双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置、系统及方法
阅读说明：本技术 双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置、系统及方法 (Nondestructive testing device, system and method for interface bonding rate of bimetal corrugated composite plate ) 是由 张彦杰 张逢艺 王涛 弓鹏飞 和东平 蔺素宏 张金柱 王尚 张海彬 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光超声无损检测领域,特别涉及一种双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置、系统及方法。本发明将脉冲激光经柱面镜聚焦后在待测复合板中激发超声波,数据采集卡判定有效探测信号后保存数据,同时发送反馈信号至计算机集成控制单元。运动控制单元接收到计算机集成控制单元发出的指令后,移动超声激发及探测探头至指定位置对下一个检测点进行检测。所有位置的信号采集完毕后由相控阵成像模块对信号进行分析与处理,通过图像识别算法识别界面形貌与未结合区域,计算界面结合率。本发明实现了双金属波纹复合板界面轮廓及结合率的非接触检测,为界面信息的无损、快速获取及轧制工艺调控提供依据。(The invention belongs to the field of laser ultrasonic nondestructive testing, and particularly relates to a nondestructive testing device, system and method for interface bonding rate of a bimetal corrugated composite plate. According to the invention, pulse laser is focused by the cylindrical mirror and then excites ultrasonic waves in the composite board to be detected, the data acquisition card judges effective detection signals and then stores the data, and meanwhile, feedback signals are sent to the computer integrated control unit. And after receiving the instruction sent by the computer integrated control unit, the motion control unit moves the ultrasonic excitation and detection probe to a specified position to detect the next detection point. After the signals at all positions are acquired, the phased array imaging module analyzes and processes the signals, the interface morphology and the non-binding area are identified through an image identification algorithm, and the interface binding rate is calculated. The invention realizes the non-contact detection of the interface profile and the bonding rate of the bimetal corrugated composite plate and provides a basis for the nondestructive and rapid acquisition of interface information and the regulation and control of a rolling process.)
