基于激光超聲的金屬構(gòu)件表面微裂紋定量檢測(cè)技術(shù)研究

劉永強(qiáng)， 楊世錫， 劉學(xué)坤

(浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

金屬構(gòu)件在加工及服役過(guò)程中，受各種復(fù)雜交變及循環(huán)應(yīng)力影響，其表面及內(nèi)部極易產(chǎn)生微裂紋。統(tǒng)計(jì)表明，由疲勞裂紋引發(fā)構(gòu)件失效事故約占所有事故總額的90%以上[1]。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理這些微裂紋，會(huì)給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)極大安全隱患，甚至引發(fā)巨大經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡事故。出于安全與經(jīng)濟(jì)需求，金屬構(gòu)件微裂紋的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)等。超聲波檢測(cè)技術(shù)因效率高、精度高、成本低、無(wú)污染等因素被廣泛研究，在相關(guān)應(yīng)用方面也取得了較大進(jìn)展。陳振華等[2]針對(duì)微小缺陷的超聲檢測(cè)及成像問(wèn)題展開(kāi)研究，提出一種高通濾波技術(shù)，成功獲取裂紋引發(fā)的高次諧波信號(hào)，并將其用于薄板點(diǎn)焊焊核的微裂紋檢測(cè)及成像中，準(zhǔn)確定位了微裂紋位置及尺寸；張望等[3]針對(duì)金屬鋁板上閉合型裂紋檢測(cè)問(wèn)題展開(kāi)研究，根據(jù)Lamb波時(shí)間反轉(zhuǎn)原理，得到激勵(lì)重構(gòu)信號(hào)，將其與原激勵(lì)信號(hào)對(duì)比分析，成功對(duì)裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，并開(kāi)發(fā)出一套可定位裂紋的成像算法；丁一珊等[4]通過(guò)數(shù)值仿真研究了基于激光超聲波的金屬裂紋檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)比無(wú)損構(gòu)件、含裂紋構(gòu)件對(duì)超聲信號(hào)的調(diào)制結(jié)果對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)研究了裂紋參數(shù)對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)特性影響；Fang等[5]研究了裂紋與超聲信號(hào)作用規(guī)律，通過(guò)識(shí)別無(wú)損構(gòu)件與含裂紋構(gòu)件振動(dòng)特性差異對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)；Guo等[6]研究了基于激光超聲表面波的金屬表面微裂紋檢測(cè)技術(shù)，分析了裂紋深度對(duì)表面波幅值及中心頻率影響。

上述學(xué)者在裂紋與超聲作用機(jī)理、裂紋成像及檢測(cè)方面做了大量基礎(chǔ)工作，取得了較多成果。但，上述研究一般利用超聲信號(hào)分別激勵(lì)無(wú)損構(gòu)件及含裂紋構(gòu)件，通過(guò)對(duì)比、分析兩種情況下超聲信號(hào)特征參數(shù)改變量進(jìn)行裂紋檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，受人工操作誤差及外界環(huán)境變化影響，兩次測(cè)量結(jié)果間可能會(huì)出現(xiàn)非裂紋引發(fā)偏差，導(dǎo)致裂紋誤檢。論文主要提出一種基于激光超聲的微裂紋定量檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需參考無(wú)損構(gòu)件響應(yīng)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)，有效減少了因人工操作誤差或外界環(huán)境變化給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。

1 激光超聲微裂紋檢測(cè)技術(shù)

1.1 激光超聲非線性調(diào)制機(jī)理

高能激光脈沖束輻射至金屬構(gòu)件表面一點(diǎn)時(shí)，部分入射能量被構(gòu)件表層吸收，在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。激光加熱使構(gòu)件表面局部升溫，發(fā)生熱膨脹，引發(fā)熱應(yīng)力，激發(fā)出激光超聲波。

