基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法

1.基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法，实现该方法的平台包括脉冲激光器、数字示波器、激光干涉仪、计算机、激光探头、检测样板，激光探头包括激光激励探头和激光接收探头，其特征在于：包括如下步骤，
1)实验系统整体搭建，脉冲激光器产生两组信号，一组同步信号直接传输给数字示波器，另一组信号传输给激光激励探头；激光接收探头与激光干涉仪相连接，并且将采集到的数据传输给数字示波器，最后数字示波器的信号储存到计算机中；激光激励探头和激光接收探头布置在检测样板的同侧或异侧；所述检测样板为铝板；
2)检测样板上的激励和接收阵元位置分布在其中心位置，形成n×n的密集型阵列，n为传感器阵列的行数；
3)由脉冲激光激励探头在阵元1的位置激励出超声波信号，由连续激光探头在阵元2、
3……N的位置接收铝板中的回波信号，其中，N＝n2；
4)脉冲激光激励探头移动至阵元2的位置，继续激励出超声波信号，同样由连续激光探头在阵元1、3……N的位置接收铝板中的回波信号，并且重复上面的操作依次激励剩余阵元，并利用连续激光接收回波信号，直到共采集到 组信号数据结束；
激光打在铝板上，由于激光在铝板上产生热弹性机制或烧蚀现象，从而与铝板产生响应即产生Lamb波，Lamb波在铝板中传播，遇到缺陷时Lamb波发生散射和反射，反射回波在铝板的多个方向传播，激光接收探头对于铝板的微弱振动响应有着高的灵敏度，激光接收探头接收到回波并将其储存，这样采集大量的数据后，对数据进行处理，利用采集到的信号对含缺陷铝板进行成像，从而定位出铝板中缺陷的位置，本方法即根据缺陷回波信号进而判断缺陷位置，数据采集及处理具体步骤如下；
(1)数据采集
激光激励和接收的阵元点布置，阵元的横向间距和纵向间距相等且小于一个波长即d1＝d2＜λ，首先激励阵元点i产生Lamb波，i＝1,2……N，Lamb波在铝板上周向进行传播，遇到缺陷则产生反射，之后反射的信号被阵元j接收，共计得到 组信号，j＝1,2……N，j≠i；
(2)成像算法理论
1)连续小波变换：由于激光在铝板中激励出的超声波是一种宽频信号，而宽频信号不利于对缺陷的定位，利用连续小波变换方法提取出特定频率附近的信号，连续小波变换CWT表示为：
式中 是w的复共轭，w是满足容许条件的母小波函数，a是伸缩因子，b是平移因子，x(t)是时域信号，t为信号在介质中所传播的时间；
2)频散补偿：激光接收到的信号在铝板中以离面位移为主，而且在薄的铝板中信号频散现象比较严重，不利于准确定位缺陷的位置，需利用线性映射的方法对采集到的信号进行频散补偿；
3)全聚焦成像TFM：对采集到的信号进行全聚焦的幅值成像，采用公式如下：
其中N为阵元数量，si,j是阵元i激励阵元j接收到的信号数据，ti,j(x,y)是激励传感器激励的信号波经过检测位置(x,y)到达接收传感器所经过的时间，(x,y)是成像点的坐标；
4)符号相干因子成像
为了提高成像的对比度和分辨率，引入符号相干因子成像技术，由以下式子得到：
其中σ是信号数据的符号bi,j的标准差，
其中si,j是信号的数据，ti,j(x,y)是激励传感器激励的信号波经过检测位置(x,y)到达接收传感器所经过的时间，(x,y)是成像点的坐标；
符号相干因子成像是基于信号的相位信息进行成像分析，极大地提高成像准确率；
5)图像融合，全聚焦成像有着高的对比度但分辨率低，而符号相干因子成像有着高的分辨率和准确度但是其对比度较低，则将两种成像结果进行图像融合则可以极大的改善成像质量。

基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位\n方法\n技术领域\n[0001] 本发明提供了一种基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法，属于激光超声无损检测领域。\n背景技术\n[0002] 随着现代工业的迅猛发展，金属板状结构已广泛应用于石油化工、航空航天和海洋运输等工程领域。储罐罐体、压力容器外壳、飞机机翼和船舶船体等均为大型金属板状结构。其中，储罐和压力容器是石油化工等行业重要的基础设施。然而，这些金属板状结构在服役过程中普遍工况恶劣且多处于承载状态，易受到冲击、腐蚀和疲劳等而产生不同类型的缺陷，这些缺陷一旦扩展极易导致结构安全可靠性大幅下降，剩余使用寿命缩短乃至整体结构失效，甚至产生灾难性的后果。