技术领域
本发明属于激光超声无损检测领域，特别涉及一种双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置、系统及方法。
背景技术
轧制是双金属复合板最为广泛的制备方法之一，具有绿色环保、操作稳定且批量生产连续性好的优势。基于波纹型轧辊的新型轧制复合工艺将结合界面由二维平面提升至三维空间，因此相比传统平辊轧制复合工艺，不仅可以在较小的压下率下实现复合板的高强度结合，还可以有效改善板形质量、减小残余应力并大幅提高复合板的综合力学性能。
超声检测具有方向性好、可以在多种介质中传播等特点，是金属复合板界面的有效检测方法之一。国内外研究学者探讨了多种超声方法在复合材料检测中应用并取得了积极的成果，包括压电换能器超声、空气耦合超声、电磁超声等，但以上超声检测方法对于波纹辊轧制工艺制备的双金属复合板仍存在一定的检测局限，表现为：(1)波纹界面形貌连续变化，需要较高的检测空间分辨率。空气耦合超声、电磁超声的探头尺寸较大，难以实现在每个波纹周期几毫米的范围内进行小步长的相控阵检测；(2)部分波纹复合板的成品厚度相对较薄。以上三种方法激励的超声脉冲在时域上都较宽，在厚度较薄的复合板内更是受到界面的影响，使得超声信号相互混叠，难以提取超声特征信息；(3)波纹复合板的结合界面特征较为复杂。波纹界面并不是理想的正弦曲线或样条曲线，而是包含了更多的形状细节，且未结合区域的尺寸较为随机，而以上三种方法激励的超声波均为窄带，容易造成界面信息的缺失。
激光超声技术相对于传统超声检测方法具有非接触、空间分辨率高、频带宽及可达性、可检性好等优点；同时超声脉冲在时域上的宽度相比传统的压电晶片更窄，适合用于薄样品的检测。将激光超声技术与相控阵技术融合，可以同时发挥相控阵高检测灵敏度、高成像分辨率等优势，突破传统激光超声检测方式在空间型界面中的检测瓶颈，对波纹复合板的界面结合情况进行无损检测。
发明内容
针对上述问题本发明提供了一种双金属波纹复合板界面结合率的无损检测装置及检测系统和方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置，包括检测平台底座、y轴导轨、y轴滑动平台、待测波纹复合板、第一z轴导轨、第二z轴导轨、第一z轴滑块、第二z轴滑块、第一x轴导轨、第二x轴导轨、第一x轴滑块、第二x轴滑块；
所述检测平台底座设有带伺服电机组成的y轴导轨，y轴导轨上设有y轴滑动平台，所述待测波纹复合板置于y轴滑动平台上；
所述第一z轴导轨与第二z轴导轨垂直设置在y轴导轨左右两侧，且固定在检测平台底座上，所述第一z轴导轨上设有第一z轴滑块，所述第一z轴滑块上水平设置有第一x轴导轨，所述第一x轴导轨上设有第一x轴滑块，所述第一x轴滑块上设有脉冲激光探头；所述第二z轴导轨上设有第二z轴滑块，所述第二z轴滑块上水平设置有第二x轴导轨，所述第二x轴导轨上设有第二x轴滑块，所述第二x轴滑块上设有超声振动探测头；
所述y轴滑动平台、第一z轴滑块、第一x轴滑块、第二z轴滑块、第二x轴滑块由不同的伺服电机驱动。
进一步，所述超声振动探测头垂直于待测波纹复合板表面，所述脉冲激光探头在Y-Z平面与超声振动探测头形成方向夹角。
一种所述的双金属波纹复合板界面结合率的无损检测装置的检测系统，由计算机集成控制单元、运动控制单元、相控阵检测控制单元和相控阵检测执行单元组成；
所述相控阵检测执行单元为双金属波纹复合板界面结合率的无损检测装置；
所述运动控制单元包括电机集成控制系统模块，控制脉冲激光探头平移的伺服电机、控制超声振动探测头的伺服电机和控制y轴滑动平台平移的伺服电机；
