一种手持式激光超声检测系统及方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种手持式激光超声检测系统及方法。


背景技术：

2.激光超声作为近十几年来兴起的新型无损检测技术，具有高分辨、非接触、检测距离远等优点。激光超声信号的接收方法主要有光学法和电学法两种，光学法主要使用光学干涉仪接收激光超声信号，但光学干涉仪体积庞大，对检测对象表面平整度要求高；电学法主要使用压电换能器接收超声信号，但是在检测过程中需要使用耦合剂，限制了使用范围，此外空气耦合换能器虽然不需要使用耦合剂，但且检测范围较小，导致激光超声检测的进行非常麻烦且不便。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种手持式激光超声检测系统及方法，解决了现有技术中激光超声信号检测范围小设备要求高，检测不方便的问题。
4.本技术第一方面提供了一种手持式激光超声检测系统，包括：激光器，与计算机电连接，并通过光纤与激光扫描模块连接；激光扫描模块，包括振镜和场镜；所述激光扫描模块与计算机电连接；麦克风阵列，与计算机电连接，用于接收待检测物体上激发出的激光超声信号，并传输给计算机；所述麦克风阵列包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布；麦克风阵列中心设置有让激光束通过的开口；所述光纤、激光扫描模块和麦克风阵列沿激光光路依次排布于手持壳体内，且所述振镜、场镜以及麦克风阵列开口同轴，所述手持壳体上设置有与麦克风阵列开口适配的通孔；计算机，用于控制激光器和激光扫描模块，并根据激光超声信号的幅值、频率、渡越时间和功率谱对待检测物品进行表面及内部缺陷分析。
5.可选的，所述激光器设置于手持壳体上。
6.可选的，所述激光器具体为脉宽可调的脉冲激光器或经过调幅的连续激光器。
7.可选的，所述激光器发出的激光波长范围在可见光至红外光之间。
8.可选的，还包括：信号处理模块，设置于所述麦克风阵列与所述计算机之间的电连接线路上，用于对麦克风阵列接收的激光超声信号进行预处理。
9.可选的，所述麦克风阵列中，相邻麦克风之间布置的间距，满足空间采样定理，具体为：
其中，d为麦克风的间距，λ为麦克风阵列中最高中心频率对应的声波波长。
10.可选的，所述麦克风阵列中的麦克风类型为多种，包括：多频段mems数字麦克风、多频段mems模拟麦克风、多频段ecm模拟麦克风和多频段ecm数字麦克风。
11.本技术第二方面提供了一种手持式激光超声检测方法，方法基于本技术第一方面任一项的手持式激光超声检测系统，包括以下步骤：s1、将手持壳体的通孔朝向待检测物体的检测区域，并保持手持壳体与检测区域间的检测距离；s2、以计算机控制激光器依预设参数发出激光束，并控制激光扫描模块实现激光扫描，在待检测物体上激发激光超声信号；s3、以麦克风阵列接收激光超声信号，并传输至计算机，在计算机中对激光超声信号进行缺陷分析，得到对待检测物体的检测区域的检测结果；s4、将手持壳体移动到待检测物体的另一检测区域，并重新执行步骤s1-s3，直至待检测物体的所有检测区域都检测完毕。
12.可选的，所述检测区域根据待检测物体表面的构成的平面进行划分。
13.可选的，手持式激光超声检测方法，还包括：s5、若待检测物体内具有空腔，且空腔有能够通过手持壳体的开口，对待检测物体的空腔内壁划分检测区域，并重新执行步骤s1-s4。
14.本技术提供的手持式激光超声检测系统，通过激光器发出激光束，以光纤传导到集成有激光扫描模块和麦克风阵列的手持壳体中，使得检测人员可以手持该壳体对待检测物体进行激光超声检测，在对准待检测物体激发激光超声信号，并以多中心频率的环形均布麦克风阵列接收后，在计算机中进行缺陷检测分析以及成像，提高了激光超声检测的便捷性，以及增加了对物体进行检测时候改变检测区域的灵活性，且相比于压电换能器和光学干涉仪，麦克风具有成本低，体积小，灵敏度高的优点，检测距离可高达几十至几百毫米，易于大规模阵列的工业制备。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
