CN111624257A - 一种基于sls的金属表面裂纹检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，包括发射模块、接收模块、三维移动平台和控制模块，被测工件放置在三维移动平台上；发射模块包括高频光纤脉冲超声激光器、扫描振镜机构和聚集镜，高频光纤脉冲超声激光器激励出一束脉冲超声激光被扫描振镜机构反射，然后通过聚集镜激励在被测工件上；接收模块包括多个压电传感器、电荷放大器和高速数据采集卡，压电传感器设置在被测工件表面的四周，压电传感器采集的信号经过电荷放大器与高速数据采集卡连接，完成信号的实时采集。与现有技术相比，本发明实现精确高效的金属表面裂纹无损检测。

Description

一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统
技术领域
本发明涉及金属表面裂纹无损检测领域，尤其是涉及一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统。
背景技术
随着工业现代化的发展，金属零件广泛地应用于航空航天、能源化工、交通运输、武器装备、生产设备等诸多重要领域，金属零部件在服役的过程中会受到高温、高压、高负荷、腐蚀、辐射等恶劣环境影响，会造成金属零件表面产生裂纹等缺陷，如果不能及时有效的识别缺陷并采取必要的措施，缺陷会进一步发展最终导致零件的失效。金属零件的失效严重降低了设备的稳定性和可靠性，甚至可能导致危险性高和破坏性大的事故，造成巨大的经济效益损失，危及人民生命安全。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，实现精确高效的金属表面裂纹无损检测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，包括发射模块、接收模块、三维移动平台和控制模块，其中：
被测工件放置在三维移动平台上；
所述的发射模块包括高频光纤脉冲超声激光器、扫描振镜机构和聚集镜，所述高频光纤脉冲超声激光器激励出一束脉冲超声激光被扫描振镜机构反射，然后通过聚集镜激励在被测工件上；
所述的接收模块包括多个压电传感器、电荷放大器和高速数据采集卡，所述的压电传感器设置在被测工件表面的四周，压电传感器采集的信号经过电荷放大器与高速数据采集卡连接，完成信号的实时采集；
所述的控制模块为装载有控制软件的计算机，控制模块分别连接高速数据采集卡、三维移动平台、高频光纤脉冲超声激光器和扫描振镜机构。
进一步地，所述的高频光纤脉冲超声激光器内设有光斑整形装置，高频光纤脉冲超声激光器发出的脉冲超声激光，通过光斑整形装置、扫描振镜机构和聚集镜在被测工件上形成直径为0.5～1.5mm的圆形光斑。
进一步地，所述的高频光纤脉冲超声激光器的发射频率大于30KHz。
进一步地，所述的扫描振镜机构包括两片反射振镜和电机，电机控制其中一片反射振镜移动从而调节脉冲超声激光发射的位置，对被测工件进行多方向的线性扫描。
进一步地，每个线性扫描区域扫描点之间的距离设定为0.01～0.15mm。
进一步地，所述的压电传感器的设置方向与线性扫描路径的法向量方向相互重合，并且每次偏转角度与被测工件中心角度小于20度。
进一步地，所述的压电传感器通过耦合剂置于被测工件表面。
进一步地，所述的控制软件对高速数据采集卡实时获取的信号依次进行小波去噪，非线性特征提取、特征匹配、特征拟合成像和多方向图像融合，实现对金属表面裂纹的形状和深度的定量检测。
进一步地，所述的小波去噪包括选择和确定N小波分解、每层选择阈值和阈值量化、根据该层分解的低频系数进行小波重构得到去噪后的超声波信号。
进一步地，所述的非线性特征提取为基于相空间预测模型的裂纹特征提取算法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明基于SLS(扫描激光源法)，并且采用压电传感器作为接收信号的装置替换现有的光学干涉仪，接收灵敏度高，有利于提高测量精度。
2.本发明通过扫描振镜机构的设计，对被测工件在各个方向进行线性扫描，对于裂纹形状空间分辨率高，精度更高，多次扫查，结果更为精确，具有良好的工业应用前景。
3.本发明在进行信号分析时采用基于相空间的非线性特征提取方法，特征提取精度更高，提取效果更好；同时采用特征匹配和特征拟合成像的方法，绘制出带有深度信息的二维图像，检测效果更加直观，形状信息和深度信息更加精确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为压电传感器的分布和多方向线性扫描路径示意图。
图3为融合后的裂纹成像图。