所述相控阵检测控制单元包括高速信号采集卡、信号触发模块、脉冲激光器和双波混合干涉仪，所述脉冲激光探头和超声振动探测头分别与脉冲激光器和双波混合干涉仪连接，用于实现对待测波纹复合板相控阵成像的信号收发功能，所述高速信号采集卡分别与信号触发模块、脉冲激光器、双波混合干涉仪和计算机集成控制单元连接，所述计算机集成控制单元与电机集成控制系统模块连接，所述信号触发模块与电机集成控制系统模块连接。
进一步，所述超声振动探测头通过单模保偏光纤与双波混合干涉仪连接，所述脉冲激光探头则通过多模光纤与脉冲激光器连接。
一种所述检测系统的激光超声相控阵检测方法，包括以下步骤：
步骤1，开机预热：打开脉冲激光器和双波混合干涉仪，让其预热使二者工作在稳定状态，并打开计算机控制系统界面，完成计算机集成控制单元与运动控制单元和相控阵检测控制单元之间的通信；
步骤2，设置相控阵点数N、待测波纹复合板长度D：分别设置参数相控阵点数为N及待测波纹复合板长度为D，为后续程序设置判断依据；
步骤3，待测波纹复合板位置初始化：将待测波纹复合板放置固定在y轴滑动平台上，通过计算机集成控制单元发送初始化指令d＝0给电机集成控制系统，待测波纹复合板平移伺服电机收到指令，反馈电路判断实际y轴滑动平台位置，沿y轴导轨快速位移至原点位置；
步骤4，脉冲激光探头和超声振动探测头初始化并聚焦：设置干涉仪探测仪执行机构移动次数m＝1和脉冲激光器激发次数n＝1，计算机集成控制单元通过电机集成控制系统发送指令给脉冲激光探头平移伺服电机和超声振动探测头平移伺服电机，第一x轴滑块和第二x轴滑块收到指令后，进行位置初始化，脉冲激光探头和超声振动探测头在第一x轴导轨和第二x轴导轨上平移，同时第一Z轴滑块和第二Z轴滑块收到指令，分别沿第一Z轴导轨和Z轴导轨上下平移，完成自动对焦，调整脉冲激光探头所激发的脉冲激光能量、光斑大小以及超声振动探测头发出的探测光光强，使信号达到最优状态，等待下一步指令；
步骤5，单次激发脉冲激光：相控阵检测控制单元的高速信号采集卡发出指令，由脉冲激光器产生脉冲激光经脉冲激光探头传递到待测波纹复合板表面，由超声振动探测头发出信号探测光并接收到待测波纹复合板表面返回的超声波振动，经双波混合干涉仪转换为数字信号，被高速信号采集卡判断为有效探测信号后，同时信号触发模块发送反馈信号至计算机集成控制单元，重复发送新的工作指令；
步骤6，保存数据并移动脉冲激光探头：高速信号采集卡将数据保存至计算机，同时脉冲激光探头平移伺服电机收到控制指令，使得脉冲激光探头移动△x，计算机集成控制单元执行运算n＝n+1，并判断是否n≤N，如果不等式成立，则返回步骤5，相控阵检测控制单元发送指令，脉冲激光器单次激发脉冲激光，并重复步骤5、步骤6指导不等式n≤N不成立，进行下一步；
步骤7，超声振动探测头移动：计算机集成控制单元执行运算m＝m+1，判断是否m≤N，如果不等式成立，发送控制指令给超声振动探测头使其移动△x，重复完成步骤5、步骤6，重复步骤7直到不等式m≤N不成立，进行下一步；
步骤8，y轴滑动平台移动：计算机集成控制单元执行运算d＝d+△d，判断是否d≤D，如果不等式成立，待测波纹复合板移动沿y轴导轨平移△d，重复步骤3～步骤7，重复步骤8直到不等式d≤D不成立，进行下一步；
步骤9，结束：直至所有位置的信号采集完毕并由高速信号采集卡保存到计算机后，激光超声相控阵信号检测任务完成，下一步由相控阵成像模块对信号进行分析与处理，通过图像识别算法识别界面轮廓与未结合区域，计算界面结合率。
一种基于所述检测方法的相控阵成像模块计算界面结合率的方法，包括以下步骤：
步骤1，开始：读取所述检测方法存储到计算机中的数据，每一次读取待测波纹复合板移动一次探测获得的离散时间信号，进行下述界面结合率的计算；
步骤2，激光超声特征纵波信号提取：首先对读取到的离散时间信号进行分析处理，设计双线性变换巴特沃斯带通滤波器，对离散信号进行滤波，尽可能过滤掉lamb波、表面波和横波，减小它们的叠加对纵波信号提取的影响，其中双线性变换在z域和s域的关系如下；
式中，T为采样间距，e是自然常数；
找到界面反射纵波回波，对探测到此回波之前的脉冲信号幅值归零处理，避免对成像质量效果产生影响；