16.图1为本技术提供的手持式激光超声检测系统的第一个结构示意图；图2为本技术提供的手持式激光超声检测系统的第二个结构示意图；图3为本技术提供的手持式激光超声检测系统麦克风阵列的结构示意图；图4为本技术提供的手持式激光超声检测方法的流程示意图。
17.其中，附图标记为：10、激光器；11、光纤；20、激光扫描模块；21、振镜；22、场镜；30、麦克风阵列；31、麦克风；32、pcb板；40、壳体；50、计算机；60、信号处理模块。
具体实施方式
18.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本技术提供了一种手持式激光超声检测系统，解决了现有技术中激光超声信号检测范围小设备要求高，检测不方便的问题。
20.请参阅图1，图1为本技术提供的手持式激光超声检测系统的第一个结构示意图。
21.本实施例提供了一种手持式激光超声检测系统，包括：激光器10，与计算机50电连接，并通过光纤11与激光扫描模块20连接；需要说明的是，计算机50设置激光参数，控制激光器10发出无损检测所需的激光束，并通过光纤11将激光束传输至激光扫描模块中。
22.激光扫描模块20，包括振镜21和场镜22；所述激光扫描模块与计算机电连接；需要说明的是，激光扫描模块20接收到光纤11传导的激光束，通过计算机50控制振镜21，通过振镜21驱动激光束的偏转，并以场镜22用于激光束聚焦，保证激励的超声波强度，振镜21和场镜22二者结合控制激光扫描。
23.麦克风阵列30，与计算机50电连接，用于接收待检测物体上激发出的激光超声信号，并传输给计算机50；所述麦克风阵列30包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布；麦克风阵列中心设置有让激光束通过的开口；需要说明的是，麦克风为声学麦克风，在麦克风阵列30中，同一中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列30的中心均匀分布；而在保证同中心频率的均布的同时，不同中心频率的麦克风之间，可以设置成与阵列中心距离相同的单层结构，也可以设置成与阵列中心距离不相同的多层结构。多种中心频率的麦克风能增加对超声波的波段的接收范围，并以同种麦克风环形均布的设置提高了激光超声信号接收的灵敏度，对信号完整采样。
24.进一步的，麦克风相比压电换能器和光学干涉仪，具有成本低，体积小，灵敏度高的优点，检测距离可高达几十至几百毫米，易于大规模阵列的工业制备。
25.所述光纤11、激光扫描模块20和麦克风阵列30沿激光光路依次排布于手持壳体40内，且所述振镜21、场镜22以及麦克风阵列开口同轴，所述手持壳体40上设置有与麦克风阵列开口适配的通孔；需要说明的是，通过手持壳体40将光纤11、激光扫描模块20和麦克风阵列30集成一体，光纤11将壳体与激光器10连接，手持壳体40能在光纤11活动范围内任意移动，手持壳体40上可以设置手持部或者手柄，使得检测人员可以手持该壳体，对待检测物体进行更便捷的检验，能随心所欲的改变待检测物体的检测区域，提高了激光超声检测的便捷性和灵活性。
26.计算机50，用于控制激光器10和激光扫描模块20，并根据激光超声信号的幅值、频率、渡越时间和功率谱对待检测物品进行表面及内部缺陷分析。
27.需要说明的是，在计算机50中，能够设置参数控制激光器10发出检测所需的激光
束，以及设置振镜21的参数；并根据待检测样品缺陷处的信号幅值的差异实现对缺陷的准确检测；还可以根据表面信号和底面信号的时间差值，计算出待检测对象的厚度；还可以根据不同缺陷所对应的主频不一样，来检测样品的缺陷；还可以利用功率谱去定位缺陷。
