专利名称：探伤系统及探伤方法
技术领域：
本发明涉及无损探伤领域，特别涉及应用超声波技术的探伤系统及探伤方法。
背景技术：
目前，在工业生产及应用过程中，对工件进行无损探伤以获知工件内部的缺陷已 成为一种常规化的检测手段。其中，超声波探伤技术是业界采用较为广泛的一种无损探伤 技术。现有的超声波探伤技术，其简单来说是通过超声波探头向工件的探伤面发生超声 波，并根据所述超声波经由工件缺陷的反射回波或衍射波来确定工件内部的缺陷。而依据 超声波探头相对于探伤面的位置及探头控制方法的不同，现有的超声波探伤技术可分为多 种。例如，包括有利用垂直探头对探伤面垂直收发超声波的垂直探伤法、对探伤面倾斜入射 超声波并接收回波的斜角探伤法、由配置成对的1对斜角超声波探头中的1个探头入射纵 波、并由另1个探头接收出射衍射波的飞行时间(TOFD，Time Of Flight Diffraction)衍 射法等等。上述举例的超声波探伤方法各有利弊，通常还需要基于检测环境来选择适当的探 伤方法。例如，基于被探测工件的材料、形状的不同来进行探伤方法的选择。因此，上述举 例的超声波探伤方法都有各自的局限范围。并且，由于上述举例的超声波探伤方法都需要将发射超声波的探头置于工件探伤 面进行接触式探伤，因而对于一些表面凹凸不平或形状复杂的工件，这些超声波探伤方法 的探伤结果就很容易受到探头与探伤面接触条件的影响。
发明内容
本发明解决的问题是现有超声波探伤方法的探伤结果易受到探头与探伤面接触 条件的影响的问题。为解决上述问题，本发明提供一种探伤系统，包括激光器，产生脉冲激光；光路调节装置，对激光器产生的脉冲激光进行光路调节后使所述激光投射到工件 探伤面，对所述探伤面进行激光扫描；信号接收装置，捕获被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；成像装置，基于信号接收装置接收的热激励超声波信号，生成动态波形影像。相应地，本发明还提供一种探伤方法，包括应用脉冲激光扫描被探伤工件表面；接收被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；基于所述热激励超声波信号，生成动态波形影像。与现有技术相比，上述探伤系统及探伤方法具有以下优点以所述激光扫描代替 现有技术发射超声波的方式作为探伤信号源，由于激光扫描无须如现有技术般将探头与被
3探伤工件表面接触，探伤结果也不会受到所述探头与探伤面接触条件的影响，因而较为精 确。同时，非接触的扫描方式也使得探伤效率大大提高。另外，对于现有技术难于探伤的复 杂形状工件也可无损检测。并且，基于所述热激励超声波信号生成的动态波形影像，也能提供更为直观且实 时的探伤结果，相应地，不同技术人员基于该实时波形影像进行分析获得的探伤结果差异 较�。虼耍缴私峁芴缴思际跞嗽彼降挠跋旖闲 �
图1是本发明探伤系统的一种实施方式示意图；图2是本发明探伤系统的一种实施例示意图；图3是图2所示探伤系统中电动扫描镜的一种可选实现方式示意图；图4是图2所示探伤系统激光投射于工件探伤面的投影示意图；图5是图2所示探伤系统获取激光投射于工件上的空间投影坐标示意图；图6是2探头构成的超声波接收探头进行缺陷3D定位的示意图；图7是本发明探伤方法的一种实施方式示意图。
具体实施例方式参照图1所示，本发明探伤系统的一种实施方式包括激光器10，产生脉冲激光；光路调节装置20，对激光器10产生的激光进行光路调节后使所述激光投射到工 件探伤面，对所述探伤面进行激光扫描；信号接收装置30，捕获被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；成像装置40，基于信号接收装置30接收的热激励超声波信号，生成动态波形影 像。上述探伤系统的实施方式中，激光器10产生的脉冲激光作为探伤信号源，所述脉 冲激光经由所述光路调节装置20的光路调节，可以改变在探伤面上的投射位置，从而实现 对探伤面的激光扫描。经由实验证实，所述脉冲激光投射位置处会产生瞬间剧烈的热膨胀， 从而产生热激励超声波。