[發(fā)明專利]基于能量譜分析的激光超聲裂紋尺寸定量表征方法及系統(tǒng)

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• 申請日: 2023-01-15
• 公開（公告）號: CN116183512A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設計）人: 李兵;秦峰;陳磊;張振龍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N29/11;G01N29/265;G01N29/44
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發(fā)明公開了一種基于能量譜分析的激光超聲裂紋尺寸定量表征方法及系統(tǒng)，在被測物的表面制造裂紋缺陷；隨后激發(fā)超聲波，獲得激光超聲信號；實現(xiàn)對缺陷的掃描檢測，同時獲得缺陷附近的超聲波場；通過對不同時刻的超聲波場的重構，判斷超聲波的傳播過程和與缺陷作用過程；隨后從不同時刻超聲波場圖提取出能量譜，獲得不同時刻缺陷對能量譜的影響；判斷能量譜能量再分布情況，判斷是否存在缺陷進而判斷是否經(jīng)過缺陷；分析在經(jīng)過缺陷時，能量譜能量的衰減情況，并建立與缺陷深度的單一對應關系，實現(xiàn)缺陷的定量表征，同時使用人工智能算法提取其他參數(shù)實現(xiàn)缺陷的表征；本發(fā)明提高了激光超聲的檢測能力和表征能力。

技術領域

本發(fā)明屬于裂紋表征檢測技術領域，具體涉及一種基于能量譜分析的激光超聲裂紋尺寸定量表征方法及系統(tǒng)。

背景技術

金屬等材料在制造工程和服役階段，由于其受到各種工作環(huán)境的影響，在其表面和內(nèi)部極易產(chǎn)生裂紋等缺陷。如果不及時對其進行檢測，極易產(chǎn)生斷裂等失效情況，從而造成極大的人員和財產(chǎn)損失，所以需要對其進行及時的檢測。目前針對裂紋等缺陷的檢測方法有很多種，包括超聲檢測，射線檢測，渦流檢測等等，其中激光超聲檢測以其非接觸，寬頻帶而受到廣泛關注，常被用來對缺陷進行定性、定位和定量表征。但定量表征一直是缺陷檢測表征的難點和重點。通過研究發(fā)現(xiàn)，由于裂紋的閉合效應，當激光通過熱彈效應或燒蝕效應產(chǎn)生的超聲傳播至缺陷附近時，裂紋會對超聲造成模式轉換，同時也會對激光超聲波進行能量再分布影響。更重要的是，裂紋的閉合也會消耗一部分能量。

反射系數(shù)主要考慮的是激光超聲波的幅值，其計算方法為采用反射波峰值和入射波或者直達波峰值的比值用作定量表征裂紋等缺陷的損傷敏感特征參量。但是一般而言，很多因素都會影響幅值的大小，包括激光能量，激光光斑直徑，材料特性，激發(fā)點和接收點位置等等。而且之前提到反射系數(shù)是采用峰值進行計算，這意味著這一算法無法考慮非峰值的其他波形，但是對于激光超聲這種寬頻帶特性信號，則很容易忽略其他相關重要信息，從而無法得到所需要的結果。

因為反射系數(shù)存在很多問題，相關學者提出反射能量系數(shù)算法，即采用反射波與直達波能量比值，雖然可以解決只考慮峰值問題，但是因為需要分別求取直達波和反射波能量，那么就首先需要獲得直達波和反射波信號，但是對于很多微小缺陷，從激光超聲信號中準確的提取反射波是件很困難的事，所以只能用于大缺陷情況，這極大地限制了這種算法的應用場景。而且在現(xiàn)場信號采集中，由于信號受到很多其他信號的干擾，其反射波可能不是太明顯，所以在實際操作中存在一定困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于能量譜分析的激光超聲裂紋尺寸定量表征方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有激光超聲定量表征能力不足的技術問題。

本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于能量譜分析的激光超聲裂紋尺寸定量表征方法，包括以下步驟：

S1、以裂紋深度作為待表征尺寸，在被測物表面加工裂紋；

S2、利用高功率脈沖激光分別在步驟S1得到的被測物表面和內(nèi)部激發(fā)超聲波；

S3、通過移動被測物或者激光光束實現(xiàn)激光光斑的移動，完成對缺陷的激光超聲掃描檢測，基于激光超聲掃描采集的數(shù)據(jù)進行激光超聲波場重構；

S4、求解步驟S3得到的激光超聲波場的能量譜，根據(jù)能量譜判斷缺陷位置；

S5、根據(jù)步驟S4得到的缺陷位置確定激光超聲波經(jīng)過缺陷的時刻，同時對多個時刻經(jīng)過缺陷時激光超聲波的波場能量譜進行分析，得到激光超聲波在經(jīng)過缺陷過程的能量譜變化情況；

S6、基于步驟S5得到的能量譜變化情況確定在經(jīng)過缺陷時能量譜能量的衰減情況，建立能量譜與缺陷深度的單一對應關系，實現(xiàn)裂紋尺寸的定量表征。

具體的，步驟S1中，裂紋的深度為0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。