CN110763766B - 一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，该系统包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，本发明所公开的系统及方法操作简单、检测结果可靠、检测效率高，具有很好的应用前景。

Description

一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法
技术领域
本发明涉及工业无损检测领域，特别涉及一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法。
背景技术
涡轮叶片的结构复杂，成型过程中易出现夹渣、空洞、裂纹等缺陷。并且涡轮叶片的服役环境恶劣，在极高温度下承受着高强度热冲击、交变应力、高速冲击等复杂载荷。复杂的结构和苛刻的工作环境使涡轮叶片在服役过程中易产生表面裂纹、界面脱粘等缺陷，对涡轮叶片的结构安全性危害极大。
涡轮叶片损伤缺陷的常规检测技术主要有超声波检测、射线检测和红外热波成像检测技术。常规超声波多采用接触式检测方法，但涡轮叶片多为复杂的自由曲面结构，超声波探头与涡轮叶片曲面的耦合效果并不理想，检测效率低，影响缺陷的可靠检测，表面微缺陷的检测效果差。空气耦合超声检测可实现对涡轮叶片复杂曲面的非接触式检测，但探头的超声频率低，检测灵敏度低，对微小尺寸缺陷的检测能力不足。射线检测技术工艺规范复杂，检测周期长，防护要求高，难以给出缺陷的深度位置信息。红外热波成像检测技术具有检测效率高和非接触式检测等优点，但常规红外热波成像检测难以实现复杂曲面的三维检测，得到的缺陷尺寸与位置信息不准确，对微小缺陷的探测能力不足。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，采用连续脉冲和锁相处理技术，通过脉冲调制信号与超声波信号的相位延迟信息检测表面微缺陷，可提高激光超声检测微缺陷的探测能力。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器、信号发生器、工业机器人分别与计算机控制与处理系统连接。
上述方案中，所述光声探头包括探头支架和设置于探头支架上的准直镜、聚焦镜和光学麦克风，所述准直镜和聚焦镜通过光纤连接脉冲激光器，所述光学麦克风通过光纤连接分束器。
上述方案中，所述计算机控制与处理系统包括信号发生器控制模块、工业机器人控制模块、锁相放大器控制模块、图像重建与缺陷识别模块。
上述方案中，所述半导体激光器通过电源线连接第二功率放大器，所述半导体激光器和分束器之间通过光纤连接。
上述方案中，所述信号发生器和第一功率放大器之间通过BNC数据线连接，所述第一功率放大器和脉冲激光器之间通过电源线连接。
上述方案中，所述锁相放大器和光电探测器之间，以及所述锁相放大器和信号发生器之间均通过BNC数据线连接。
上述方案中，所述光学麦克风采用法布里-珀罗标准具进行测量，通过测量超声波振动引起的光学麦克风测量头内介质气体折射率的变化来测量超声波，测量范围10kHz～2Mhz。
上述方案中，所述分束器用于分离光学麦克风的反射激光和入射激光，工作波长为700-1100nm，分光比为50:50，反射激光能量的50％被反射到光电探测器的感光面上。
一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测方法，包括如下过程：
(1)利用计算机控制与处理系统控制信号发生器输出两路脉冲方波信号，一路连接锁相放大器的参考信号端口，另一路连接脉冲激光器的调制信号输入端口，使得脉冲激光器能够持续向光声探头输出高能激光脉冲；打开半导体激光器，将光电探测器的输出信号连接到锁相放大器的信号输入端口；
(2)根据涡轮叶片的三维几何尺寸，利用计算机控制与处理系统规划工业机器人上的光声探头的扫描路径以及扫描速度；
(3)利用计算机控制与处理系统设置锁相运算积分周期，计算信号发生器输出的参考信号与光电探测器测量得到的输入信号的相位差，并实时记录锁相运算的处理结果；
(4)利用计算机控制与处理系统将锁相放大器记录的相位差点云数据和工业机器人的三维几何信息融合，构造涡轮叶片复杂曲面的三维检测图像，通过提取微缺陷的边缘特征信息，定量分析缺陷的尺寸，并将缺陷尺寸的识别结果标注在三维点云图相应位置处。
上述方案中，所述步骤(2)中，在扫描过程中，光声探头与涡轮叶片上检测位置的距离小于2mm，每毫米规划100个测点，每个测点测量时间为50us，扫描速度5m/s。
通过上述技术方案，本发明提供的涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法采用脉冲激光器照射被测试样，采用连续脉冲激励(而不是常规的单脉冲激励)，依据热弹性原理，材料表面将会产生超声波，超声波在涡轮叶片表面传播，受到缺陷的影响，通过光学麦克风测量超声波信号，将测量得到的超声波信号与脉冲激光器的调制信号进行锁相运算，计算它们的相位差，通过分析超声波信号与调制信号的相位差来检测缺陷。