并且，所述热激励超声波会沿所述探伤面向被探伤工件内部传播。 当所述热激励超声波经过工件内部的缺陷时，其波形就会发生异常变化。因此，通过信号接 收装置30捕获所述热激励超声波信号，并通过成像装置40生成动态波形影像，就可对于被 探伤工件的内部情况有一个直观且实时的了解。以下通过一些具体实例对所述探伤系统的各组成部件及工作过程作进一步说明。参照图2所示，本发明探伤系统的一种实施例包括激光器11，产生脉冲激光；电动扫描镜21，根据扫描控制信号对脉冲激光发生器11产生的脉冲激光进行反 射角度调节后使所述脉冲激光投射到工件100探伤面，对所述探伤面进行激光扫描；超声波接收探头31，捕获工件100由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；放大器41，对所述热激励超声波信号进行增幅处理；模数转换器42，对所述增幅后的热激励超声波信号进行模数转换处理；
中控电脑43，向所述电动扫描镜21发送扫描控制信号控制光路调节过程，控制激 光器11的开关，并在开启激光器11时向模数转换器42发送同步信号，以及接收模数转换 器42输出的数字化热激励超声波信号，以此生成动态波形影像并显示。结合图2和图3所示，所述电动扫描镜21的一种可选实现方式包括经由电机控 制的2轴扫描镜，其包括第一镜面22和第二镜面23，所述电机由所述中控电脑43发送的扫 描控制信号控制。当所述脉冲激光发生器11发射脉冲激光110后，所述脉冲激光110首先 到达所述电动扫描镜21的第一镜面22，所述脉冲激光110经由第一镜面22的反射后到达 第二镜面23，并再经由第二镜面23的反射后投射到前述的工件100的探伤面。由所述第一镜面22、第二镜面23构成的电动扫描镜21的工作过程可以看到，通 过电机分别控制所述两块镜面的角度可以调节所述脉冲激光110投射到工件100的探伤面 的投射点200的位置。例如，继续参照图3所示，控制第一镜面22的法线Nx相对于水平轴 的角度a可以控制所述脉冲激光110在所述探伤面上的水平位置，而控制第二镜面23的 法线Ny相对于竖直轴的角度0可以控制所述脉冲激光110在所述探伤面上的竖直位置， 从而经由所述脉冲激光110在所述探伤面上的水平位置和竖直位置的确定，所述脉冲激光 110在所述探伤面上的投射点200的位置。此处仅为举例，并非用以限定，所述激光扫描的可以为光栅式扫描。具体地说，设 定电动扫描镜21中两块镜面各自的初始角度，然后由中控电脑43向电动扫描镜21中的电 机发送扫描控制信号，控制第一镜面22不动，而第二镜面23从下向上转动。并且，每当第 二镜面23转动一个角度(包括初始角度)后，使得第二镜面23静止一定时间。此时，中控 电脑43开启激光器11产生一个脉冲激光110投射到所述探伤面上。随后，中控电脑43再 次使得第二镜面23转动一个角度，并再次开启激光器11产生一个脉冲激光110投射到所 述探伤面上。从而依此过程，使得所述脉冲激光110在所述探伤面的某一水平位置从下向 上依次进行激光投射。当完成探伤面上的一列激光投射后，中控电脑43向电动扫描镜21中的电机发送 扫描控制信号，控制第二镜面23回复到其初始角度，并且控制第一镜面22相对于其初始角 度偏转一定角度，以使得此后脉冲激光110在所述探伤面上的起始投射位置相对于第一次 扫描的起始投射位置发生水平位移，所述位移沿图2中箭头201方向。此后，中控电脑43向电动扫描镜21中的电机发送扫描控制信号，控制第一镜面22 不动，而第二镜面23从下向上依次转动一个角度。和之前相同地，对应每一个转动角度(包 括初始角度)，中控电脑43开启激光器11产生一个脉冲激光110投射到所述探伤面上。从 而，使得所述脉冲激光110在所述探伤面上再次从下向上依次进行激光投射。如此周而复 始，最终实现在所述探伤面上的光栅式扫描。而在上述激光扫描期间，通过超声波接收探头31，就可捕获工件100由所述激光 扫描产生的热激励超声波信号。根据超声波接收探头31接收所述热激励超声波信号的方 式不同可以有多种可选的实现方式。