作为大型设备或高端装备的主要组成部分和重要承载部件，金属板状结构的健康状况直接关系到整体结构的在役安全和使用寿命。这些金属板状结构普遍面积较大，给大范围无损检测带来了很大困难。现有的常规无损检测方法尚无法满足这一检测需求。\n[0003] 激光超声是利用点光源进行检测，其激励的激光聚焦点非常小，可达到微米量级，具有高的空间分辨率，有利于缺陷的精确定位；而且相对于压电片和其他传感器来说，很大程度上可以减少检测盲区、消除耦合剂对检测效果的影响。传感器阵列技术对于缺陷检测技术有着较高的灵敏度，而且具有良好的指向性，非常有利于缺陷的识别，在本发明中充分结合了激光超声和传感器阵列的优势，将激光Lamb波扫描方法和Lamb波相控阵列检测技术相结合，发展一种基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法，用于工程中广泛使用的大型金属板状结构非接触、快速、全面的无损检测。\n发明内容\n[0004] 本发明针对大型金属板结构全范围检测的要求，提出一种基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法。实现了对大型金属板结构的非接触，全范围内的精确检测。并且创新性的引进频散补偿算法使得激光传感器阵列实验更加精确的检测出缺陷位置，提高缺陷检测的灵敏度和分辨率。\n[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于密集型激光传感器阵列的Lamb波板状结构的缺陷定位方法，实现该方法的平台包括脉冲激光器、数字示波器、激光干涉仪、计算机、激光探头、检测样板；激光探头包括激光激励探头和激光接收探头。\n[0006] 1)实验系统整体搭建如图1所示，脉冲激光器产生两组信号，一组同步信号直接传输给数字示波器，另一组信号传输给激光激励探头。激光接收探头与激光干涉仪相连接，并且将采集到的数据传输给数字示波器(采集卡)，最后数字示波器(采集卡)的信号储存到计算机中。激光激励探头和激光接收探头布置在检测样板的同侧或异侧；所述检测样板为铝板。\n[0007] 2)检测样板上的激励和接收阵元位置分布在其中心位置，形成n×n的密集型阵列(n为阵列的行数)。\n[0008] 3)由脉冲激光激励探头在阵元1的位置激励出超声波信号，由连续激光探头在阵元2、3……N(N＝n2)的位置接收铝板中的回波信号。\n[0009] 4)脉冲激光探头移动至阵元2的位置，继续激励出超声波信号，同样由连续激光探头在阵元1、3……N(N＝n2)的位置接收铝板中的回波信号，并且重复上面的操作依次激励剩余阵元，并利用连续激光接收回波信号，直到共采集到信号 组数据结束。\n[0010] 本发明中的缺陷检测和定位原理如下：\n[0011] 激光打在铝板上，由于激光在铝板上产生热弹性机制或烧蚀现象，从而与铝板产生响应即产生Lamb波，Lamb波在铝板中传播，遇到缺陷时Lamb波发生散射和反射，反射回波在铝板的多个方向传播，激光接收探头对于铝板的微弱振动响应有着高的灵敏度，激光探头接收到回波并将其储存，这样采集大量的数据后，对数据进行处理，利用采集到的信号对含缺陷铝板进行成像，从而定位出铝板中缺陷的位置，本发明即根据缺陷回波信号进而判断缺陷位置存在。\n[0012] (1)数据采集\n[0013] 具体说明如下，激光激励和接收的阵元点布置如图2所示，阵元的横向间距和纵向间距相等且小于一个波长即d1＝d2＜λ，首先激励阵元点i(i＝1,2……N)，产生Lamb波，Lamb波在铝板上周向进行传播，遇到缺陷则产生反射，之后反射信号被阵元j(j＝1,2……Nandj≠i)接收，共计得到 组信号。\n[0014] (2)成像算法理论\n[0015] 1)连续小波变换(CWT)：由于激光在铝板中激励出的超声波是一种宽频信号，而宽频信号不利于对缺陷的定位，利用连续小波变换方法提取出特定频率附近的信号，连续小波变换(CWT)表示为：\n[0016]\n[0017] 式中 是w的复共轭，w是满足容许条件的母小波函数，a是伸缩因子，b是平移因子，x(t)是时域信号，t为信号在介质中所传播的时间。\n[0018] 2)频散补偿：激光接收到的信号在铝板中以离面位移为主，而且在薄的铝板中信号频散现象比较严重，不利于准确定位缺陷的位置，需利用线性映射的方法对采集到的信号进行频散补偿。\n[0019] 3)全聚焦成像(TFM)：对采集到的信号进行全聚焦的幅值成像，采用公式如下：\n[0020]\n[0021] 其中N为阵元数量，si,j是阵元i进行激励阵元j进行接收所采集到的信号数据，ti,j(x,y)是激励传感器激励的信号波经过检测位置(x,y)到达接收传感器所经过的时间，(x,y)是成像点的坐标。