CN115656261A - 发动机叶片缺陷检测装置和缺陷信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，公开一种发动机叶片缺陷检测装置，包括固定基板和设置在固定基板上的两个移动平台，两个移动平台上分别安装超声枪，固定基板上设有位于两个超声枪之间的夹具，夹具包括底座、垂直设在底座上的第一夹板和与底座铰接的第二夹板；移动平台可在固定基板上发生靠近夹具以使第一夹板和第二夹板闭合以夹持叶片或远离夹具以使第一夹板和第二夹板打开以释放叶片的位移；检测装置还包括超声波发生器和热像仪；夹具的第一夹板和第二夹板夹持叶片下缘板，通过移动平台的运动使超声枪与夹具接触对叶片进行超声激励。超声枪枪头和夹具及试件间依次紧密接触，夹具充当耦合介质，声波耦合高效，保证超声能量有效耦合进入叶片内部。

Description

发动机叶片缺陷检测装置和缺陷信息获取方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体地，涉及一种发动机叶片缺陷检测装置和缺陷信息获取方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机的重要组成部件，它的正常工作对发动机运转乃至对整个航空飞行器的飞行安全均非常关键。因此，在发动机叶片的生产和服役过程中一直都需要对其进行质量检测和健康监测。

在航空飞行器运转过程中，航空发动机处于高温、高压、缺氧的恶劣环境，在高频率振动、高温、高压的共同作用下，发动机叶片容易出现裂纹甚至断裂等情况。根据断裂力学理论，处于扩展区域的裂纹将呈现指数形式的扩展，微小裂纹的危害将很快显现出来。因此，针对航空发动机叶片的缺陷检测显得尤为重要，需要通过检测判断叶片是否存在裂纹等缺陷，以及对缺陷长度、宽度等信息进行分析，进一步地对航空发动机的质量安全进行评估。

超声红外热成像技术作为一种先进的红外检测技术，结合了超声激励和红外热成像技术，采用主动热激励方式对试件内部进行热激励。超声激励为体加热方式，相对于脉冲红外热成像技术的面加热方式，体加热方式可以多维度区域加热，同时超声激励属于选择性激励，仅在缺陷区域产生温升，非缺陷区域不产生温升，能更有效避免缺陷周围热波信号的干扰，因此超声激励方式能更有效地检测试件内微小缺陷。

在实际检测中，影响超声激励效果的因素有很多，包括超声频率、能量密度、预紧力大小以及激励头与材料的耦合效率。

由于航空发动机叶片为复杂曲面结构，几乎没有一个十分平整的表面。因此，实际检测时如何固定叶片，如何有效地将超声枪能量耦合进叶片内部，成为制约超声激励热成像检测技术在发动机叶片缺陷检测效果方面的重要因素。

公开号为CN101713756B的专利公开一种非接触超声激励的红外热成像无损检测方法和系统，如图3所示，该系统包括：超声发射装置、放置于试件周围的红外热像仪、与红外热像仪相连的计算机、连接超声发射装置和计算机的超声控制器，超声发射装置连接气泵，超声发射装置包括依次连接的超声枪头、超声增益器和超声换能器，超声换能器连接超声控制器。

该专利技术方案以空气为耦合介质，超声枪与工件不发生接触。在实际操作中，这种以空气为介质进行耦合的无损检测方法检测效率非常低下，且一般该检测方法仅能用于检测，无法进行更深入的指向分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种声波高效耦合、检测结果精准的发动机叶片缺陷检测装置。

本发明同时提供一种发动机叶片的缺陷信息获取方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种发动机叶片缺陷检测装置，包括固定基板和设置在固定基板上的两个移动平台，两个移动平台上分别安装有超声枪，固定基板上设有位于两个超声枪之间的夹具，所述夹具包括底座、垂直设在底座上的第一夹板和与底座铰接的第二夹板；移动平台可在固定基板上发生靠近夹具以使第一夹板和第二夹板闭合以夹持叶片或远离夹具以使第一夹板和第二夹板打开以释放叶片的位移；所述检测装置还包括超声波发生器和热像仪；所述夹具的第一夹板和第二夹板夹持叶片下缘板，通过移动平台的运动使超声枪与夹具接触对叶片进行超声激励。

