CN109932394A - 涡轮叶片缺陷的红外热波双目立体成像检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及涡轮叶片缺陷的红外热波双目立体成像检测系统及方法。包括红外双目成像组件、半导体激光器、功率放大器、信号发生器、处理单元；在所述红外双目成像组件内安装扩束镜、以及左侧红外热像仪和右侧红外热像仪两台红外热像仪。本发明所述系统利用红外热波成像与双目视觉技术对涡轮叶片复杂曲面的缺陷损伤进行检测，通过将红外热波成像检测获得的缺陷特征图像与红外双目成像获得的涡轮叶片三维点云图像信息融合，实现对涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的准确检测，在发动机涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效非接触检测中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种涡轮叶片损缺陷的红外热波双目立体成像检测系统及方法，能够利用双目成像与红外热波成像检测手段实现涡轮叶片复杂曲面结构缺陷的无损检测。
背景技术
燃气涡轮是航空燃气涡轮发动机的重要部件之一，为保证涡轮叶片在较高的工作温度下具有高的持久强度极限和蠕变极限，并保证材料在使用寿命下具有良好的组织稳定性，目前常用的涡轮叶片多采用TC4、TC17、Inco718等高温合金材料制备。高温合金叶片的成型工艺复杂，在制造与服役过程中易产生多种类型的损伤缺陷，铸造、加工过程中的残余应力、服役过程中的再结晶现象都可能导致叶片内部产生裂纹损伤，裂纹缺陷进一步拓展成为分层缺陷，最终导致叶片结构出现断裂，造成严重危害性后果，高效可靠的无损检测和评估技术是保证高温合金叶片结构安全的重要保障之一。
高温合金叶片损伤的常规无损检测技术主要有超声波检测和射线检测。超声波检测对裂纹有较高的检测灵敏度，但对于涡轮叶片的复杂曲面结构，探头与涡轮叶片表面的耦合难度大，检测效率低，检测效果不理想。射线检测对裂纹、未熔合缺陷的检测灵敏度受板材厚度和透照位置的影响较大，检测工艺规范复杂，检测周期长。红外热波无损检测技术采用调制激励热源加热被测对象，通过分析热图序列识别试样内部缺陷，具有适用面广、检测速度快、检测面积大、非接触式检测等优点，但常规红外热波成像检测技术难以给出复杂曲面的几何特征信息，影响缺陷尺寸与位置的准确识别。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统及方法，能够实现涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效准确检测，提高涡轮叶片损伤缺陷的检测效率，克服红外热波检测复杂曲面时丢失三维几何信息的不足。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，所述系统用于涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效准确检测，包括红外双目成像组件、半导体激光器、功率放大器、信号发生器、处理单元；在所述红外双目成像组件内安装扩束镜、以及左侧红外热像仪和右侧红外热像仪两台红外热像仪；
所述两台红外热像仪分别和所述处理单元连接，用于同步采集被测涡轮叶片表面检测过程中的红外热图序列；
所述扩束镜，依次和所述半导体激光器、所述功率放大器、所述信号发生器及所述处理单元连接；所述扩束镜用于将所述半导体激光器输出的激光光斑整形为大面积方形光斑；所述半导体激光器用于周期性加热待测的涡轮叶片；所述功率放大器用于控制所述半导体激光器的输出功率；所述信号发生器用于产生线性调频脉冲压缩调制信号，以控制所述半导体激光器功率按照所述线性调频脉冲压缩调制信号变化；
所述处理单元，用于控制所述信号发生器的信号输出、控制所述两台红外热像仪对红外热图序列的采集并提取获得热波检测的缺陷特征图像；以及构建涡轮叶片的三维形貌的点云图并将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，获得表征涡轮叶片内部缺陷的三维特征图像，以确定缺陷的具体位置与尺寸。
进一步地，在所述红外双目成像组件内，所述两台红外热像仪相对于所述扩束镜平行对称安装，两台红外热像仪的投影中心之间的距离为120～160mm；
所述两台红外热像仪均通过以太网数据线和所述处理单元连接；所述信号发生器一端通过USB数据线和所述处理单元连接，另一端通过BNC数据线和所述功率放大器连接；所述功率放大器通过电源线和所述半导体激光器连接；所述半导体激光器通过SMA905光纤和所述扩束镜连接。