\n[0022] 4)相位成像，符号相干因子成像(Sign Coherence Factor-SCF)\n[0023] 为了提高成像的对比度和分辨率，引入符号相干因子成像技术，可以由以下式子得到：\n[0024]\n[0025] 其中σ为信号数据的符号bi,j的标准差。\n[0026]\n[0027] 其中si,j是信号的数据，ti,j(x,y)是激励传感器激励的信号波经过检测位置(x,y)到达接收传感器所经过的时间，(x,y)是成像点的坐标。\n[0028] 符号相干因子算法是基于信号的相位信息进行成像分析，极大的提高成像准确率。\n[0029] 5)图像融合，全聚焦成像有着高的对比度但分辨率低，而符号相干因子成像有着高的分辨率和准确度但是其对比度较低，则将两种成像结果进行图像融合则可以极大的改善成像质量。\n[0030] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：\n[0031] 1)实现对金属板结构的360°全范围的检测。\n[0032] 2)实现了非接触的激光超声阵列检测技术。\n[0033] 3)成像质量有着高的对比度和分辨率。\n附图说明\n[0034] 图1激光超声检测系统示意图。\n[0035] 图2激光激励和接收的阵元排布示意图。\n[0036] 图3缺陷布置位置示意图。\n[0037] 图4激光探头激励和激光接收到的时域信号。\n[0038] 图5提取300kHz附近的时域信号。\n[0039] 图6进行频散补偿后的时域信号。\n具体实施方式\n[0040] 结合本发明方法的内容提供以下试验实施例：\n[0041] 在1000mm×1000mm×0.8mm的铝板上利用磁铁模拟出表面缺陷，缺陷尺寸为半径\n6mm的圆柱形缺陷如图3，在铝板的中心部分分布着4×4的16个激励阵元点，阵列形状为正方形，横向间距和纵向间距都为10mm，激光的激励源为点源激励，激励出的光点半径为\n0.5mm，由于激光激励探头和接收探头本身尺寸直径大于10mm，无法保证激励探头和接收探头的间距为10mm，而且在同面激励会受到激光热弹性机制产生的空气冲击波对接收信号的影响，所以在本实验中采用激光激励，异面激光接收的方式进行。需要注意的是，为了保证激励和接收的同步性，下述实验均采用了脉冲激光器的专用触发通道，即Q-Switch Out来进行同步信号采集。\n[0042] 针对铝板上的缺陷，给出以下检测实例：\n[0043] 1)激励激光源选择，本实验激励源是由脉冲激光器产生3.8J的激励能量，点源激励，激励探头距离铝板150mm(保证聚焦)，激励光斑半径为0.5mm。\n[0044] 2)接收激光源采用连续激光器发射出连续激光来进行检测，激励功率为100mW，点源激励，激励探头距离铝板100mm(保证接收信号幅值较大)，激励半径0.3mm，并通过三自由度扫描架带动接收探头对铝板进行扫描逐点接收，接收后的信号通过双波混频干涉仪，转换为电信号，传输到采集卡(或者示波器)，并储存在计算机。\n[0045] 3)在本实验中激励和接收的方式是：阵元1进行激光激励，阵元2、3…16分别利用连续激光接收探头接收信号，共采集15组数据，之后阵元2激励，阵元1、3…16分别接收信号，再采集15组数据，然后阵元3激励……依次进行，共采集到15×16＝240组数据。\n[0046] 4)采集到的数据如图4所示，激光激励的和接收到的信号是一种宽频的信号而且其信号内包含多种模态，多种频率信号，此信号没有明显的波包，难以成像。\n[0047] 5)提取特定频率，在本发明中利用连续小波变换的方法依据公式(1)，对此宽频信号进行特定频率的提取，提取300kHz附近的信号时域图如图5所示，发现虽然信号波包出现但是波包比较杂乱而且波包频散比较严重，频散影响成像的分辨率和质量。\n[0048] 6)频散补偿，对采集到的信号利用线性映射的方法进行处理，从而将所采集到的信号频率压缩到300kHz附近，改善信号的频散现象，频散补偿后的信号图如图6所示，可以发现波形质量有较大的提高。\n[0049] 7)幅值成像，根据公式(2)对所采集到的240组数据进行后处理并进行成像分析，得到幅值成像。\n[0050] 8)相位成像，根据公式(4)对采集到的信号进行相位极性划分，然后对划分后的信号利用公式(3)对其进行处理和成像，可得到信号的相位成像图。\n[0051] 9)图像融合，对幅值成像和相位成像采用逻辑与的算法进行处理，进行图像融合后得到高对比度，高分辨率的成像结果图。