阵列式超声无损检测中的多通道光弹成像研究

范振中，毕　超

(中国铁道科学研究院，北京 100081)



阵列式超声无损检测中的多通道光弹成像研究

范振中，毕超

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

摘要:为了使相控阵和阵列式探伤中声路可见，研究人员能更直观地观察声场，利用超声波本质的应力波属性，及偏振光干涉原理，研制了多通道动态光弹成像系统. 通过控制各通道超声波的发射延迟时间，在光学试件中激发各种聚焦声场，模拟相控阵聚焦声场的声束扫查过程，通过CCD拍摄固体中声波的传播图像，在时序电路下形成动态视频图像并对拍摄的图像进行采集存储.

关键词:应力波； 声场； 多通道动态光弹； 无损检测； 超声波检测

0引言

动态光弹成像技术能够直接观察与被测工件声学特性相似的光学玻璃试件中的超声场传播过程，被认为是超声场研究的一把利器. 随着相控阵和阵列式探伤等检测新技术的广泛应用，先前的单通道动态光弹成像系统已不能满足对复杂声场分析的需要.

为了更好地研究阵列式探头声场传播特性，本文开发了多通道动态光弹成像系统，用以研究阵列式探头声场分布，使阵列式探头产生的声场直观可见.

1光弹成像理论基础

光弹应力分析的是指利用偏振光干涉原理观察透明光学玻璃上的应力，它以应力-光折射理论作为基础，可表示为

(1)

式中： {Ni}i=1,2,3为介质中某点折射率椭球的主分量； {σi}i=1,2,3为某点的3个应力椭球主分量，折射率椭球主分量与应力椭球主分量对应的方向相同.

如图1 所示，假设光敏材料M厚度为d并承受两向压力，由于双折射效应，当偏振光EP垂直入射到光敏材料时，EP在M上的任意一点(以O点为例)将分解为相互垂直的两束偏振光E1，E2.

两束偏振光E1,E2产生的光程差为

(2)

此光程差引起的相位差为

(3)

式中：λ为入射光波长;d为模型厚度;σ1,σ2为主应力，光弹法就是利用相位差α，使两束偏振光相干涉，进而根据干涉强弱来研究光学试件中的应力波.

图2 为正交圆偏振仪原理图，光波经起偏振片P后再经过如图所示的Q1,Q2(λ/4玻片)，即变为逆时针旋转的圆偏振光，再进入检偏振器A. 进入模型之后检偏片的振动分量为

(4)

图1　光弹显示原理Fig.1　Principle of photoelastic imaging

图2　正交圆偏振仪原理Fig.2　Principle of the orthogonal circular polarization instrument

光波在检偏振片Ox方向上的出射分量为

(5)

式中：β′=β+ωt. 通过检偏振器之后的光强为

(6)

2光弹成像系统简介

2.1光路及硬件结构

图3 为系统光路及硬件结构.

光学系统中的光源采用LED光源，亮度极高，可满足系统曝光需要，LED由延时控制器控制光源通断时间； 图3 中的L1为准直光束透镜，焦距为320mm； P为起偏振片； S为光学试件，选用与普通钢声速相近的K9光学玻璃制成； A为检偏振片； L2为成像透镜； L3为扩束凹透镜；CCD选用的型号为WAT902，用以拍摄光弹试验图像，相应软件可将数字图像信号存储在计算机中； T为阵列式换能器. 图4 为成像系统实物图.

图3　系统光路及硬件结构示意图Fig.3　Optical system and hardware structure

图4　试验装置实物图Fig.4　Real imaging system

图5　光弹系统延时控制器原理图Fig.5　Schematic of time delay controller

硬件单元中的延时控制模块是此系统有别于其他单通道光弹系统的核心部件单元，原理如图5 所示，延时控制模块以89S52单片机为中央控制器，系统工作时，在软件指定焦点及扫查路径后，单片机从上位机接收各通道的预计延时时间，分配地址由电路译码后对应各个晶片； 时钟电路用于对相应通道输送N个周期的延时数据； 单片机的程序调试及下载是由USB连接方式与上位机通讯实现的.

