利用光學(xué)傳聲的激光超聲探測器

正文

利用光學(xué)傳聲的激光超聲探測器

圖3:透射測量結(jié)果。

(a)點焊典型時間信號和c掃描

(b)良好焊縫的閾值c掃描和x軸線掃描塌计，虛線表示行掃描位置

(c)對直徑過小的壞焊縫進行閾值c掃描和x軸線掃描

該光學(xué)麥克風(fēng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種過程控制和無損檢測應(yīng)用挺身，以及生物醫(yī)學(xué)成像中的光聲顯微鏡。隨后展示了通過結(jié)合激光激勵無損檢測傳輸和單面測量锌仅。

點焊透射試驗圖3(b)顯示了點焊的c掃描圖像瞒渠。焊縫形成的連接保證了良好的超聲傳播，而周圍的間隙強烈地衰減了超聲傳播技扼。檢測面積小(0.3 mm伍玖。2毫米)的光學(xué)傳聲器導(dǎo)致高橫向分辨率。圖3(a)描述了來自數(shù)據(jù)集的典型時間信號剿吻。它的特征是一個初級脈沖的持續(xù)時間<2 us帶寬窍箍，并證明了可以實現(xiàn)這個時間分辨率。

本文所述的所有測量均在如圖2(a)所示的樣本上進行丽旅。它由兩片鋼板組成椰棘，尺寸為20cm × 20cm，厚度為1mm榄笙，通過一些不同質(zhì)量和表面光潔度的點焊連接邪狞。D1組測量是在透傳裝置中進行的，如圖2(b)和圖2(c)所示茅撞。激勵激光器由安裝在樣品上方的緊湊型光纖耦合頭發(fā)送帆卓，而光學(xué)麥克風(fēng)被放置在樣品下方約1厘米的距離。利用二維掃描機器人對激勵激光頭和麥克風(fēng)進行掃描剑令，記錄局部檢測到的超聲振幅，形成Z大振幅投影的c掃描圖像拄查。

對于內(nèi)聯(lián)無損檢測吁津。實際的測試時間通常被限制在幾秒鐘之內(nèi)。因此堕扶，通過點焊考慮線掃描是有用的碍脏。作為一個例子，圖3顯示了行掃描之間的比較稍算。在幾秒鐘內(nèi)記錄的良好(b)和不充分(c)焊縫。較小的壞點焊延伸(例如邪蛔，通過線掃描的Z大半寬(FWHM)來量化)是很容易檢測到的急黎。

點焊單面蘭姆波測試

如圖3(a)所示扎狱，有足夠的帶寬用于短超聲瞬變的時間分辨率，這為非接觸單邊測試提供了條件勃教。在這種情況下淤击，使用蘭姆波進行缺陷表征，以及樣本參數(shù)估計故源，這是當(dāng)前熱門的科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域[14]污抬。接下來，我們首次測量了點焊附近由激光激發(fā)產(chǎn)生的蘭姆波的傳播绳军，并用光學(xué)傳聲器記錄下來印机。對于這些測量，光學(xué)傳聲器和激勵激光頭被放置在樣品的同一側(cè)门驾，如圖4所示射赛。激發(fā)激光以固定位置傳送到板上，距離點焊縫7厘米奶是。光學(xué)傳聲器在包含點焊的5cm × 5.5 cm大小的區(qū)域內(nèi)進行掃描楣责。一個典型的時間信號如圖5(A)所示。經(jīng)過短時間延遲后聂沙，檢測到與導(dǎo)波相關(guān)的信號秆麸。在以后的時間里，這個信號與激光與平板之間的相互作用點激發(fā)的高振幅信號及汉，和機載超聲的疊加有關(guān)沮趣。

圖4:單面測量設(shè)置示意圖

激發(fā)激光被傳送到樣品上距離點焊7厘米的固定點上。光學(xué)傳聲器位于樣品的同一側(cè)坷随，掃描包含點焊的5cm × 5.5 cm成像區(qū)域，以檢測沿平板傳播的導(dǎo)波甸箱。

導(dǎo)波的時間演化可以通過c掃描不同時間點的信號幅值來可視化育叁。圖5(b)-(d)顯示了這樣一個圖像序列，每張圖像之間有8 us的時間延遲芍殖。它們顯示了初級So模式和一個由于模式轉(zhuǎn)換(b)而在點焊處加速或由于模式轉(zhuǎn)換(b)而產(chǎn)生的Ao成分，以及隨后在點焊周圍形成一個由激光吸收(c,d)產(chǎn)生的高階初級Ao模式的衍射圖案谴蔑。Z后一個面板(e)在20 μs的時間窗口內(nèi)包含Z大振幅投影豌骏，顯示點焊產(chǎn)生的“陰影”，即焊縫后Ao模式的振幅顯著降低隐锭。未來的工作將集中于利用觀察到的特征進行缺陷檢測和表征窃躲。

圖5:單側(cè)測量的結(jié)果

(a)典型的時間軌跡钦睡，顯示在前110 us內(nèi)的導(dǎo)波和隨后從激勵點到達的空氣耦合信號蒂窒。(b)-(d)導(dǎo)波的時間演化。

(b)點焊的波分量和Ao分量。

(c)洒琢， (d)點焊周圍Ao模式的衍射秧秉。

(e)超過20 μs跨度的Z大振幅投影，顯示焊縫周圍的振幅分布衰抑。

圖6: B掃描象迎，根據(jù)傳播速度識別觀察到的模態(tài)。傳感器對準被掃描激勵點超過50毫米的距離呛踊。左圖:290 μs砾淌。包含導(dǎo)波和后期空氣耦合信號的時間段。右圖:放大到前55 us谭网，對兩個Lamb模態(tài)(Ao和So模態(tài))進行相速度估計汪厨。

Z后，圖6顯示了一個b掃描產(chǎn)生的時間信號線掃描沿x軸愉择，掃描過程光麥克風(fēng)遠離源移動骄崩。b掃描中薄辅，可以估計不同觀測模式的傳播速度要拂。除了稍后的空氣耦合信號外，我們還發(fā)現(xiàn)了一個顯著的模式站楚，其傳播速度為'Ao ~ 1500 m/s脱惰，以及一個低振幅模式(vso ~ 5100m/s)。通過與薄鋼板[15]的色散關(guān)系相速度值的比較窿春，可以識別出這兩個模態(tài)分別為Z低階反對稱模態(tài)和對稱Ao模態(tài)和So -模態(tài)拉一，因為具有相似聲速的高階模態(tài)僅出現(xiàn)在超出我們測量范圍的頻率上。未來的工作將包括通過二維FFT或小波分析從b掃描中恢復(fù)色散關(guān)系旧乞，用于參數(shù)估計蔚润，或識別顯示缺陷存在的模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)。

總結(jié)與展望

本文提出了一種基于激光激勵和空氣耦合光傳聲器相結(jié)合的新型非接觸無損檢測裝置尺栖。這種組合允許實現(xiàn)緊湊的嫡纠、纖維耦合的NDT探頭，適用于檢測和產(chǎn)生微秒時間尺度的超聲瞬變延赌。它已被證明為穿透和單面特性的點焊鋼除盏。兩種裝置都允許對缺陷進行高分辨率成像。在單面測量的背景下挫以，研究了蘭姆波在點焊附近的傳播者蠕。未來的工作將包括不同類型的樣品材料和幾何形狀的測量掐松，以及快速內(nèi)聯(lián)的應(yīng)用開發(fā)無損檢測設(shè)置踱侣。

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