本发明的方法可以实现涡轮叶片复杂曲面表面微缺陷的非接触式检测，能够实现涡轮叶片表面微缺陷的三维立体检测。本发明的方法检测效率高，检测结果可靠，具有很好的应用前景。
附图说明
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。
图1为本发明实施例所公开的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的光声探头结构示意图。
图中，1、第二功率放大器；2、第一电源线；3、半导体激光器；4、第一光纤；5、分束器；6、第二光纤；7、光电探测器；8、第一BNC数据线；9、第一功率放大器；10、第二电源线；11、脉冲激光器；12、第三光纤；13、涡轮叶片；14、光声探头；15、工业机器人；16、第一控制线；17、第二控制线；18、计算机控制与处理系统；19、信号发生器；20、第二BNC数据线；21、第三BNC数据线；22、锁相放大器；23、第三控制线；24、探头机架；25、准直镜；26、聚焦镜；27、第四光纤；28、第五光纤；29、光学麦克风；30、表面微缺陷。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，结构如图1所示，该系统操作简单、检测结果可靠、检测效率高，具有很好的应用前景。
参考图1，本发明的涡轮叶片表面微缺陷激光超声锁相检测系统，主要包括：第二功率放大器1、半导体激光器3、分束器5、光电探测器7、第一功率放大器9、脉冲激光器11、光声探头14、工业机器人15、计算机控制与处理系统18、信号发生器19、锁相放大器22。
第二功率放大器1通过第一电源线2与半导体激光器3连接，半导体激光器3通过第一光纤4与分束器5连接，分束器5通过第二光纤6与光声探头14连接，第二光纤6为双向光纤。
第一功率放大器9通过第三BNC数据线21与信号发生器19连接，通过第二电源线10与脉冲激光器11连接，脉冲激光器11通过第三光纤12与光声探头14连接，光声探头14固定在工业机器人15的连接端。
计算机控制与处理系统18通过第一控制线16与工业机器人15连接，通过第二控制线17与信号发生器19连接，锁相放大器22通过第一BNC数据线8与光电探测器7连接，通过第二BNC数据线20与信号发生器19连接，通过第三控制线23与计算机控制与处理系统18连接。
如图2所示，光声探头14包括探头机架24、准直镜25、聚焦镜26、第四光纤27、第五光纤28、光学麦克风29。光学麦克风29、准直镜25和聚焦镜26通过机械部件安装在探头机架24上，准直镜25通过第四光纤27连接第三光纤12，光学麦克风29通过第五光纤28连接第二光纤6。
在本实施例中，计算机控制与处理系统18包括信号发生器控制模块、工业机器人控制模块、锁相放大器控制模块、图像重建与缺陷识别模块。信号发生器控制模块用于控制信号发生器19产生方波信号，控制第一功率放大器9的输出功率，确保脉冲激光器11的工作参数；工业机器人控制模块用于规划工业机器人15的扫描路径，保证光声探头14与涡轮叶片曲面的相对位置精度；锁相放大器控制模块用于控制锁相放大器22的锁相处理参数，计算信号发生器19输出的调制信号与光电探测器7测量得到的光电信号的相位差。图像重建与缺陷识别模块用于将检测获得的相位点云数据与涡轮叶片的三维几何数据融合，构造涡轮叶片复杂曲面的三维检测图像，直观显示缺陷的位置，并通过图像边缘特征识别微缺陷的几何尺寸。
在本实施例中，脉冲激光器11用于产生纳秒脉冲能量，基于材料热弹效应，激励涡轮叶片表层产生超声波。波长为532nm，光谱宽度小于5nm，脉宽为2～10ns，平均功率大于5W，最高重复频率为100kHz。
在本实施例中，半导体激光器3用于产生光学麦克风29测量超声振动所需的测量光束，波长为850nm，光谱宽度为2nm，功率不小于1W。
在本实施例中，信号发生器19具有两路模拟信号输出通道，采样频率大于250Msa/s。
在本实施例中，锁相放大器22用于计算脉冲激光器调制信号与光电探测器信号的相位差，利用相位差表征被测试样测点位置的缺陷情况，带宽为2Mhz。
在本实施例中，光学麦克风29采用法布里-珀罗标准具通过测量超声波振动引起的介质气体折射率变化测量超声波，测量范围10kHz～2Mhz，与涡轮叶片检测位置的距离小于2mm。光学麦克风的工作原理为：利用半导体激光器发射出一定波长红外激光光束，穿过法布里-珀罗标准具(间距为1mm的两个平行光学反射镜)，记录声压导致的介质中折射率的微小变化。这些微小变化改变了红外激光光束的波长和传输，并反馈给光电探测器7。
在本实施例中，分束器5用于分离光学麦克风29的反射激光和半导体激光器3的入射激光，工作波长为700-1100nm，分光比为50:50，反射激光能量的50％被反射到光电探测器7的感光面上。
在本实施例中，光电探测器7用于测量光学麦克风29反射激光的信号强度，工作波长800-1700nm，采样频率不低于100Mhz。
在本实施例中，工业机器人15用于定位光声探头14按照指定扫描路径检测涡轮叶片表面，其有效载荷大于3kg，位置控制精度优于50um。
在本实施例中，聚焦镜26将准直后的激光光斑聚焦到被测试样表面，光斑直径小于0.5mm。