进一步地，所述处理单元包括信号发生器控制模块、红外热像仪控制模块、红外热图序列处理模块、双目测量模块、图像三维重建模块和缺陷识别模块；
所述信号发生器控制模块，用于设置所述信号发生器输出信号的参数；
所述红外热像仪控制模块，用于设置两台红外热像仪的采样率、积分时间和图像序列采集总数；
所述红外热图序列处理模块，提取所述红外热图序列中热波信号与调制信号的相位信息，获得两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；
所述双目测量模块，用于以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；
所述图像三维重建模块，用于构建涡轮叶片的三维形貌的点云图；
所述缺陷识别模块，用于将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，并识别缺陷的位置与尺寸大小。
进一步地，所述左侧红外热像仪和所述右侧红外热像仪的分辨率为(256～640)×(320～480)，等效噪声误差<30mK，最大采样频率为50Hz，视场角为25°～55°；波长范围为7.5～14um，精度±2或读数的±2％。
进一步地，所述扩束镜的发散角为20°，放大后光束的照射面积大于100×100mm2。
进一步地，所述信号发生器具有2路模拟信号输出通道，采样频率为40～160Msa/s。
进一步地，所述半导体激光器波长为808nm，光谱宽度为5nm，功率放大器的最大功率大于75W，最高模拟调制频率大于10MHz。一种涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测方法，所述方法包括：
启动半导体激光器与两台红外热像仪，调整两台红外热像仪和扩束镜与涡轮叶片的相对位置，观察确保激光扩束后的光斑能够完全照射涡轮叶片的待测区域；观察两台红外热像仪的成像效果，通过自动对焦保证涡轮叶片待测区域能够在两台红外热像仪视窗中清晰成像；
启动处理单元，同步采集两台红外热像仪的单帧图像，以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，采用处理单元中的双目测量模块计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；再采用图像三维重建模块，构建涡轮叶片三维形貌的点云图；
启动信号发生器，通过所述处理单元中的信号发生器控制模块设置信号发生器产生的线性调频脉冲压缩调制信号的参数，通过红外热像仪控制模块设置两台红外热像仪的采样频率、积分时间和图像序列采集总数；
启动激光器电源，通过所述处理单元控制信号发生器输出线性调频脉冲压缩调制信号，同时控制左右红外热像仪同步采集红外热图序列，完成红外热图序列采集后将原始数据保存到指定的工作路径下；通过红外热图序列处理模块采用锁相算法提取红外热图序列中每一像素对应的热波信号与调制信号的相位信息，分别获得左右红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；
利用处理单元中缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置和尺寸。
进一步地，缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，具体为：将所述红外热图序列处理模块处理后获得的两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像叠加到涡轮叶片的三维形貌的点云图中对应像素位置，采用灰度颜色空间显示涡轮叶片损伤缺陷的缺陷信息，通过分析缺陷区域与无缺陷区域的相位轮廓差异确定缺陷的尺寸大小，并通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置。
本发明的有益技术效果：
本发明所提供的热波双目立体成像检测系统及系统和方法基于视差原理通过双目成像得到被测涡轮叶片的三维几何信息，采用两台红外热像仪采集被测涡轮叶片在主动式加热下的红外热图序列，通过特征信息提取算法得到热波信号的时频域特征信息图像(即热波检测的缺陷特征图像)，最终将热波检测的缺陷特征图像与涡轮叶片三维形貌的点云图融合得到表征涡轮叶片缺陷信息的三维特征图，该方法融合了红外热波成像与双目立体成像技术的优势，能够实现涡轮叶片复杂曲面结构缺陷的快速准确检测，具有非接触、检测效率高的优点，能够实现涡轮叶片三维曲面的检测与显示，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统结构示意图；
附图标记：