附图标记：1、发射模块，11、高频光纤脉冲超声激光器，12、扫描振镜机构，13、聚集镜，2、接收模块，21、压电传感器，22、电荷放大器，23、高速数据采集卡，3、三维移动平台，4、控制模块，5、被测工件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例公开了一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，包括发射模块1、接收模块2、三维移动平台3和控制模块4。
被测工件5放置在三维移动平台3上，实现被测工件5的三轴移动，以及被测工件5相对于发射模块1和接收模块2的聚焦和校准。
发射模块1包括高频光纤脉冲超声激光器11、扫描振镜机构12和聚集镜13。高频光纤脉冲超声激光器11激励出一束脉冲超声激光被扫描振镜机构12反射，然后通过聚集镜13激励在被测工件5上。高频光纤脉冲超声激光器11的发射频率一般大于30KHz，可以保证产生更高的信噪比的超声信号，以至于实现高精度的裂纹检测，也更适合工业行业使用。高频光纤脉冲超声激光器11内设有光斑整形装置，高频光纤脉冲超声激光器11发出的脉冲超声激光，通过光斑整形装置、扫描振镜机构12和聚集镜13在被测工件5上形成直径为0.5～1.5mm的圆形光斑，实现的超声激发属于热弹机制激发，对被测物体进行的是无损检测。扫描振镜机构12包括两片反射振镜和电机，电机控制其中一片反射振镜移动从而调节脉冲超声激光发射的位置对被测工件5进行多方向的线性扫描。每个线性扫描区域扫描点之间的距离设定为0.01～0.15mm，方向控制精度为±0.01°。
接收模块2包括多个压电传感器21、电荷放大器22和高速数据采集卡23。压电传感器21设置在被测工件5表面的四周，压电传感器21采集的信号经过电荷放大器22与高速数据采集卡23连接，完成信号的实时采集。如图2所示，压电传感器21的设置位置方向于线性扫描路径的法向量方向相互重合，并且每次偏转角度与被测工件5中心角度小于20度。压电传感器21通过耦合剂置于被测工件5表面。
控制模块4为装载有控制软件的计算机，该计算机分别连接高速数据采集卡23、三维移动平台3、高频光纤脉冲超声激光器11和扫描振镜机构12。在控制模块4中，控制软件对高速数据采集卡23实时获取的信号依次进行小波去噪，非线性特征提取、特征匹配、特征拟合成像和多方向图像融合，实现对金属表面裂纹的形状和深度的定量检测。具体地说：
小波去噪是小波阈值消噪法去噪，具体步骤为选择和确定N小波分解、每层选择阈值和阈值量化、根据该层分解的低频系数进行小波重构得到去噪后的超信号。
非线性特征提取为基于相空间预测模型的裂纹特征提取算法，步骤为：
(1)从基准相空间中随机选取P个基准点x(i)(i＝1,2,3,...P)，基准点x(i)在相空间吸引子轨迹上；
(2)从待测相空间中，为每个基准点x(i)选取Q个临近点y(j)(1,2,3,...Q)；
(3)将x(i),y(j)沿着各自轨迹方向延伸L步，得到点x(i+L)及y(j+L)。对每个基准点x(i)而言均有Q个临近点y(j)，取Q个临近点的中心点
Figure BDA0002529009500000041
作为待测空间吸引子轨迹的预测值，即：
Figure BDA0002529009500000042
基准相空间中的预测值与待测相空间中的预测值偏差en可表示为：
Figure BDA0002529009500000043
其中，||·||为欧式范数；
4得到非线性特征NNPE表达式：
Figure BDA0002529009500000044
其中，
Figure BDA0002529009500000045
为测量信号的方差值。
特征匹配为将得到的非线性特征NNPE进行颜色匹配，其中红色和蓝色表示其深度方向，蓝色最浅，红色最深。
多方向图像融合为得出方向拟合图后进行融合，确定其主方向，进行每个方向上的裂纹图像融合。
本实施例的具体检测过程为：
步骤一：检测工件选用尺寸为200mm×150mm、厚度为30mm的铝块，表面具有L形裂纹缺陷，在铝块表面上分布六个压电传感器21，如图2。该压电传感器21安装位置为每个扫描方向的法向量方向，其目的是便于接收该方向线性扫描产生的超声信号，每个线性扫描区域扫描点之间的距离设定为0.1mm，这样便于后期裂纹的定量计算。被测工件5放置于三维移动平台3上，便于后面的激光器聚焦和标刻位置；
步骤二：高频光纤脉冲超声激光器11通过内部光斑整形装置出激光光斑，通过扫描振镜和聚集镜13，激发出能量为1mJ的脉冲点源在铝块上，通过调整扫描振镜机构12的位置距离，使其聚焦在工件表面上，距离大致为4～5mm，激励的光斑半径为0.5mm，通过控制模块4控制激光功率百分比，保证热弹效应无损检测的前提下提高信噪比；