利用傳感器在構(gòu)件表面檢測(cè)所激發(fā)超聲波。構(gòu)件所處狀態(tài)不同，檢測(cè)得到超聲信號(hào)特征亦不相同。當(dāng)構(gòu)件完好無(wú)損、不含裂紋時(shí)，構(gòu)件可視為一個(gè)線性系統(tǒng)。假設(shè)入射激勵(lì)波頻率分別為f1與f2，構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)σ1可表示為[7]

σ1=C1Esin 2πf1t+C2Esin 2πf2t,

(1)

式中:C1與C2分別為兩束入射激勵(lì)波幅值；E為楊氏模量；t為時(shí)間。

當(dāng)構(gòu)件中存在缺陷，如含有疲勞裂紋時(shí)，受缺陷影響構(gòu)件會(huì)呈現(xiàn)出一定非線性特性。此時(shí)構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)σ2可表示為

σ2=C1Esin 2πf1t+C2Esin 2πf2t+

Eα1C1C2[cos2π(f1+f2)t-cos2π(f2-f1)t]

(2)

式中:α1為構(gòu)件的非線性系數(shù)。

從式(1)、式(2)可知出，在入射波激勵(lì)下，線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)成份是入射波頻率成份的線性疊加；非線性系統(tǒng)(這里主要指含裂紋系統(tǒng))動(dòng)態(tài)響應(yīng)成份，除了入射波頻率成份外，還有高階調(diào)制波(2f1、2f2)及混疊波(f1±f2)。這些新頻率成份是由裂紋非線性調(diào)制作用引發(fā)的。當(dāng)采集的超聲信號(hào)中出現(xiàn)這些高階調(diào)制波或混疊波，表明待測(cè)系統(tǒng)存在缺陷。這是傳統(tǒng)非線性超聲波檢測(cè)裂紋的基本原理。

相對(duì)于傳統(tǒng)壓電傳感器所激發(fā)超聲波，激光超聲波頻域范圍寬(一般可達(dá)0～100 MHz)，更利于微小裂紋檢測(cè)。但隨激勵(lì)波頻域變寬所產(chǎn)生的問(wèn)題是：因裂紋非線性調(diào)制作用產(chǎn)生的高次諧波及混疊波也被原寬頻信號(hào)淹沒(méi)，其特征量難以直接提取。圖1為激光超聲非線性調(diào)制過(guò)程圖。圖1(a)為入射的超聲激勵(lì)波；圖1(b)為經(jīng)裂紋非線性調(diào)制后超聲波。圖1(b)中箭頭所指頻率信號(hào)是經(jīng)裂紋調(diào)制后出現(xiàn)的新頻率成份。從圖中可以看出，這些頻率成份完全淹沒(méi)在原信號(hào)頻率中，其信號(hào)特征難以直接提取。這種情況下，傳統(tǒng)非線性超聲裂紋檢測(cè)方法較難適用。

圖1 激光超聲非線性調(diào)制過(guò)程圖

論文擬引入狀態(tài)空間預(yù)測(cè)模型法[8-9]以解決該問(wèn)題。在狀態(tài)空間中，構(gòu)件動(dòng)態(tài)特征可用幾何圖形直觀描述。當(dāng)構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋，其動(dòng)態(tài)特征發(fā)生改變，狀態(tài)空間中幾何圖形隨之改變。通過(guò)引入非線性特征參數(shù)對(duì)狀態(tài)空間中幾何圖形改變量進(jìn)行識(shí)別，可以達(dá)到構(gòu)件裂紋檢測(cè)目的。

1.2 狀態(tài)空間預(yù)測(cè)模型建立方法

激光超聲激勵(lì)作用下，金屬構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)可表示為

(3)

式中：x為d維的狀態(tài)空間向量，可取位移、速度、加速度等矢量；F為向量x與時(shí)間t的函數(shù)，一般呈非線性。

在狀態(tài)空間中，構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性可用向量x及其隨時(shí)間變化的軌跡圖直觀描述。對(duì)于給定的初始條件xi(0)，狀態(tài)空間中表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的軌跡圖分布規(guī)律相對(duì)確定。當(dāng)構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性發(fā)生改變，如含有裂紋時(shí)，狀態(tài)空間中軌跡圖將隨之改變。若能提取兩種情況下?tīng)顟B(tài)空間中軌跡圖變化規(guī)律并與裂紋參數(shù)相對(duì)應(yīng)，就能實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)目的。