1.涡轮叶片；2.右侧红外热像仪；3.扩束镜；4.左侧红外热像仪；5.以太网数据线；6.光纤；7.半导体激光器；8.电源线；9.功率放大器；10.BNC数据线；11.信号发生器；12.USB数据线；13.处理单元；14.红外双目成像组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对现有技术中，超声波检测对于涡轮叶片的复杂曲面结构，探头与涡轮叶片表面的耦合难度大，检测效率低，检测效果不理想；射线检测对裂纹、未熔合缺陷的检测工艺规范复杂，检测周期长；以及针对常规红外热波成像检测技术难以给出复杂曲面的几何特征信息，影响缺陷尺寸与位置的准确识别的技术问题。
本发明提供一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，所述系统用于涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效准确检测，如图1所示，包括红外双目成像组件14、半导体激光器7、功率放大器9、信号发生器11、处理单元13(在本实施例中，处理单元采用计算机，该计算机包括相应处理模块)；在所述红外双目成像组件内安装扩束镜3、以及左侧红外热像仪4和右侧红外热像仪两台红外热像仪2；
所述两台红外热像仪分别和所述处理单元连接，用于同步采集被测涡轮叶片表面检测过程中的红外热图序列；
所述扩束镜3，依次和所述半导体激光器7、所述功率放大器9、所述信号发生器11及所述处理单元13连接；所述扩束镜3用于将所述半导体激光器7输出的激光光斑整形为大面积方形光斑；所述半导体激光器7用于周期性加热待测的涡轮叶片1；所述功率放大器9用于控制所述半导体激光器7的输出功率；所述信号发生器11用于产生线性调频脉冲压缩调制信号，控制所述半导体激光器7功率按照所述线性调频脉冲压缩调制信号变化；
所述处理单元13，用于控制所述信号发生器的信号输出、控制所述两台红外热像仪对红外热图序列的采集并提取获得热波检测的缺陷特征图像；以及构建涡轮叶片的三维形貌的点云图并将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，获得表征涡轮叶片内部缺陷的三维特征图像，以确定缺陷的具体位置与尺寸。
在本实施例中，在所述红外双目成像组件14内，所述两台红外热像仪相对于所述扩束镜3平行对称安装，两台红外热像仪的投影中心之间的距离为120～160mm，优选地，距离为140mm；
所述两台红外热像仪均通过以太网数据线5和所述处理单元13连接；所述信号发生器11一端通过USB数据线12和所述处理单元13连接，另一端通过BNC数据线10和所述功率放大器9连接；所述功率放大器9通过电源线8和所述半导体激光器7连接；所述半导体激光器7通过SMA905光纤6和所述扩束镜3连接。
在本实施例中，所述处理单元包括信号发生器控制模块、红外热像仪控制模块、红外热图序列处理模块、双目测量模块、图像三维重建模块和缺陷识别模块。所述信号发生器控制模块，用于设置所述信号发生器输出信号的参数；所述红外热像仪控制模块，用于设置两台红外热像仪的采样率、积分时间和图像序列采集总数；所述红外热图序列处理模块，提取所述红外热图序列中热波信号与调制信号的相位信息，获得两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；所述双目测量模块，用于以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；所述图像三维重建模块，用于构建涡轮叶片的三维形貌的点云图；所述缺陷识别模块，用于将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，并识别缺陷的位置与尺寸大小。
在本实施例中，，所述左侧红外热像仪和所述右侧红外热像仪的分辨率为(256～640)×(320～480)(分辨率优选：640×480)，等效噪声误差<30mK，最大采样频率为50Hz，视场角为25°～55°；波长范围为7.5～14um，精度±2或读数的±2％。
在本实施例中，所述扩束镜的发散角为20°，放大后光束的照射面积大于100×100mm2。
在本实施例中，所述信号发生器具有2路模拟信号输出通道，采样频率为40～160Msa/s。
在本实施例中，所述半导体激光器波长为808nm，光谱宽度为5nm，功率放大器的最大功率75W，最高模拟调制频率为20MHz。
本发明还提供一种涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测方法实施例，所述方法包括：
启动半导体激光器与两台红外热像仪，调整两台红外热像仪和扩束镜与涡轮叶片的相对位置，观察确保激光扩束后的光斑能够完全照射涡轮叶片的待测区域；观察两台红外热像仪的成像效果，通过自动对焦保证涡轮叶片待测区域能够在两台红外热像仪视窗中清晰成像；
