng)信號(hào)放置在三維數(shù)據(jù)中與目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的位置。利用顏色表示信號(hào)在某個(gè)位置處能量的大小,紅色區(qū)域表示超聲信號(hào)幅值較大,能量較強(qiáng);藍(lán)色區(qū)域代表超聲信號(hào)幅值較小,能量較弱。圖7以超聲信號(hào)遇到缺陷時(shí)相互作用產(chǎn)生的能量強(qiáng)弱變化來表示被測體內(nèi)部的損傷情況。從圖7中可以看到尺寸為8 mm×0.2 mm 的裂縫缺陷處能量幅值較高,缺陷周圍及其他位置能量幅值較低,缺陷邊緣有明顯的衍射和反射現(xiàn)象。圖7(c)為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)三維數(shù)據(jù)重構(gòu)的最大振幅圖像,x,y分別表示目標(biāo)區(qū)域范圍,z為掃描點(diǎn)最大振幅,可以清楚顯示出激光束撞擊裂紋附近產(chǎn)生的超聲信號(hào)振幅變化軌跡。7(d)為通過信號(hào)差分處理后重構(gòu)的三維最大振幅圖像,清楚顯示了缺陷的位置及大小。

圖7 激光超聲時(shí)域及空域信號(hào)

將檢測區(qū)域內(nèi)采集到的每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的超聲信號(hào)數(shù)據(jù)整合成空間時(shí)域的三維超聲波場數(shù)據(jù),三維聲場傳播圖像如圖8所示。超聲波場中任意時(shí)刻的截面圖用強(qiáng)度表示,不同時(shí)刻以同一方式排列組合實(shí)時(shí)成像,沿時(shí)間軸截取相應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)截面圖即可得到超聲隨時(shí)間變化的三維動(dòng)態(tài)傳播圖,該原始動(dòng)態(tài)傳播圖像包含超聲前進(jìn)波和反射波。

圖8 三維聲場傳播圖像

圖8(a)中t=3.5μs時(shí)最先出現(xiàn)的波為傳播速度較快的縱波波包,經(jīng)過3μs后縱波強(qiáng)度降低、表面波隨即出現(xiàn)且強(qiáng)度及寬度較大,如圖8(b)所示。由圖8(c)可見t=10.5μs三維超聲波場遇到缺陷后前進(jìn)波場及部分缺陷波場相互疊加,因此強(qiáng)度大幅增加。如圖8(d)所示,t=11.5μs時(shí)缺陷處波場強(qiáng)度急劇降低且波包較多,可以看出超聲波場遇到缺陷后發(fā)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換,但主要傳播包絡(luò)仍以表面波包為主。圖8(e)顯示了t=15μs時(shí),前進(jìn)波遇到邊界發(fā)生反射產(chǎn)生邊界反射回波,前進(jìn)波場強(qiáng)度降低的情況。在此時(shí)刻產(chǎn)生與前進(jìn)波場方向相反的反射波波場,反射波場返回到物體表面作為缺陷反射回波被觀察到,圖8(e)紅色箭頭所指位置即為缺陷回波。由圖8(f)可見t=19μs時(shí)邊界反射回波減弱,前進(jìn)波場強(qiáng)度增加但傳播較為散亂。

反射波場與前進(jìn)波場傳播方向相反且幅值較小,在很多情況下易被前進(jìn)波場或噪聲覆蓋,難以從波場中提取有效損傷信息。為了提高檢測靈敏度及信噪比,在檢測時(shí)可對同一點(diǎn)多次掃描并進(jìn)行信號(hào)平均。亦可在檢測完成后利用頻率濾波法、相鄰點(diǎn)同步差分法等可視化圖像處理方法將反射波從超聲波場中分離出來,消除有干擾的前進(jìn)波場而突顯出缺陷回波,使缺陷更易于識(shí)別,提高可視化檢測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

介紹了一種基于脈沖激光發(fā)射信號(hào)、壓電傳感器接收信號(hào)的激光超聲可視化檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)以各掃描點(diǎn)最大振幅重構(gòu)三維最大振幅圖以及動(dòng)態(tài)三維超聲波場圖像,來實(shí)現(xiàn)缺陷檢測。對鋁板中裂紋進(jìn)行可視化檢測并對缺陷信號(hào)進(jìn)行表征和識(shí)別,證明了該檢測技術(shù)的有效性。所提出的激光超聲可視化檢測掃描系統(tǒng)和三維成像方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 采用脈沖激光發(fā)射、壓電傳感器接收信號(hào),通過激光反射鏡控制激光束快速掃描檢測物體表面設(shè)定范圍能夠?qū)崿F(xiàn)高時(shí)空分辨率檢測,可對鋁板表面長度為8 mm 的缺陷進(jìn)行檢測并精確成像。

(2) 對缺陷進(jìn)行二維最大振幅成像和三維超聲最大振幅成像,能夠清晰觀測到缺陷對于超聲波場的反射及衍射情況,易于分辨判別鋁板表面缺陷位置及大小。

(3) 根據(jù)時(shí)間軸截取相應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)截面圖得到的三維動(dòng)態(tài)聲場傳播圖像,能夠?qū)崟r(shí)觀測到三維超聲傳播中的前進(jìn)波場、反射波場及缺陷回波。