28.在本实施例中，通过激光器10发出激光束，以光纤11传导到集成有激光扫描模块20和麦克风阵列30的手持壳体40中，使得检测人员可以手持该壳体对待检测物体进行激光超声检测，在对准待检测物体激发激光超声信号，并以多中心频率的环形均布麦克风阵列30接收后，在计算机50中进行缺陷检测分析以及成像，提高了激光超声检测的便捷性，以及增加了对物体进行检测时候改变检测区域的灵活性。
29.以上为本技术提供的一种手持式激光超声检测系统的第一个实施例的详细说明，下面为本技术提供的一种手持式激光超声检测系统的第二个实施例的详细说明。
30.请参阅图2，图2为本技术提供的手持式激光超声检测系统的第二个结构示意图。
31.本实施例中提供的手持式激光超声检测系统还包括信号处理模块60，设置于所述麦克风阵列30与所述计算机50之间的电连接线路上，用于对麦克风阵列30接收的激光超声信号进行预处理；需要说明的是，信号处理模块60能够收集麦克风阵列30接收的信号，并进行预处理，以便于检测人员对激光超声信号进行声源定位和缺陷检测，提高检测的精度和效率。信号处理模块60对激光超声信号进行的预处理具体为：滤波和放大。
32.计算机50根据激光超声信号的幅值、频率、渡越时间和功率谱对待检测物品进行表面及内部的检测。根据待检测样品缺陷处的信号幅值的差异实现对缺陷的准确检测；还可以根据表面信号和底面信号的时间差值，计算出待检测对象的厚度；还可以根据不同缺陷所对应的主频不一样，来提高检测缺陷类型范围；还可以利用功率谱去定位缺陷。
33.进一步的，激光超声检测系统可以使用声源定位的算法对缺陷进行检测；所述声源定位算法包括到达时间差、波束合成、高分辨率谱估计；所述声源定位算法主要使用功率谱定位，首先，将搜索区域划分为若干个较大区域，对这些区域利用aco定位出声源所在的“宏观”位置；然后，再使用多信号分类算法进行精确搜索定位，最终估计出声源所在的精确位置。仿真和实验表明：在最终搜索步距相同时，该算法能够大幅缩减定位过程中的计算量，从而在不降低定位精度的前提下大幅提高计算效率和定位准确度，可满足实时定位成像的要求。
34.进一步的，声源定位原理为利用功率谱定位。所述功率谱指的是信号在各个频率上能量的分布情况，可以用该信号的空间谱进行表示。基于高分辨谱估计的算法就是将阵列式麦克风采集到的信号组成一个矩阵，根据其空间谱求得其目标声源的入射角度和距离。这类方法主要有多信号分类算法。多信号分类算法的基本思想为将阵列式麦克风采集到的声音数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到两个相互正交的子空间，信号子空间和噪声子空间，其中信号子空间与声音信号分量相对应。根据这两个子空间的正交性，就可以估计声音信号的入射角度以及信号强度，进而求得其位置。
35.所述激光器10电源内部置有电流调节旋钮，可以通过控制电流的大小从而控制激光能量的强弱，其具体为脉宽可调的脉冲激光器或经过调幅的连续激光器，可以根据检测情况调整脉宽大小或者改变调制频率，从而激励不同频率的超声信号。
36.参见图2，检测人员可以选择较为小型的激光器10，将其设置于手持壳体40上，实
现激光激发和超声信号接收一体化，该手持壳体40的活动范围即为激光器与计算机之间的电连接范围，虽然一体化的设置方式限制了激光器10的规格和类型，还需要充分考虑散热问题，但避免了手持壳体进行检测时对脆弱的光纤的损坏。且一体化时，可以省去光纤的设置，只需要保证激光器10激发的激光束能射入激光扫描模块中即可，不需要物理连接。
37.进一步的，根据激光器10的不同型号以及激光超声检测的需求，可以选择较为大型的激光器，独立设置于系统中，使得手持壳体40依光纤11的限制进行无损检测，这样能选用的激光器功率更大，能满足更高要求的激光超声激发需求。