2.2系统软件及工作流程

系统开发的软件包括系统控制、 图像扑捉、 图像数据测量、 图像数据采集等功能. 系统工作时，操作者指定光弹系统的焦点位置，上位机根据指定的参数计算各个声学通道的发射时间，延时时间通过接口发送到单片机89S52，单片机计算光路的延时时间及声波通道的激发时间，在特定时刻激发协调工作的声波通道及光路.

3试验

3.1试验样品设计

试验中声源采用多个矩形晶片作为发射声源，晶片的宽度3 mm、 长度33 mm，主频为2 MHz. 晶片排列如图6 所示，晶片相互平行排列，间距2 mm. 晶片长度远大于晶片宽度，以使辐射声场可近似看作柱面波形式. 在光弹系统下各个晶片辐射的声场被适当延时，在相同的声波振幅激励之下，即可产生作者希望得到的超声聚焦声场.

玻璃样品试块尺寸为90 mm×25 mm×100 mm(长×宽×高)，试块中的纵波声速为5 900 m/s，与常用钢铁的声速近似. 玻璃样品与晶片的放置方式如图7所示，晶片产生纵波的入射方向垂直于光学玻璃上表面.

图6　晶片排列方式Fig.6　Chips alignment

图7　晶片在光学试件位置图Fig.7　Chips on the optics specimen

3.2声场图像分析

图8～图11为本实验光弹系统下使用4块矩形晶片在不同时刻的声场截图，其中拍摄时间T1

图8　T1时刻声场截图Fig.8　Ultrasonic field shots at T1

图9　T2时刻声场截图Fig.9　Ultrasonic field shots at T2

图10　T3时刻声场截图Fig.10　Ultrasonic field shots at T3

图11　T4时刻声场截图Fig.11　Ultrasonic field shots at T4

图12 为单晶片辐射声场遇有机玻璃与空气界面后的反射，图13 为聚焦声场遇有机玻璃与空气界面后的反射. 可见由聚焦声场反射波形成的条纹明暗显著，说明聚焦声场声压及声强更大，所以在实际检测中，阵列式探头产生的聚焦声场更有利于发现小缺陷，有更高的灵敏度.

图12　界面反射——单晶片声场Fig.12　Interface echo-single chip ultrasonic field

图13　界面反射——聚焦声场Fig.13　Interface echo-focused ultrasonic field

4结论

本文所述多通道光弹系统根据光弹性成像原理开发，通过精确控制各通道的超声波发射延迟时间，能够在光学试件中激发出多种声场，本光弹系统能够激励方向可调的超声聚焦声场，光学试件中的声速等声学性能与常用钢接近，故可用于研究声波在钢中等不透明材料中的超声波声场传播，为超声无损检测提供试验依据，并可研究及验证声学理论，具有十分重要的科研意义.

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Study on Multi-Channel Photoelastic Imaging in Array Type Ultrasonic Nondestructive Testing

FAN Zhenzhong, BI Chao

(China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:In order to make the ultrasonic propagation path become visible in ultrasonic phased array and Ultrasonic array testing technology, researchers can observe the acoustic field directly , using the properties of the ultrasonic as a stress wave, according to the theory of polarized light interference, a multi-channel dynamic photoelastic imaging system is developed successfully. The system can generate many kinds of focusing ultrasonic fields in optical specimen by controlling the ultrasonic transmission delay time of each equipment channel, and the system has the ability to simulate the acoustic field's focusing process of the ultrasonic phased array. The image was shot by CCD camera reflects the propagation process of the acoustic field in the specimen, and the dynamic video is formed under control of the timing circuit, and the system has the ability to save the captured image in the computer.

Key words:stress wave； sound field； multi-channel dynamic photoelasticitity； NDT； ultrasonic testing

中图分类号:TG115.28

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.005

作者简介：范振中(1982-)，男，助理研究员，硕士，主要从事铁路行业产品的无损检测研究.

基金项目：中国铁道科学研究院金属及化学研究所基金资助项目(2015JHS05)

收稿日期:2015-09-27

文章编号:1671-7449(2016)02-0120-05