在一种可选方式中，所述超声波接收探头31为单个探头，其可以贴附于所述探伤 面上或工件100的侧面或背面。所述单个探头可以垂直探测所述热激励超声波信号或以一 定斜角探测所述热激励超声波信号。在另一种可选方式中，所述超声波接收探头31为多个探头(2个或2个以上)构成的探头组。所述多个探头分别贴附于工件100的不同位置上，以对工件，特别是对厚度较 大的工件，进行内部缺陷的3D定位。不仅可以获得工件内部缺陷在探伤面上的位置，还可 以获得该内部缺陷在工件内部的深度。因此，通过多个探头的探测有助于进行更精确的缺 陷定位。所述超声波接收探头31在捕获所述热激励超声波信号后会将该热激励超声波信 号发送至放大器41。所述放大器41用于将所述热激励超声波信号进行增幅，以便于后续形成的波形 影像能够更清晰地反映工件100的内部情况。更进一步，为获得更准确的波形影像，在所述 放大器41中还可集成滤波装置，以去除干扰波并选择感兴趣的信号波。例如，通过选择滤 波装置的低通、高通、带通工作模式以及滤波器的截止频率或中心频率，就可以得到特定频 率成分的信号波。所述放大器41在对所述热激励超声波信号增幅后，会将其发送至模数转换器42 进行模数转换处理。所述模数转换器42由中控电脑43控制，在中控电脑43开启激光器11产生一个 脉冲激光110时，同时向所述模数转换器42发送同步信号，从而使得模数转换器42的模数 转换处理与激光器11的开启时刻完全同步。所述模数转换器42完成模数转换处理后，将 数字化的热激励超声波信号以波形列数据的方式发送至中控电脑43。由于模数转换器42 的模数转换处理与激光器11的开启时刻完全同步，因而所述数字化的热激励超声波信号 也包含了激光发射时刻的信息。所述中控电脑43中的波形影像生成装置就会基于所获得的数字化的热激励超声 波信号产生动态波形影像。具体地说，就是将所述数字化的热激励超声波信号的数据列按 照激光对工件探伤面扫描时的空间投影坐标进行排列。并对激光发射的各个时刻的振幅值 进行辉度调制，就可得到各个时刻的辉度图像。然后，对所述辉度图像按时间序列连续显 示，就可构成动态的波形影像。参照图4所示，以激光在工件探伤面的扫描区域的中心点120为基准点，设置基准 点在xy坐标系中的坐标为基准坐标，以第二镜面23与所述中心点120的距离为基准举例， 在已知激光投射点相对于基准点的角度时，通过计算来获得所述激光投射点相对于中心点 的相对空间投影坐标。结合图4和图5所示，假定中心点120的基准坐标为(xO，yO)，第二镜面23与所 述中心点120的距离为D，则所述扫描区域110中的其他激光投射点的相对空间投影坐标 可基于中心点的基准坐标来获取。例如，某一激光投射点沿y方向的坐标点yl与第二镜 面23的连线与中心点沿y方向的坐标点yO与第二镜面23的连线的夹角为0 y。则，yl = yO+DXtan(0 y)。同样地，该激光投射点沿x方向的坐标点xl与第二镜面23的连线与中 心点沿x方向的坐标点xO与第二镜面23的连线的夹角为0 x。则，xl = x0+DXtan(6 x)。 至此，该激光投射点相对于中心点的相对空间投影坐标确定。以下以2探头构成的超声波接收探头为例，对定位工件内部缺陷的缺陷深度的过
程进一步说明。参照图6所示，在激光投射到工件探伤面上的某一点G时，工件由所述激光投射产 生热激励超声波信号，当所述热激励超声波信号传播经过缺陷点F时，所述热激励超声波信号会产生相应变化。而该变化会被接收探头S1、S2所捕获。则在经由图4、5的举例获得 激光投射点的空间投影坐标后，即可通过所述探头SI、S2与激光投射点的位置关系，以及 探头SI、S2获得经由缺陷点F传播的热激励超声波信号的时间来确定缺陷深度。具体地说，假定探头S1至缺陷点F的距离为D1，探头S2至缺陷点F的距离为D2， 探头S1获得经由缺陷点F传播的热激励超声波信号的时间为，探头S2获得经由缺陷点 F传播的热激励超声波信号的时间为T2，超声波传播速度为v，探头S1至激光投射点G的距 离为L1，探头S2至激光投射点G的距离为L2，缺陷深度为h，则有Dl = vXT1;D2 = vXT2 ；h2 = D12_L12 = D22_L22 = (vXT1)2_L12 = (vXT2)2_L22 (1)基于上述说明，I\、T2、L1、L2均可测，则利用式(1)可解得v2 = (L12_L22) + (T^-T/)(2)将式⑵代入式(1)可得缺陷深度 由此，就可获得工件内部缺陷的缺陷深度。