38.进一步的激光器10采用脉宽可调的脉冲激光器；激光器的激光波长为532nm，脉冲宽度为1-500ns可调，最大单个脉冲能量为1.25mj。也可使用连续激光器，连续激光器的波长为532nm，最大输出功率为2000mw，调制频率1khz-30khz，调制频率覆盖麦克风的频率范围。
39.需要说明的是，振镜用于驱动激光束的偏转，控制激光的扫描范围和轨迹，所述场镜用于聚焦，控制激光光斑大小和焦点距离，保证激励的超声波强度，二者结合控制激光扫描。
40.进一步的，所述激光器10中激励激光器发出的激光波长范围在可见光至红外光之间，发出的激光束波长范围在红外光和可见光之间，即处于309nm-1000μm范围内，检测人员可以针对待检测物体的材料和特性选择调整激励的激光的波长；进一步的，激光器可以是幅度调制的连续激光和脉冲激光，可以改变脉冲激光器的脉冲宽度或者改变连续激光器的调制频率，调制频率覆盖麦克风的频率范围；并配合不同中心频率的麦克风来实现对不同类型缺陷的检测。
41.本实施例中通过对手持式激光超声检测系统进行设置，计算机对激光超声信号进行分析判断缺陷，能高效且精准的判断缺陷在待检测物体中的位置，以及对缺陷进行分析识别，有着效率高准确性高的优点。
42.以上为本技术提供的一种手持式激光超声检测系统的第二个实施例的详细说明，下面为本技术提供的一种手持式激光超声检测系统的第三个实施例的详细说明。
43.本实施例中的麦克风具体为声学麦克风。激光超声激发的超声信号为宽频带信号，其没有具体范围，检测人员在使用换能器时，为确保检测分辨率，检测的超声波频率范围常在20-100mhz，忽略了其他激发的低频段超声信号，也就不会考虑以较低接收频率的声学麦克风来进行信号接收，且在激光超声检测领域发展初期，声学麦克风的灵敏度和响应范围也不足以满足检测需求，检测人员存在对声学麦克风的行业偏见。
44.请参阅图3，图3为本技术提供的手持式激光超声检测系统麦克风阵列的结构示意图，麦克风阵列由麦克风31和pcb板32组成；本实施例提供了一种手持式激光超声检测系统。
45.对于麦克风阵列30，为了避免空间混叠，发生取样信号被还原成连续信号时产生彼此交叠而失真的现象取样信号被还原成连续信号时产生彼此交叠而失真的现象，相邻麦克风之间的间距需要满足空间采样定理，即：其中，d为麦克风的间距，λ为麦克风阵列中最高中心频率对应的声波波长。
46.根据圆的特性，我们采用余弦定理得到间距与半径的关系：其中，r为环阵的半径，m为麦克风的个数。
47.将空间采样定理的关系代入后解得：可以得到麦克风阵列的环形阵列的半径r、麦克风数量m以及麦克风频率对应波长λ的关系。
48.进一步的，可选的麦克风的中心频率范围为20khz-100khz。本实施例中，我们选择四种不同中心频率的麦克风，分别为20khz、30khz、40khz和50khz，每种频率麦克风各8个，共32个，并将各中心频率的麦克风都设置于同一半径的环形阵列上；需要说明的是，中心频率指的是麦克风对于该频率下的超声波更为敏感。
49.基于前述的计算，为保证麦克风排布满足空间采样定理，我们以麦克风的最大中心频率50khz计算对应的波长，因为其对应的麦克风矩阵的半径和麦克风间距是最小的；同时，为了便于麦克风的排布安装，我们直接以需要满足的最小间距来均匀设置各中心频率的麦克风，即以50khz和32个麦克风数量代入上述式中，得到麦克风阵列的环形半径为17.4mm，间距为3.4mm，该间距能满足选用的四种中心频率麦克风采样，且四种麦克风依次交替排布，构成均匀环形阵列。检测人员也可以根据实际的检测需求和麦克风种类，对麦克风阵列的麦克风排布方式进行设置，如选择不同中心频率麦克风组成不同半径的环形阵列、多平面的麦克风阵列等。
50.进一步的，所述pcb板32的中心设有通孔开口，且通孔大小远大于激光束的扫描范围，不会对激光扫描造成影响；麦克风阵列的中心开口适配于该通孔。