进行相机标定：采用纯黑碳纤维板作为标定板(标定板尺寸可以选取200mm×200mm)，在所述标定板上以一定间距(间距可以选取5mm)粘贴聚四氟乙烯薄片(聚四氟乙烯薄片尺寸为5mm×5mm)，构成棋盘结构(具体地，棋盘结构可以为20×20的结构)；将所述标定板放置在涡轮叶片测量位置处，采用棋盘格标定方法获取左右红外热像仪的等效焦距、图像中心、畸变和相机之间的平移旋转矩阵关系，计算得到双目成像组件的空间坐标系与图像坐标系之间的变换矩阵。
启动处理单元，同步采集两台红外热像仪的单帧图像，以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，采用处理单元中的双目测量模块计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；再采用图像三维重建模块，构建涡轮叶片三维形貌的点云图；
启动信号发生器，通过所述处理单元中的信号发生器控制模块设置信号发生器产生的线性调频脉冲压缩调制信号的参数，通过红外热像仪控制模块设置两台红外热像仪的采样频率、积分时间和图像序列采集总数；优选地，采样频率设置为线性调频脉冲信号最高瞬时频率的20倍；
启动激光器电源，通过所述处理单元控制信号发生器输出线性调频脉冲压缩调制信号，同时控制左右红外热像仪同步采集红外热图序列，完成红外热图序列采集后将原始数据保存到指定的工作路径下；通过红外热图序列处理模块采用锁相算法提取红外热图序列中每一像素对应的热波信号与调制信号的相位信息，分别获得左右红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；
利用处理单元中缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置和尺寸。
在本实施例中，缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，具体为：将所述红外热图序列处理模块处理后获得的两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像叠加到涡轮叶片的三维形貌的点云图中对应像素位置，采用灰度颜色空间显示涡轮叶片损伤缺陷的缺陷信息，通过分析缺陷区域与无缺陷区域的相位轮廓差异确定缺陷的尺寸大小，并通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置。
本发明提供的涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测方法，利用红外热波成像与双目视觉技术对涡轮叶片复杂曲面的缺陷损伤进行检测，通过将红外热波成像检测获得的缺陷特征图像与红外双目成像获得的涡轮叶片三维点云图像信息融合，实现对涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的准确检测，在发动机涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效非接触检测中具有广阔的应用前景。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述系统用于涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的高效准确检测，包括红外双目成像组件、半导体激光器、功率放大器、信号发生器、处理单元；在所述红外双目成像组件内安装扩束镜、以及左侧红外热像仪和右侧红外热像仪两台红外热像仪；
所述两台红外热像仪分别和所述处理单元连接，用于同步采集被测涡轮叶片表面检测过程中的红外热图序列；
所述扩束镜，依次和所述半导体激光器、所述功率放大器、所述信号发生器及所述处理单元连接；所述扩束镜用于将所述半导体激光器输出的激光光斑整形为大面积方形光斑；所述半导体激光器用于周期性加热待测的涡轮叶片；所述功率放大器用于控制所述半导体激光器的输出功率；所述信号发生器用于产生线性调频脉冲压缩调制信号，以控制所述半导体激光器功率按照所述线性调频脉冲压缩调制信号变化；
所述处理单元，用于控制所述信号发生器的信号输出、控制所述两台红外热像仪对红外热图序列的采集并提取获得热波检测的缺陷特征图像；以及构建涡轮叶片的三维形貌的点云图并将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，获得表征涡轮叶片内部缺陷的三维特征图像，以确定缺陷的具体位置与尺寸。
2.根据权利要求1所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，在所述红外双目成像组件内，所述两台红外热像仪相对于所述扩束镜平行对称安装，两台红外热像仪的投影中心之间的距离为120～160mm；