步骤3，激光超声全聚焦成像：设置成像区域，对成像区域进行空间离散化，利用全矩阵捕获原理对每个聚焦点(离散化后的点)进行激光超声全聚焦相控阵成像，计算到超声纵波从激发点传播到聚焦点再传播回接收点位置处所用的时间(脉冲激光探头传播到待测波纹复合板表面的点和超声振动探测头发出的信号探测光传播到待测波纹复合板表面的点分别称为激发点和接收点)，尽可能精确提取每一个数据纵波信号中对应时间处的信号幅值，并进行叠加运算，重复利用下列公式计算每个聚焦点的信号幅值和，并保存为二维矩阵，画出等值线图，即为相控阵成像结果；
式中，Sij为信号幅值，tij(x，z)为时间，i，j分别为激发点和接收点的位置坐标，为采样周期；
步骤4，纵向像素极值法提取界面轮廓：提取上述二维矩阵中每一列向量中的最大值，找到其所在成像区域内的位置，所提取的一系列位置组成界面轮廓位置和形貌；
步骤5，计算界面总长度L：将步骤4中所提取的界面轮廓转换为样条曲线，计算其长度，保存为界面总长度L；
步骤6，识别并计算未结合区域长度L'：采用阈值分割的图像处理方法，提取界面处多个未结合的区域，并自动识别各自未结合区域长度，通过下列公式计算总未结合区域长度L'；
L′＝L′1+L′2+L′3+...L′N
式中，L1'为第一个未结合区域长度，L2'为第二个未结合区域的长度，L3'为第三个未结合区域的长度，LN'为第N个未结合区域长度；
步骤7，通过下列公式计算当前截面界面结合率α：
式中，L'为总未结合区域长度，L为界面总长度。
步骤8，结束：重复上述步骤1～步骤7，可求得界面总结合律α总，通过下列公式计算：
式中，α1为第一次计算得到的界面结合律，α2为第二次计算得到的界面结合率，α3为第三次计算得到的界面结合律，αn第n次计算得到的界面结合律。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明针对结合界面是复杂曲面的双层金属复合板，考虑超声波在界面处的回波方向难以预测，结合相控阵的方法对复合板进行检测，提高了界面检测的精度；
2、本发明方案通过激光超声检测的方法，充分利用激光超声时、空分辨率高的优点，对各层厚度不均匀的复合板进行成像检测，该检测方法具有检测精度高、检测结果直观性好的特点；
3、本发明中脉冲激光与连续激光均由光纤传导，提高了激光超声在波纹复合板相控阵检测中的适用性。
附图说明
图1为本发明波纹复合板界面结合率无损检测装置的结构示意图；
图2为本发明波纹复合板界面结合率无损检测装置的控制系统示意图；
图3为本发明的激光超声相控阵检测方法的流程图；
图4为本发明的波纹复合板界面结合率的计算方法流程图；
图5为本发明波纹复合板激光超声相控阵检测方法结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种双金属波纹复合板界面结合率无损检测装置，包括检测平台底座100、y轴导轨105、y轴滑动平台106、待测波纹复合板107、第一z轴导轨1011、第二z轴导轨1012、第一z轴滑块1021、第二z轴滑块1022、第一x轴导轨1031、第二x轴导轨1032、第一x轴滑块1041、第二x轴滑块1042；
所述第一z轴导轨1011与第二z轴导轨1012垂直设置在y轴导轨105左右两侧，且固定在检测平台底座100上，所述第一z轴导轨1011上设有第一z轴滑块1021，所述第一z轴滑块1021上水平设置有第一x轴导轨1031，所述第一x轴导轨1031上设有第一x轴滑块1041，所述第一x轴滑块1041上设有脉冲激光探头2031；所述第二z轴导轨1012上设有第二z轴滑块1022，所述第二z轴滑块1022上水平设置有第二x轴导轨1032，所述第二x轴导轨1032上设有第二x轴滑块1042，所述第二x轴滑块1042上设有超声振动探测头2032；
所述y轴滑动平台106、第一z轴滑块1021、第一x轴滑块1041、第二z轴滑块1022、第二x轴滑块1042由不同的伺服电机驱动。y轴滑动平台106由伺服电机带动沿y轴前后滑动，所述第一z轴滑块1021、第二z轴滑块1022由伺服电机使其沿z轴上下滑动，所述第一x轴滑块1041、第二x轴滑块1042由伺服电机使其沿x轴左右滑动。
所述超声振动探测头2032垂直于待测波纹复合板107表面，所述脉冲激光探头2031在Y-Z平面与超声振动探测头2032存在30°方向夹角。