本发明还提供一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测方法实施例，包括：
S1.利用计算机控制与处理系统中的信号发生器控制模块控制信号发生器输出两路频率为100kHz的脉冲方波信号，一路连接锁相放大器22的参考信号端口，另一路连接脉冲激光器11的调制信号输入端口，使得脉冲激光器11能够持续输出高能激光脉冲，设置脉冲宽度为10ns。打开半导体激光器3的第二功率放大器1，调节激光器功率为1W，将光电探测器7的输出信号连接到锁相放大器22的信号输入端口。
S2.利用计算机控制与处理系统中的锁相放大器控制模块设置锁相运算积分周期数为4个脉冲周期，即40us，计算参考信号与输入信号的相位差，并实时记录锁相运算的处理结果。
S3.根据涡轮叶片的三维几何尺寸，利用计算机控制与处理系统中的工业机器人控制模块规划工业机器人15的扫描路径，同时保证扫描过程中，光声探头14与涡轮叶片13上检测位置表面微缺陷30的距离小于2mm，每毫米规划100个测点，每个测点测量时间为50us，扫描速度5m/s。
S4.利用计算机控制与处理系统中的图像重建与缺陷识别模块将锁相放大器记录的相位差点云数据和工业机器人的三维几何信息融合，构造涡轮叶片复杂曲面的三维检测图像，通过提取微缺陷的边缘特征信息，定量分析缺陷的尺寸。并将缺陷尺寸的识别结果标注在三维点云图相应位置处。
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)

1.一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器、信号发生器、工业机器人分别与计算机控制与处理系统连接；所述光声探头包括探头支架和设置于探头支架上的准直镜、聚焦镜和光学麦克风，所述准直镜和聚焦镜通过光纤连接脉冲激光器，所述光学麦克风通过光纤连接分束器。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述计算机控制与处理系统包括信号发生器控制模块、工业机器人控制模块、锁相放大器控制模块、图像重建与缺陷识别模块。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述半导体激光器通过电源线连接第二功率放大器，所述半导体激光器和分束器之间通过光纤连接。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述信号发生器和第一功率放大器之间通过BNC数据线连接，所述第一功率放大器和脉冲激光器之间通过电源线连接。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述锁相放大器和光电探测器之间，以及所述锁相放大器和信号发生器之间均通过BNC数据线连接。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述光学麦克风采用法布里-珀罗标准具进行测量，通过测量超声波振动引起的光学麦克风测量头内介质气体折射率的变化来测量超声波，测量范围10 kHz~2 Mhz。
7.根据权利要求6所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述分束器用于分离光学麦克风的反射激光和入射激光，工作波长为700-1100 nm，分光比为50:50，反射激光能量的50%被反射到光电探测器的感光面上。
8.一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测方法，采用如权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，包括如下过程：
（1）利用计算机控制与处理系统控制信号发生器输出两路脉冲方波信号，一路连接锁相放大器的参考信号端口，另一路连接脉冲激光器的调制信号输入端口，使得脉冲激光器能够持续向光声探头输出高能激光脉冲；打开半导体激光器，将光电探测器的输出信号连接到锁相放大器的信号输入端口；
（2）根据涡轮叶片的三维几何尺寸，利用计算机控制与处理系统规划工业机器人上的光声探头的扫描路径以及扫描速度；
（3）利用计算机控制与处理系统设置锁相运算积分周期，计算信号发生器输出的参考信号与光电探测器测量得到的输入信号的相位差，并实时记录锁相运算的处理结果；
（4）利用计算机控制与处理系统将锁相放大器记录的相位差点云数据和工业机器人的三维几何信息融合，构造涡轮叶片复杂曲面的三维检测图像，通过提取微缺陷的边缘特征信息，定量分析缺陷的尺寸，并将缺陷尺寸的识别结果标注在三维点云图相应位置处。
9.根据权利要求 8所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，在扫描过程中，光声探头与涡轮叶片上检测位置的距离小于2 mm，每毫米规划100个测点，每个测点测量时间为50 us，扫描速度5 m/s。
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