實(shí)際中，很難完整獲取系統(tǒng)的每一個(gè)狀態(tài)向量。幸而根據(jù)Taken[10]提出的嵌入定理，使用測(cè)量得到一維狀態(tài)變量數(shù)據(jù)就可重構(gòu)出系統(tǒng)的高維狀態(tài)變量，進(jìn)而可重構(gòu)出與原系統(tǒng)在拓?fù)湟饬x下等價(jià)的多變量狀態(tài)空間，可達(dá)到利用單變量分析原系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的目的。

假設(shè)測(cè)量得到的系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)為x(n)，則系統(tǒng)的多變量狀態(tài)矢量X(n)可表示為

X(n)=[x(n),x(n+T),…,x(n+(m-1)T)]

(4)

式中：T為重構(gòu)用延遲時(shí)間；m為重構(gòu)用嵌入維度；T與m直接影響狀態(tài)空間重構(gòu)質(zhì)量。選用兩種常用的重構(gòu)算法：平均互信息法[11](Average Mutual Information,AMI)與Cao法[12]分別對(duì)延遲時(shí)間及嵌入維度進(jìn)行計(jì)算。

1.3 激光超聲非線性特征參數(shù)提取方法

利用AMI法與Cao法計(jì)算得到延遲時(shí)間T及嵌入維度m后，可以利用傳感器測(cè)量得到構(gòu)件一維動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)狀態(tài)空間。論文選用非線性特征參數(shù)：平均局部吸引子方差比[13](Average Local Attractor Variance Ratio, ALAVR)，對(duì)因裂紋存在而導(dǎo)致的狀態(tài)空間吸引子改變量進(jìn)行評(píng)估。本質(zhì)上，ALAVR反映的是裂紋引起的構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性改變量。當(dāng)裂紋尺寸較小時(shí)，超聲信號(hào)動(dòng)態(tài)特性變化小，狀態(tài)空間中吸引子幾何改變量相對(duì)較小，ALAVR的計(jì)算值??；當(dāng)裂紋尺寸較大時(shí)，超聲信號(hào)動(dòng)態(tài)特性變化大，狀態(tài)空間中吸引子幾何改變量相對(duì)較大，ALAVR的計(jì)算值變大。通過(guò)分析計(jì)算所得ALAVR值，可對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)。圖2所示為從狀態(tài)空間中提取非線性特征參數(shù)ALAVR的示意圖?；鶞?zhǔn)狀態(tài)空間表示某次計(jì)算中對(duì)比用狀態(tài)空間；待測(cè)狀態(tài)空間表示測(cè)量點(diǎn)處狀態(tài)空間。ALAVR提取步驟為：

步驟1 從基準(zhǔn)狀態(tài)空間中隨機(jī)選取Q個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)y(i)(i=1,2,…,Q)。Q值選取需確保計(jì)算得到特征值不隨Q值增大發(fā)生明顯變化。根據(jù)Pecora等[14]研究成果，取Q=N/100可以滿足計(jì)算要求。其中，N為測(cè)量得到一維響應(yīng)數(shù)據(jù)量。

步驟2 分別從基準(zhǔn)狀態(tài)空間及待測(cè)狀態(tài)空間中，為每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)y(i)分別選取P個(gè)臨近點(diǎn)u(j),v(j)(j=1,2,…,P)。y(i)的臨近點(diǎn)指在相同坐標(biāo)系中，狀態(tài)空間吸引子軌跡圖上距離y(i)最近的點(diǎn)。P值選取需確保吸引子的局部特性可以被完整表征，同時(shí)計(jì)算得到特征值要對(duì)系統(tǒng)噪聲不敏感。根據(jù)Overbey等[15]研究成果，P=N/1 000可以滿足計(jì)算要求。

