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利用光学传声的激光超声探测器

发布时间:2021-12-02 13:55:05 浏览量:1901 作者:Richard

摘要

随着复杂复合材料部件(如纤维增强复合材料部件)在生产中的使用逐渐增加,以及汽车和航空航天工业对全自动化质量控制的需求,促

进了对非接触式无损检测(NDT)技术的需求。超声探测由于其灵活性和显示内部缺陷的能力(如分层或裂纹),成为最广泛使用的测试

技术之一.

关键词

正文


利用光学传声的激光超声探测器

图3:透射测量结果。

(a)点焊典型时间信号和c扫描

(b)良好焊缝的阈值c扫描和x轴线扫描,虚线表示行扫描位置

(c)对直径过小的坏焊缝进行阈值c扫描和x轴线扫描


该光学麦克风已经成功地应用于各种过程控制和无损检测应用,以及生物医学成像中的光声显微镜。随后展示了通过结合激光激励无损

检测传输和单面测量。


点焊透射试验图3(b)显示了点焊的c扫描图像。

焊缝形成的连接保证了良好的超声传播,而周围的间隙强烈地衰减了超声传播。检测面积小(0.3 mm。2毫米)的光学传声器导致高横向

分辨率。图3(a)描述了来自数据集的典型时间信号。它的特征是一个初级脉冲的持续时间<2 us带宽,并证明了可以实现这个时间分辨

率。


本文所述的所有测量均在如图2(a)所示的样本上进行。它由两片钢板组成,尺寸为20cm × 20cm,厚度为1mm,通过一些不同质量和

表面光洁度的点焊连接。第一组测量是在透传装置中进行的,如图2(b)和图2(c)所示。激励激光器由安装在样品上方的紧凑型光纤耦合

头发送,而光学麦克风被放置在样品下方约1厘米的距离。利用二维扫描机器人对激励激光头和麦克风进行扫描,记录局部检测到的超

声振幅,形成最大振幅投影的c扫描图像。


对于内联无损检测。实际的测试时间通常被限制在几秒钟之内。因此,通过点焊考虑线扫描是有用的。作为一个例子,图3显示了行扫

描之间的比较。在几秒钟内记录的良好(b)和不充分(c)焊缝。较小的坏点焊延伸(例如,通过线扫描的最大半宽(FWHM)来量化)是很容

易检测到的。


点焊单面兰姆波测试

如图3(a)所示,有足够的带宽用于短超声瞬变的时间分辨率,这为非接触单边测试提供了条件。在这种情况下,使用兰姆波进行缺陷表

征,以及样本参数估计,这是当前热门的科学和工业领域[14]。接下来,我们首次测量了点焊附近由激光激发产生的兰姆波的传播,并

用光学传声器记录下来。对于这些测量,光学传声器和激励激光头被放置在样品的同一侧,如图4所示。激发激光以固定位置传送到板

上,距离点焊缝7厘米。光学传声器在包含点焊的5cm × 5.5 cm大小的区域内进行扫描。一个典型的时间信号如图5(A)所示。经过短

时间延迟后,检测到与导波相关的信号。在以后的时间里,这个信号与激光与平板之间的相互作用点激发的高振幅信号,和机载超声的

叠加有关。

图4:单面测量设置示意图

激发激光被传送到样品上距离点焊7厘米的固定点上。光学传声器位于样品的同一侧,扫描包含点焊的5cm × 5.5 cm成像区域,以检

测沿平板传播的导波。


导波的时间演化可以通过c扫描不同时间点的信号幅值来可视化。图5(b)-(d)显示了这样一个图像序列,每张图像之间有8 us的时间延

迟。它们显示了初级So模式和一个由于模式转换(b)而在点焊处加速或由于模式转换(b)而产生的Ao成分,以及随后在点焊周围形成一

个由激光吸收(c,d)产生的高阶初级Ao模式的衍射图案。最后一个面板(e)在20 μs的时间窗口内包含最大振幅投影,显示点焊产生的

阴影”,即焊缝后Ao模式的振幅显著降低。未来的工作将集中于利用观察到的特征进行缺陷检测和表征。

 

图5:单侧测量的结果

(a)典型的时间轨迹,显示在前110 us内的导波和随后从激励点到达的空气耦合信号。(b)-(d)导波的时间演化。

(b)点焊的波分量和Ao分量。

(c), (d)点焊周围Ao模式的衍射。

(e)超过20 μs跨度的最大振幅投影,显示焊缝周围的振幅分布。

 

图6: B扫描,根据传播速度识别观察到的模态。传感器对准被扫描激励点超过50毫米的距离。左图:290 μs。包含导波和后期空气耦合

信号的时间段。右图:放大到前55 us,对两个Lamb模态(Ao和So模态)进行相速度估计。


最后,图6显示了一个b扫描产生的时间信号线扫描沿x轴,扫描过程光麦克风远离源移动。b扫描中,可以估计不同观测模式的传播速

度。除了稍后的空气耦合信号外,我们还发现了一个显著的模式,其传播速度为'Ao ~ 1500 m/s,以及一个低振幅模式(vso ~ 5100

 m/s)。通过与薄钢板[15]的色散关系相速度值的比较,可以识别出这两个模态分别为最低阶反对称模态和对称Ao模态和So -模态,因

为具有相似声速的高阶模态仅出现在超出我们测量范围的频率上。未来的工作将包括通过二维FFT或小波分析从b扫描中恢复色散关

系,用于参数估计,或识别显示缺陷存在的模式转换效应。


总结与展望

本文提出了一种基于激光激励和空气耦合光传声器相结合的新型非接触无损检测装置。这种组合允许实现紧凑的、纤维耦合的NDT探

头,适用于检测和产生微秒时间尺度的超声瞬变。它已被证明为穿透和单面特性的点焊钢。两种装置都允许对缺陷进行高分辨率成像

在单面测量的背下,研究了兰姆波在点焊附近的传播。未来的工作将包括不同类型的样品材料和几何形状的测量,以及快速内联的应

用开发无损检测设置。


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