步骤三：为了实现同步触发和采集，高频光纤脉冲超声激光器11采用专用触发通道，电荷放大器22的输出电荷与高速数据采集卡23输入电荷相匹配，完成信号的实时传输；
步骤四：开启激光器，控制模块4控制其线性扫描路径和改变其扫描方向，接收将每个方向线性扫描后耦合的超声激光信号存储于控制模块4内，并进行方向排序；
步骤五：将存储的超声信号进行滤波和特征提取，将其得到的NNPE特征点根据位置和大小进行匹配，最大的为红色，最小的为蓝色，得到NNPE特征点阵图；
步骤六：根据得到NNPE特征点阵图，采用双线性插值法进行十倍双线性插值进行提高图像拟合精度，得到其拟合成像图，接着进行图像融合，得到最终裂纹检测二维示意图，效果如图3所示；
步骤七：对于裂纹的定量检测，根据相邻扫描点之间的距离和扫描点数，通过双线性插值点Nx，y的特征计算，计算出该裂纹的长度和宽度信息；点Nx，y，z的特征值计算公式为：
Figure BDA0002529009500000051
其中，x1、x2、y1、y2、z1、z2均为坐标数值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，包括发射模块(1)、接收模块(2)、三维移动平台(3)和控制模块(4)，其中：
被测工件(5)放置在三维移动平台(3)上；
所述的发射模块(1)包括高频光纤脉冲超声激光器(11)、扫描振镜机构(12)和聚集镜(13)，所述高频光纤脉冲超声激光器(11)激励出一束脉冲超声激光被扫描振镜机构(12)反射，然后通过聚集镜(13)激励在被测工件(5)上；
所述的接收模块(2)包括多个压电传感器(21)、电荷放大器(22)和高速数据采集卡(23)，所述的压电传感器(21)设置在被测工件(5)表面的四周，压电传感器(21)采集的信号经过电荷放大器(22)与高速数据采集卡(23)连接，完成信号的实时采集；
所述的控制模块(4)为装载有控制软件的计算机，控制模块(4)分别连接高速数据采集卡(23)、三维移动平台(3)、高频光纤脉冲超声激光器(11)和扫描振镜机构(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的高频光纤脉冲超声激光器(11)内设有光斑整形装置，高频光纤脉冲超声激光器(11)发出的脉冲超声激光，通过光斑整形装置、扫描振镜机构(12)和聚集镜(13)在被测工件(5)上形成直径为0.5～1.5mm的圆形光斑。
3.根据权利要求1所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的高频光纤脉冲超声激光器(11)的发射频率大于30KHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的扫描振镜机构(12)包括两片反射振镜和电机，电机控制其中一片反射振镜移动从而调节脉冲超声激光发射的位置，对被测工件(5)进行多方向的线性扫描。
5.根据权利要求4所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，每个线性扫描区域扫描点之间的距离设定为0.01～0.15mm。
6.根据权利要求4所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的压电传感器(21)的设置方向与线性扫描路径的法向量方向相互重合，并且每次偏转角度与被测工件(5)中心角度小于20度。
7.根据权利要求1所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的压电传感器(21)通过耦合剂置于被测工件(5)表面。
8.根据权利要求1所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的控制软件对高速数据采集卡(23)实时获取的信号依次进行小波去噪，非线性特征提取、特征匹配、特征拟合成像和多方向图像融合，实现对金属表面裂纹的形状和深度的定量检测。
9.根据权利要求8所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的小波去噪包括选择和确定N小波分解、每层选择阈值和阈值量化、根据该层分解的低频系数进行小波重构得到去噪后的超声波信号。
10.根据权利要求8所述的一种基于SLS的金属表面裂纹检测系统，其特征在于，所述的非线性特征提取为基于相空间预测模型的裂纹特征提取算法。
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