51.进一步的，麦克风阵列30中麦克风31的类型为多种，且类型包括：多频段mems数字麦克风、多频段mems模拟麦克风、多频段ecm模拟麦克风和多频段ecm数字麦克风。麦克风的尺寸能达到毫米级，相对光学干涉仪和换能器有体积小的优点。
52.本实施例中，通过采用多个不同中心频率的麦克风，使得麦克风阵列有较广的检测范围，并设置成满足空间采样定理的间距环形阵列，使得麦克风阵列具有高检测灵敏度的优点，且麦克风阵列本身能实现非接触式对激光超声检测信号，接收的超声信号相对频率较低，在空气中传播衰减慢，有检测距离远的优点，提高激光超声信号的接收效果，并相对于其他接收设备有体积小的优点。
53.以上为本技术第一方面提供的一种手持式激光超声检测系统的第三个实施例的详细说明，下面为本技术第二方面提供的一种手持式激光超声检测方法的详细说明。
54.请参阅图4，本实施例提供了一种手持式激光超声检测方法，所述方法基于前述实施例的手持式激光超声检测系统，包括以下步骤：s1、将手持壳体的通孔朝向待检测物体的检测区域，并保持手持壳体与检测区域间的检测距离；
需要说明的是，通孔朝向检测区域，即激光束激发后穿过麦克风阵列的开口会射向检测区域；麦克风阵列的接收方式为非接触式，因此可以保持一定的检测距离来接收超声信号，该检测距离根据麦克风阵列的麦克风参数进行设置。
55.s2、以计算机控制激光器依预设参数发出激光束，并控制激光扫描模块实现激光扫描，在待检测物体上激发激光超声信号；s3、以麦克风阵列接收激光超声信号，并传输至计算机，在计算机中对激光超声信号进行缺陷分析，得到对待检测物体的检测区域的检测结果；s4、将手持壳体移动到待检测物体的另一检测区域，并重新执行步骤s1-s3，直至待检测物体的所有检测区域都检测完毕。
56.需要说明的是，待检测物体常常是不规则的形状，而常规的检测方法对激发和接收信号的位置角度限制较大，且难以调整，而本方法基于手持式激光超声检测系统，可以先将不规则的待检测物体的表面划分为若干个平整的平面，将这些平面设置为检测区域，每次对一个平整平面区域下的待检测物体进行检测，能获取更准确的激光超声信号。
57.需要说明的是，对于多层不同材料构成的待检测物体，从不同的层叠方向即物体同一区域的的正面和背面分别进行检测，能够获得不同的超声信号。
58.进一步的，手持式激光超声检测方法，还包括：s5、若待检测物体内具有空腔，且空腔有能够通过手持壳体的开口，对待检测物体的空腔内壁划分检测区域，并重新执行步骤s1-s4。
59.需要说明的是，现有技术中的激光超声检测只能对物体表面进行激光超声激发，其装置的体型结构难以移动，而手持壳体的体积较小，能满足进入待检测物体内部进行检测的需求，进一步的获取待检测物体的信息，提高了激光超声检测的准确性。
60.本实施例中，通过对待检测物体的检测区域的划分，将不规则的待检测物体分为多个平整的检测区域，手持集成了光纤、激光扫描模块和麦克风阵列的手持壳体对检测区域逐个进行检测，并对具有空腔且手持壳体能进入的待检测物体进行内部的激光超声检测，使得无损检测能获得更多待检测物体的信息，提高激光超声检测的准确性。
61.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
62.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
63.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
64.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
65.以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。