进一步地，每次对叶片的超声激励为两个超声枪依次对叶片进行超声激励。

更进一步地，两个超声枪采用的超声激励频率不同。

更进一步地，两个超声枪采用的超声激励幅值不同。

进一步地，夹具内表面与叶片下缘板外形适配。

进一步地，第一夹板固定在底座上。

进一步地，夹具上与超声枪接触的部位为平整表面。

进一步地，固定基板上设置直线轨道槽，移动平台底部设置有与轨道槽结构适配并嵌设在轨道槽内的轨道。

进一步地，检测装置还包括通过对移动平台在固定基板上进行定位以使超声枪在与夹具接触时对夹具产生预紧力的锁定机构。

一种应用于上述的发动机叶片缺陷检测装置的缺陷信息获取方法，采用如下公式进行：

其中，

0≤i≤n,0≤j≤m,n和m分别为热像仪横向和纵向像素点数值；P_A和P_B分别表示两个超声枪激励时，热像仪所采集的图像的灰度值；

和

表示灰度值均值；V₁包含在两个超声枪频率激励下共同敏感区域的缺陷信息，V₂包含在两个超声枪频率激励下差异区域的缺陷信息，V为将在两个超声枪频率激励下的缺陷信息特性完成融合后的图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)超声枪枪头和夹具及试件之间是依次紧密接触的，在激励过程中夹具充当超声枪与叶片之间的耦合介质，因此声波的耦合是很高效的，能保证超声能量有效耦合进入叶片内部；

2)夹具与超声枪枪头的接触表面平整，使超声枪枪头与夹具得以充分接触，可促进声混沌现象的形成，声混沌现象能有效地消除驻波，并在叶片内部形成混沌声场，增强叶片缺陷区域热波信号，提升超声激励检测效果；

3)采用两个超声枪以不同频率对叶片进行激励，能保证至少有一组超声能量实现有效耦合，且还能规避检测时驻波现象导致的影响；通过特定的算法提取两种频率信号中的缺陷信息，提升了检测装置的适用性，当检测不同叶片时重复改变试验参数或装置组件，也能达到精确检测效果。

附图说明

图1为实施例1所述的发动机叶片缺陷检测装置的工作示意图；

图2为实施例1所述的发动机叶片缺陷检测装置在非工作状态下的局部示意图；

图3为传统无损检测采用的非接触式系统的结构示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本技术方案进行详细阐述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

如图1所示的发动机叶片缺陷检测装置，其包括用于夹持叶片A的夹具1和通过与夹具接触对叶片进行超声激励的超声枪2，超声枪2设置数量为两个，分别从夹具1两侧与夹具接触进行激励，检测装置还包括控制及图像处理系统3、超声波发生器4和热像仪5，每个超声枪2对应连接一个超声波发生器4。

控制及图像处理系统3与超声波发生器4及热像仪5连接，控制及图像处理系统3用于设置超声波发生器4的激励参数、接收热像仪5所采集的红外图像数据、执行图像处理计算并分析缺陷检测结果。超声波发生器4用于发出特定频率和幅值的超声信号，热像仪5用于采集超声激励后叶片表面变化温度图像数据。

夹具1用于夹持叶片A下缘板，夹具1内表面与叶片下缘板外形相互贴合匹配，激励时超声枪2枪头首先将能量传递给夹具1，夹具1再将能量传递给叶片A，在激励过程中夹具1充当超声枪2与叶片A之间的耦合介质。超声激励前将叶片装载固定在夹具1上，由于夹具1内表面与叶片下边缘板外形贴合，夹具1可以很好地固定叶片A，且夹具与叶片接触面积大，能显著提升能量耦合效率。

夹具1上与超声枪2枪头接触的部位为平整表面，使超声枪2枪头与夹具1可以充分接触，促进声混沌现象的形成。声混沌现象是一种非线性效应，即声波的频谱从单一频率分化成具有基波、次谐波、简谐波以及高次谐波等多频率频谱的现象。在超声激励过程中，超声枪枪头与试件接触面之间的相互作用是产生声混沌现象的主要原因，声混沌现象的出现，能有效地消除驻波，提升超声激励检测的效果。

两个超声枪2在每次超声激励时依次对叶片进行激励，通过设置两个超声枪进行超声激励，在每次激励时能保证至少有一组超声能量和叶片实现有效耦合。

两个超声枪2所采用的超声激励频率可相同也可不同。但在单一频率的超声激励条件下，叶片内部容易产生驻波现象，可能导致超声波振动能量在非缺陷区域出现大量损耗并导致该区域产生温升，从而影响叶片缺陷检测效果并扰乱结果判断。因此，在两个超声枪的情况下，一般使两个超声信号采用不同的频率，以便有效规避检测时驻波现象的产生，杜绝驻波带来的负面影响。

如图2所示，为便于更便利快捷地对叶片进行夹持，夹具1包括底座11和位于底座上铰接连接的第一夹板12和第二夹板13，其中，第一夹板12垂直固定在底座11上，仅将第二夹板13设计为活动夹板，可降低检测操作复杂度。当需夹持叶片时，松开第二夹板13，将叶片在夹具1内定好位后，再将第二夹板13复位即可和第一夹板12一起夹持住叶片。

检测装置还包括固定基板6和设置在固定基板上的两个移动平台7，两个超声枪2分别安装在两个移动平台7上。固定基板6上安装直线轨道槽(未示出)，移动平台7底部设置与轨道槽结构适配并嵌设在轨道槽内的轨道(未示出)，可使两个移动平台7在固定基板6上发生靠近夹具1以使第一夹板和第二夹板闭合以夹持叶片或远离夹具1以使第一夹板和第二夹板打开以释放叶片的位移。