上述定位工件内部缺陷是以2探头举例，但并非对此作出限定。当探头数量增加 至2个以上时，仍可参照上述方法进行缺陷定位，此处就不再赘述了。对应上述探伤系统，本发明还提供一种探伤方法。参照图7所示，根据其一种实施 方式，所述探伤方法包括步骤sl，应用激光扫描被探伤工件表面；步骤s2，接收被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；步骤S3，基于所述热激励超声波信号，生成动态波形影像。对于探伤的详细过程，可参考上述探伤系统相关的举例说明，此处就不再赘述了。基于以上的举例说明可以看到，本发明探伤系统及探伤方法以所述激光扫描代替 现有技术发射超声波的方式作为探伤信号源，由于激光扫描无须如现有技术般将探头与被 探伤工件表面接触，探伤结果也不会受到所述探头与探伤面接触条件的影响，因而较为精 确。并且，基于所述热激励超声波信号生成的动态波形影像，也能提供更为直观且实 时的探伤结果。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，所做的各种更动与修改，均包含在本发明的保护范 围之内。
权利要求
一种探伤系统，其特征在于，包括激光器，产生脉冲激光；光路调节装置，对激光器产生的脉冲激光进行光路调节后使所述激光投射到工件探伤面，对所述探伤面进行激光扫描；信号接收装置，捕获被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；成像装置，基于信号接收装置接收的热激励超声波信号，生成动态波形影像。
2.如权利要求1所述的探伤系统，其特征在于，所述光路调节装置为2轴扫描镜，所述 2轴扫描镜包括第一镜面和第二镜面，所述第一镜面经由其法线相对于水平轴的角度确定 所述激光在工件探伤面上的水平投射位置，所述第二镜面经由其法线相对于竖直轴的角度 确定所述激光在工件探伤面上的竖直投射位置。
3.如权利要求1所述的探伤系统，其特征在于，所述信号接收装置为单个或多个超声 波接收探头，其置于工件探伤面上或工件的侧面或工件的背面。
4.如权利要求1所述的探伤系统，其特征在于，所述成像装置包括 放大器，对所述热激励超声波信号进行增幅处理；模数转换器，对增幅处理后的热激励超声波信号进行模数转换处理； 波形影像生成装置，对模数转换处理后的数字化的热激励超声波信号的各个时刻的振 幅值进行亮度调制获得图像化的波形图形，并对所述图像化的图形按时间序列连续显示， 生成动态的波形影像。
5.如权利要求4所述的探伤系统，其特征在于，所述模数转换器的模数转换处理与所 述激光器的激光发射同步。
6.一种探伤方法，其特征在于，包括 应用脉冲激光扫描被探伤工件表面；接收被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号； 基于所述热激励超声波信号，生成动态波形影像。
全文摘要
一种探伤系统及探伤方法。所述探伤系统包括激光器，产生脉冲激光；光路调节装置，对激光器产生的激光进行光路调节后使所述激光投射到工件探伤面，对所述探伤面进行激光扫描；信号接收装置，捕获被探伤工件由所述激光扫描产生的热激励超声波信号；成像装置，基于信号接收装置接收的热激励超声波信号，生成动态波形影像。所述探伤系统及探伤方法能够对任意形状物体实施高速探伤，探伤可靠性较高，且能够获得直观、实时的探伤结果。
文档编号G01N29/34GK101852774SQ201010178619
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者刘小军, 王波 申请人:王波
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