所述两台红外热像仪均通过以太网数据线和所述处理单元连接；所述信号发生器一端通过USB数据线和所述处理单元连接，另一端通过BNC数据线和所述功率放大器连接；所述功率放大器通过电源线和所述半导体激光器连接；所述半导体激光器通过SMA905光纤和所述扩束镜连接。
3.根据权利要求1或2所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述处理单元包括信号发生器控制模块、红外热像仪控制模块、红外热图序列处理模块、双目测量模块、图像三维重建模块和缺陷识别模块；
所述信号发生器控制模块，用于设置所述信号发生器输出信号的参数；
所述红外热像仪控制模块，用于设置两台红外热像仪的采样率、积分时间和图像序列采集总数；
所述红外热图序列处理模块，提取所述红外热图序列中热波信号与调制信号的相位信息，获得两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；
所述双目测量模块，用于以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；
所述图像三维重建模块，用于构建涡轮叶片的三维形貌的点云图；
所述缺陷识别模块，用于将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像融合，并识别缺陷的位置与尺寸大小。
4.根据权利要求1或2所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述左侧红外热像仪和所述右侧红外热像仪的分辨率为(256～640)×(320～480)，等效噪声误差<30mK，最大采样频率为50Hz，视场角为25°～55°；波长范围为7.5～14um，精度±2或读数的±2％。
5.根据权利要求1或2所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述扩束镜的发散角为20°，放大后光束的照射面积大于100×100mm2。
6.根据权利要求1或2所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述信号发生器具有2路模拟信号输出通道，采样频率为40～160Msa/s。
7.根据权利要求1或2所述一种涡轮叶片损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测系统，其特征在于，所述半导体激光器波长为808nm，光谱宽度为5nm，功率放大器的最大功率大于75W，最高模拟调制频率大于10MHz。
8.一种涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测方法，其特征在于，所述方法包括：
启动半导体激光器与两台红外热像仪，调整两台红外热像仪和扩束镜与涡轮叶片的相对位置，观察确保激光扩束后的光斑能够完全照射涡轮叶片的待测区域；观察两台红外热像仪的成像效果，通过自动对焦保证涡轮叶片待测区域能够在两台红外热像仪视窗中清晰成像；
启动处理单元，同步采集两台红外热像仪的单帧图像，以左侧红外热像的坐标系为基准坐标系，采用处理单元中的双目测量模块计算涡轮叶片在基准坐标系中的三维空间坐标；再采用图像三维重建模块，构建涡轮叶片三维形貌的点云图；
启动信号发生器，通过所述处理单元中的信号发生器控制模块设置信号发生器产生的线性调频脉冲压缩调制信号的参数，通过红外热像仪控制模块设置两台红外热像仪的采样频率、积分时间和图像序列采集总数；
启动激光器电源，通过所述处理单元控制信号发生器输出线性调频脉冲压缩调制信号，同时控制左右红外热像仪同步采集红外热图序列，完成红外热图序列采集后将原始数据保存到指定的工作路径下；通过红外热图序列处理模块采用锁相算法提取红外热图序列中每一像素对应的热波信号与调制信号的相位信息，分别获得左右红外热像仪热波检测的缺陷特征图像；
利用处理单元中缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置和尺寸。
9.根据权利要求8所述一种涡轮叶片复杂曲面损伤缺陷的红外热波双目立体成像检测方法，其特征在于，缺陷识别模块将涡轮叶片的三维形貌的点云图与热波检测的缺陷特征图像进行融合处理，具体为：将所述红外热图序列处理模块处理后获得的两台红外热像仪热波检测的缺陷特征图像叠加到涡轮叶片的三维形貌的点云图中对应像素位置，采用灰度颜色空间显示涡轮叶片损伤缺陷的缺陷信息，通过分析缺陷区域与无缺陷区域的相位轮廓差异确定缺陷的尺寸大小，并通过融合后的三维图像确定缺陷的准确位置。
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