如图2所示，一种所述的双金属波纹复合板界面结合率的无损检测系统，由计算机集成控制单元200、运动控制单元201、相控阵检测控制单元202和相控阵检测执行单元203组成；
所述相控阵检测执行单元203为如图1所示的双金属波纹复合板界面结合率的无损检测装置；
所述运动控制单元201包括电机集成控制系统模块2011，控制脉冲激光探头2031平移的伺服电机、控制超声振动探测头2032的伺服电机和控制y轴滑动平台106平移的伺服电机；
所述相控阵检测控制单元202包括高速信号采集卡2021、信号触发模块2022、脉冲激光器2023和双波混合干涉仪2024，所述脉冲激光探头2031和超声振动探测头2032分别与脉冲激光器2023和双波混合干涉仪2024连接，用于实现对待测波纹复合板107相控阵成像的信号收发功能，所述高速信号采集卡2021分别与信号触发模块2022、脉冲激光器2023、双波混合干涉仪2024和计算机集成控制单元200连接，所述计算机集成控制单元200与电机集成控制系统模块2011连接，所述信号触发模块2022与电机集成控制系统模块2011连接。
所述超声振动探测头2032通过单模保偏光纤与双波混合干涉仪2024连接，所述脉冲激光探头2031则通过多模光纤与脉冲激光器2023连接。
从图2中的左视图可知，脉冲激光发射头2031和超声振动探测头2032在Y-Z平面成30°夹角，使得脉冲激光光斑及探测光光斑在待测波纹复合板表面上沿X轴成一条直线。
本实施例中，脉冲激光发射头2031所激发的脉冲激光为线光源。
如图3所示的流程图，本发明的激光超声相控阵检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1，开机预热：打开脉冲激光器2023和双波混合干涉仪2024，让其预热使二者工作在稳定状态，并打开计算机控制系统界面，完成计算机集成控制单元200与运动控制单元201和相控阵检测控制单元202之间的通信；
步骤2，设置相控阵点数N、待测波纹复合板长度D：分别设置参数相控阵点数为N及待测波纹复合板长度为D，为后续程序设置判断依据；
步骤3，待测波纹复合板位置初始化：将待测波纹复合板107放置固定在y轴滑动平台106上，通过计算机集成控制单元200发送初始化指令d＝0给电机集成控制系统2011，待测波纹复合板107平移伺服电机收到指令，反馈电路判断实际y轴滑动平台106位置，沿y轴导轨105快速位移至原点位置；
步骤4，脉冲激光探头2031和超声振动探测头2032初始化并聚焦：设置干涉仪探测仪2024执行机构移动次数m＝1和脉冲激光器2023激发次数n＝1，计算机集成控制单元200通过电机集成控制系统2011发送指令给脉冲激光探头2031平移伺服电机和超声振动探测头2032平移伺服电机，第一x轴滑块1041和第二x轴滑块1042收到指令后，进行位置初始化，脉冲激光探头2031和超声振动探测头2032在第一x轴导轨1031和第二x轴导轨1032上平移，同时第一Z轴滑块1021和第二Z轴滑块1022收到指令，分别沿第一Z轴导轨1011和Z轴导轨1012上下平移，完成自动对焦，调整脉冲激光探头2031所激发的脉冲激光能量、光斑大小以及超声振动探测头2032发出的探测光光强，使信号达到最优状态，等待下一步指令；
步骤5，单次激发脉冲激光：相控阵检测控制单元202的高速信号采集卡2021发出指令，由脉冲激光器2023产生脉冲激光经脉冲激光探头2031传递到待测波纹复合板107表面，由超声振动探测头2032发出信号探测光并接收到待测波纹复合板107表面返回的超声波振动，经双波混合干涉仪2024转换为数字信号，被高速信号采集卡2021判断为有效探测信号后，同时信号触发模块2022发送反馈信号至计算机集成控制单元200，重复发送新的工作指令；
步骤6，保存数据并移动脉冲激光探头2031：高速信号采集卡2021将数据保存至计算机，同时脉冲激光探头2031平移伺服电机收到控制指令，使得脉冲激光探头2031移动△x，计算机集成控制单元200执行运算n＝n+1，并判断是否n≤N，如果不等式成立，则返回步骤5，相控阵检测控制单元202发送指令，脉冲激光器2023单次激发脉冲激光，并重复步骤5、步骤6指导不等式n≤N不成立，进行下一步；