步驟3 為減少臨近點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)在時(shí)間軸上關(guān)聯(lián)性，選取臨近點(diǎn)時(shí)需要為數(shù)據(jù)加上寬度為2T的泰勒窗，以保證選取臨近點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)在時(shí)間軸上至少相隔2T個(gè)時(shí)間點(diǎn)。假設(shè)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)y(n)，在基準(zhǔn)狀態(tài)空間及待測(cè)狀態(tài)空間上，它的臨近點(diǎn)分別為Un，Vn，裂紋引起的吸引子動(dòng)態(tài)特性改變量LAVRn可表示為

(5)

式中：Var表示對(duì)數(shù)據(jù)求方差。對(duì)所選Q個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分別計(jì)算它們的LAVR值，再將所得結(jié)果進(jìn)行平均，可得到所需非線性特征參數(shù)ALAVR表達(dá)式

(6)

取ALAVR為特征值以對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

(a) 基準(zhǔn)狀態(tài)空間

(b) 待測(cè)狀態(tài)空間

1.4 微裂紋定量檢測(cè)方法

現(xiàn)有微裂紋超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，一般需要分別測(cè)量超聲激勵(lì)下完好構(gòu)件與含裂紋構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)提取特征值對(duì)兩種情況下響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、分析，評(píng)估兩者差異以檢測(cè)裂紋。在檢測(cè)過(guò)程中，受人工操作誤差及外界環(huán)境變化影響，兩次測(cè)量結(jié)果間可能出現(xiàn)非裂紋引發(fā)偏差，導(dǎo)致裂紋誤檢。論文主要提出一種基于激光超聲的，無(wú)需參考構(gòu)件的微裂紋定量檢測(cè)方法以減少外界環(huán)境變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響。裂紋檢測(cè)過(guò)程為：① 利用激光掃描技術(shù)對(duì)含裂紋構(gòu)件進(jìn)行掃描處理。激光掃描路徑如圖3所示。論文中激光掃描范圍設(shè)為10 mm×10 mm，相鄰兩掃描點(diǎn)之間間隔為0.1 mm，共有掃描點(diǎn)10 000個(gè)。傳感器放置在構(gòu)件表面激光掃描范圍之外一固定點(diǎn)處以采集響應(yīng)數(shù)據(jù);② 利用采集到10 000個(gè)響應(yīng)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的ALAVR特征值。區(qū)別于前人研究工作的是，論文使用同一構(gòu)件表面的一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)及該點(diǎn)臨近掃描點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)空間重構(gòu)及特征提取，而非利用待測(cè)構(gòu)件激勵(lì)點(diǎn)與完好構(gòu)件激勵(lì)點(diǎn)對(duì)比分析。

圖3 激光掃描路徑示意圖

取圖3中點(diǎn)C為一激勵(lì)點(diǎn)，箭頭所指點(diǎn)C周邊點(diǎn)即為其臨近掃描點(diǎn)。從圖3可知，除了分布在掃描區(qū)域邊線上的點(diǎn)外，每一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)C都有8個(gè)臨近掃描點(diǎn)。每一個(gè)臨近點(diǎn)Sk(k=1,2,…,8)，都對(duì)應(yīng)有一個(gè)特征值A(chǔ)LAVRk。定義該掃描點(diǎn)C處特征值A(chǔ)LAVR的表達(dá)式為

(7)

式中：n為每一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的臨近點(diǎn)個(gè)數(shù)。

