[发明专利]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

说明书

本发明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；本发明提高了激光超声的检测能力和表征能力。

技术领域

本发明属于裂纹表征检测技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明采用以下技术方案：

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：

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。

具体的，步骤S1中，裂纹的深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。