步骤7，超声振动探测头2032移动：计算机集成控制单元200执行运算m＝m+1，判断是否m≤N，如果不等式成立，发送控制指令给超声振动探测头2032使其移动△x，重复完成步骤5、步骤6，重复步骤7直到不等式m≤N不成立，进行下一步；
步骤8，y轴滑动平台106移动：计算机集成控制单元200执行运算d＝d+△d，判断是否d≤D，如果不等式成立，待测波纹复合板移动沿y轴导轨105平移△d，重复步骤3～步骤7，重复步骤8直到不等式d≤D不成立，进行下一步；
步骤9，结束：直至所有位置的信号采集完毕并由高速信号采集卡2021保存到计算机后，激光超声相控阵信号检测任务完成，下一步由相控阵成像模块对信号进行分析与处理，通过图像识别算法识别界面轮廓与未结合区域，计算界面结合率。
如图4所示，本发明的相控阵成像模块计算界面结合率的方法，包括以下步骤：
步骤1，开始：读取所述检测方法存储到计算机中的数据，每一次读取待测波纹复合板107移动一次探测获得的离散时间信号，进行下述界面结合率的计算，由于获得的是离散时间信号，它在时间上是不连续的，是一个离散的数值序列。因此获得一系列参数(采样周期，样值等)；
步骤2，激光超声特征纵波信号提取：首先对读取到的离散时间信号进行分析处理，纵波是超声波的一种类型，纵波是质点的振动方向与波的传播方向平行的波，在一些被探测物体形状不规则的时候，或者工件材质为奥氏体不锈钢等粗大晶粒或者被探工件厚度较大对超声波衰减非常严重时，通常考虑使用纵波来探测。本实施例中所应用的超声相控阵算法也基于纵波信号进行成像，故激光超声特征信号的提取为纵波信号的提取；
设计双线性变换巴特沃斯带通滤波器，对离散信号进行滤波，尽可能过滤掉lamb波、表面波和横波，减小它们的叠加对纵波信号提取的影响，其中双线性变换在z域和s域的关系如下；
式中，T为采样间距，e是自然常数；
找到界面反射纵波回波，对探测到此回波之前的脉冲信号幅值归零处理，避免对成像质量效果产生影响；
步骤3，激光超声全聚焦成像：设置成像区域，对成像区域进行空间离散化，利用全矩阵捕获原理对每个聚焦点进行激光超声全聚焦相控阵成像，计算到超声纵波从激发点传播到聚焦点再传播回接收点位置处所用的时间，精确提取每一个数据纵波信号中对应时间处的信号幅值，并进行叠加运算，重复利用下列公式计算每个聚焦点的信号幅值和，并保存为二维矩阵，画出等值线图，即为相控阵成像结果；
式中，Sij为信号幅值，tij(x，z)为时间，i，j分别为激发点和接收点的位置坐标，为采样周期；本实施例中的波纹复合板为铜铝材质，其中某截面的成像结果如图5所示，由于铜和铝存在声阻抗差异，因此超声波在遇到铜-铝界面时会同时发生透射和反射，在遇到缺陷时会完全发生反射，图5中波纹界面的黄色部分(颜色较白的波浪线)为结合完好区域，可以清晰看到底面回波，蓝色部分(颜色较黑的波浪线)为未结合区域，超声波被完全反射，无法看到底面回波；
步骤4，纵向像素极值法提取界面轮廓：提取上述二维矩阵中每一列向量中的最大值，找到其所在成像区域内的位置，所提取的一系列位置组成界面轮廓位置和形貌；
步骤5，计算界面总长度L：将步骤4中所提取的界面轮廓转换为样条曲线，计算其长度，保存为界面总长度L；
步骤6，识别并计算未结合区域长度L'：采用阈值分割的图像处理方法，提取界面处多个未结合的区域，并自动识别各自未结合区域长度，通过下列公式计算总未结合区域长度L'；
L′＝L′1+L′2+L′3+...L′N
式中，L1'为第一个未结合区域长度，L2'为第二个未结合区域的长度，L3'为第三个未结合区域的长度，LN'为第N个未结合区域长度；
步骤7，通过下列公式计算当前截面的界面结合率α：
式中，L'为总未结合区域长度，L为界面总长度。
步骤8，结束：重复上述步骤1～步骤7，可求得界面总结合律α总，通过下列公式计算：
式中，α1为第一次计算得到的界面结合律，α2为第二次计算得到的界面结合率，α3为第三次计算得到的界面结合律，αn第n次计算得到的界面结合律。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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