所有計(jì)算完成后，得到在掃描面上按掃描路徑均勻分布的10 000個(gè)特征值。由“1.3”節(jié)可知，當(dāng)構(gòu)件表面無(wú)裂紋時(shí)，10 000個(gè)特征值大小基本相同；當(dāng)構(gòu)件表面存在裂紋時(shí)，裂紋附近掃描點(diǎn)測(cè)量得到響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化，計(jì)算得到特征值也隨之變大。根據(jù)特征值的空間分布情況就能對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)。進(jìn)一步分析裂紋中包含的掃描點(diǎn)數(shù)，結(jié)合相鄰兩掃描點(diǎn)之間設(shè)定間隔值，就可以對(duì)裂紋進(jìn)行定量計(jì)算。

金屬構(gòu)件微裂紋定量檢測(cè)算法流程圖,如圖4所示。

圖4 微裂紋定量檢測(cè)算法流程圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 激光超聲微裂紋定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

構(gòu)建了一套基于激光超聲的微裂紋定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證所提裂紋檢測(cè)技術(shù)的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包含超聲激發(fā)單元、超聲接收單元及數(shù)據(jù)處理單元。激發(fā)單元由一臺(tái)Nd:YAG激光發(fā)射器、掃描振鏡及光學(xué)棱鏡組成。Nd:YAG激光發(fā)射器可激發(fā)波長(zhǎng)為1 064 nm、脈沖寬度20 ns、重復(fù)頻率為20 kHz的激光脈沖束。利用棱鏡將激光束直徑縮小至0.3 mm以提高空間分辨率。最大光束能量被控制在1×107W/cm2內(nèi)以避免對(duì)待測(cè)構(gòu)件造成損傷。通過(guò)掃描振鏡，所激發(fā)激光束可入射到待測(cè)構(gòu)件表面任意位置。超聲接收單元由傳感器、前置放大器及高速數(shù)據(jù)采集卡組成。所用超聲傳感器是由Olympus公司生產(chǎn)的VB213-RM型高頻傳感器，中心頻率30 MHz，直徑6 mm。傳感器采集信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后傳送至高速數(shù)據(jù)采集卡入口。所用高速數(shù)據(jù)采集卡(PCI-4816)具有14位分辨率，最大采樣率為100 Msps。高速數(shù)據(jù)采集卡所采集信號(hào)將傳遞至數(shù)據(jù)處理單元等待進(jìn)一步分析。所采集數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)64次疊加平均處理以提高信號(hào)信噪比。圖5所示為所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖。

1-激光發(fā)射器；2-掃描振鏡；3-待測(cè)構(gòu)件；4-傳感器；5-三維移動(dòng)平臺(tái)；6-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；7-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)試樣

論文擬對(duì)一臺(tái)22 kW雙螺桿壓縮機(jī)(218A)缸體連接面上實(shí)際砂孔缺陷及疲勞裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，以驗(yàn)證所提技術(shù)實(shí)用性。壓縮機(jī)缸體由灰鐵(NO.35)鑄造而成，基本尺寸為370 mm×230 mm×180 mm。缸體包含上下兩部分，由定位銷及螺栓連接。工作時(shí)，缸體需持續(xù)承受高溫、高壓氣體作用，因此對(duì)上下缸體表面光潔度、平整度要求非常嚴(yán)格。實(shí)際上，在鑄造及加工過(guò)程中，缸體表面及內(nèi)部極易出現(xiàn)砂孔及疲勞裂紋，論文擬對(duì)缸體連接面上這些缺陷進(jìn)行檢測(cè)。所述雙螺桿壓縮機(jī)缸體實(shí)物圖及其表面砂孔與疲勞裂紋圖像,如圖6、圖7所示。圖7由基恩士數(shù)碼顯微鏡(VHX-100)拍攝而成，放大倍數(shù)為25倍。