依图2的方位看，当不激励时，向右移动第二夹板13侧的移动平台7，超声枪2同步被带动向右移动，夹具第二夹板12松开，即可将叶片取下，或安装另一叶片进行检测；当需要激励时该侧的移动平台向左移动，直至使得该处超声枪2枪头与夹具1的平整表面接触，且随着该移动平台的前移，此时夹具第一夹板12和第二夹板13逐步夹紧固定住叶片并对叶片施加有预紧力。

第一夹板12侧的移动平台7在更换或卸下叶片时既可发生移动，也可不发生移动，将该移动平台设计成可移动的主要是考虑夹具的更换。该移动平台在移动至使超声枪枪头与夹具平整表面接触时也可对夹具逐步施加预紧力。

总之，通过移动移动平台7，可方便调节对叶片的预紧力，同时给夹具第二夹板13提供活动空间。

检测装置还包括通过对移动平台在固定基板上进行位置定位以使超声枪在与夹具接触时对夹具维持预紧力的锁定机构(未示出)；该锁定机构可以是设置在移动平台上的可升降吸盘结构，可升降吸盘结构上的吸盘在需要定位移动平台时下降并吸附至固定基板上，即可使移动平台固定不动；锁定机构也可以是直接放置在位于移动平台末端的固定基板处的重物，只要是能阻碍移动平台在稳定夹持叶片状态下继续发生位移的相关结构均可。移动平台在使得夹具第一夹板和第二夹板维持预紧力的情况下，可确保激励时装置稳定。

实施例2

本实施例提供一种应用于实施例1中检测装置的缺陷信息获取方法，检测过程中，两个超声枪在一次激励中依次进行超声激励，即在一个超声枪激励一段时间后，换另一个超声枪再进行激励，热像仪采集得到两段叶片表面温度场变化序列图像信号。

通常，两种频率下检测所得信号均包含一定量的缺陷信息，为同时提取出两信号中的缺陷信息，提出一种信号处理算法对序列图像中每一帧图像进行处理，具体采用如下公式进行：

其中，

0≤i≤n,0≤j≤m,n和m分别为热像仪横向和纵向像素点数值；P_A和P_B分别表示两个超声枪激励时，热像仪所采集的图像的灰度值；

和

表示灰度值均值；V₁包含在两个超声枪频率激励下共同敏感区域的缺陷信息，V₂包含在两个超声枪频率激励下差异区域的缺陷信息，V为将在两个超声枪频率激励下的缺陷信息特性完成融合后的图像，融合后图像最大限度地保留了两不同激励频率下的有效信号。

上述缺陷信息获取方法可避免当检测不同叶片时重复改变试验参数或装置组件影响到检测效果，提升了检测装置的适用性，大大提升了缺陷检测能力。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：两个超声枪的超声信号采用不同的幅值，以便有效规避检测时驻波现象的产生，杜绝驻波带来的负面影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，包括固定基板和设置在固定基板上的两个移动平台，两个移动平台上分别安装有超声枪，固定基板上设有位于两个超声枪之间的夹具，所述夹具包括底座、垂直设在底座上的第一夹板和与底座铰接的第二夹板；移动平台可在固定基板上发生靠近夹具以使第一夹板和第二夹板闭合以夹持叶片或远离夹具以使第一夹板和第二夹板打开以释放叶片的位移；所述检测装置还包括超声波发生器和热像仪；所述夹具的第一夹板和第二夹板夹持叶片下缘板，通过移动平台的运动使超声枪与夹具接触对叶片进行超声激励。

2.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，每次对叶片的超声激励为两个超声枪依次对叶片进行超声激励。

3.根据权利要求1或2所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，两个超声枪采用的超声激励频率不同。

4.根据权利要求1或2所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，两个超声枪采用的超声激励幅值不同。

5.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，夹具内表面与叶片下缘板外形适配。

6.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，第一夹板固定在底座上。

7.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，夹具上与超声枪接触的部位为平整表面。

8.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，固定基板上设置直线轨道槽，移动平台底部设置有与轨道槽结构适配并嵌设在轨道槽内的轨道。

9.根据权利要求1所述的发动机叶片缺陷检测装置，其特征在于，检测装置还包括通过对移动平台在固定基板上进行定位以使超声枪在与夹具接触时对夹具产生预紧力的锁定机构。

10.一种应用于权利要求1～9任意一项所述的发动机叶片缺陷检测装置的缺陷信息获取方法，其特征在于，采用如下公式进行：

其中，

0≤i≤n,0≤j≤m,n和m分别为热像仪横向和纵向像素点数值；P_A和P_B分别表示两个超声枪激励时，热像仪所采集的图像的灰度值；

和

表示灰度值均值；V₁包含在两个超声枪频率激励下共同敏感区域的缺陷信息，V₂包含在两个超声枪频率激励下差异区域的缺陷信息，V为将在两个超声枪频率激励下的缺陷信息特性完成融合后的图像。

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