圖6 雙螺桿壓縮機(jī)缸體

圖7 缸體表面裂紋放大圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用所提技術(shù)對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)缸體表面裂紋進(jìn)行檢測(cè)。首先，利用激光脈沖對(duì)缸體表面含裂紋部分進(jìn)行掃描。利用放置在掃描范圍外一固定點(diǎn)處傳感器對(duì)缸體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。其次，利用傳感器采集信號(hào)計(jì)算重構(gòu)狀態(tài)空間用插值參數(shù)T、m。需要注意的是，從10 000個(gè)掃描點(diǎn)中隨機(jī)選取10組激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù)即可滿足重構(gòu)參數(shù)計(jì)算要求[16]，無(wú)需對(duì)所有掃描點(diǎn)一一計(jì)算。計(jì)算得到插值參數(shù)后，利用式(5)～式(7)可計(jì)算得到每個(gè)掃描激勵(lì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的非線性特征參數(shù)ALAVR值。根據(jù)特征值大小及其空間分布情況，可實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)目的。隨機(jī)選取的10組激勵(lì)響應(yīng)波形圖,如圖8所示。

圖8 10組激勵(lì)響應(yīng)波形圖

分別利用AMI法與Cao法計(jì)算每組數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間及嵌入維度。AMI值計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9可知，當(dāng)延遲時(shí)間T趨近4時(shí)，所有AMI曲線均達(dá)到其極小值。因此取T=4為本次實(shí)驗(yàn)用最優(yōu)延遲時(shí)間值。利用Cao法計(jì)算得到嵌入維度曲線，如圖10(a)所示。取圖10(a)曲線中嵌入維度值最大者生成圖10(b)。從圖10(b)可知，當(dāng)嵌入維度m>15時(shí)，特征參數(shù)E1、E2值不再發(fā)生明顯變化。因此取m=16為本次實(shí)驗(yàn)用最優(yōu)嵌入維度值。

圖9 AMI特征曲線圖

(a) 嵌入維度

(b) 優(yōu)化嵌入維度

最優(yōu)插值參數(shù)計(jì)算完成后，根據(jù)各點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)狀態(tài)空間，利用式(5)～式(7)計(jì)算每點(diǎn)ALAVR特征值，所得結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，靠近砂孔缺陷及疲勞裂紋時(shí)，構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)發(fā)生明顯改變，計(jì)算得到ALAVR值顯著增大，說(shuō)明響應(yīng)信號(hào)在此處表現(xiàn)出明顯非線性特征。根據(jù)圖11中,ALAVR大小及空間分布，可以直觀得到裂紋形狀及所在位置。

圖11 裂紋定量分析結(jié)果圖

以水平、豎直方位掃描點(diǎn)為坐標(biāo)軸建立笛卡爾坐標(biāo)系，提取裂紋邊緣點(diǎn)坐標(biāo)值，如圖11所示。因本次實(shí)驗(yàn)中相鄰兩掃描點(diǎn)之間距離為0.1 mm，可以計(jì)算得到砂孔缺陷寬度為：(48.2-36.4)×0.1=1.18 mm。疲勞裂紋寬度為：(19.9-17.6)×0.1=0.23 mm。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與裂紋實(shí)際尺寸相符合。結(jié)果表明，所提技術(shù)能有效對(duì)壓縮機(jī)缸體表面實(shí)際砂孔缺陷及疲勞裂紋進(jìn)行定位及定量檢測(cè)。

從上述裂紋定量檢測(cè)原理還可以分析出，通過(guò)減少相鄰兩掃描點(diǎn)之間距離可以提高裂紋檢測(cè)精度。

4 結(jié) 論

(1) 主要提出一種基于激光超聲的金屬構(gòu)件表面微裂紋定量檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需參考完好構(gòu)件響應(yīng)數(shù)據(jù)即可完成裂紋檢測(cè)，有效減少了因人工操作誤差及外界環(huán)境變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響。

(2) 該技術(shù)利用激光束輻照待測(cè)構(gòu)件激發(fā)超聲波，使用構(gòu)件表面的一激勵(lì)點(diǎn)及該點(diǎn)臨近點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)重構(gòu)相空間，通過(guò)引入非線性特征參數(shù)ALAVR對(duì)相空間中吸引子改變量進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提技術(shù)能準(zhǔn)確定位、定量檢測(cè)金屬構(gòu)件表面微裂紋。