基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法
【专利摘要】一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，首先利用激光扩束镜将脉冲激光器产生的激光源的光束扩大成一个直径为数厘米的准直激光束，然后利用m×n个阵列凸透镜将该激光束聚焦到被测试件表面形成半径小于1毫米的、均匀分布阵列激光光斑，然后由红外相机监测被阵列脉冲激光源照射的被测试件表面的温度场分布变化情况；当试件表面被照射区域存在裂纹时，裂纹会阻碍激光辐射的热量在表面的扩散，从而在裂纹两侧形成一个大的温度差。因此最后可通过被照射区域的温度梯度场来对试件表面裂纹进行检测和成像；本发明具有系统结构简单、易实现、易操作、检测速度快、灵敏度高、结果直观、能够实现远距离检测等优点。
【专利说明】基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种结构表面裂纹的远距离无损检测及成像方法，具体涉及一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法。
【背景技术】
[0002]机械机构特别是一些重要结构通常在使用或运行过程中收到复杂的载荷作用，容易在结构内部产生裂纹，尤其是结构表面的疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等。这些裂纹的存在不但会大幅度降低结构的强度，而且会产生极大的安全隐患。
[0003]目前应用于结构表面裂纹最常用的无损检查方法有超声波检测(UT)、涡流检测(ECT)、磁粉检测(MT)和渗透检测(PT)四种。目前虽然超声检测应用范围比较广，但其也存在很多缺点，例如检测时超声探头需要与被测试件表面接触且需要耦合剂，缺陷显示不直观，对操作人员的技能要求较高。涡流检测方法虽然能实现非接触检测，但探头距离试件表面的提离距离很小(通常小于Imm)，而且也存在缺陷显示不直观，定量困难等缺点。磁粉检测和渗透检测需要在被测试件表面喷涂磁粉或者液体，这些磁粉和渗透液可能造成环境污染，而且它们检测速度慢、无法进行在线检测。激光红外检测是一种使用微小激光束作为热源的裂纹红外成像方法，该方法实现了一种结构表面裂纹的远距离、在线检测方法。然而，目前的激光红外检测都是使用单个激光束覆盖一个很小区域，通过机械逐点扫描的方式获得结构表面裂纹的整体图像，因而存在系统比较复杂，检测速度慢等缺点。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，由于采用了阵列激光源，省去了传统激光红外系统中的机械扫描部件，不仅具有系统结构简单、易操作、而且检测速度快、灵敏度高、结果直观、能够实现远距离检测等优点。
[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，包括如下步骤:
[0007]步骤1:使用一台脉冲激光器产生脉宽为1ms至200ms、脉冲能量为20J以上、波长为532至1064nm的激光束1，并通过一个光纤耦合器将激光束I耦合到大功率光纤2中；
[0008]步骤2:将从大功率光纤2中出来的激光束入射到一个由焦距为的输入凹透镜3和焦距为f2的输出凸透镜4组成的激光扩束、准直镜上；输入凹透镜3和输出凸透镜4的间距为d = f2-f\，两个透镜是虚共焦结构；输入凹透镜3将入射的激光束聚焦在前焦平面上为虚焦点，此焦点落在输出凸透镜4的后焦平面上，并且输出凸透镜4的焦距&大于输入凹透镜3的焦距，输入激光束将被扩束成直径为数厘米的准直激光束，扩束的倍数为f2/fi；
[0009]步骤3:将经扩大准直后的激光束通过一个由mXη个大小为数毫米的透镜单元组成的凸透镜阵列5，经过凸透镜阵列5的激光束在被检测试件7表面形成半径小于I毫米的、均匀分布的激光光斑点阵列；输入凹透镜3、输出凸透镜4和凸透镜阵列5被固定在“凸”形透镜套管6中；
[0010]步骤4:mXn个脉冲激光光斑照射到被检测试件7表面形成mXn个脉冲点热源，在各自附近区域向周围扩散热能直到覆盖整个被照射区域；当被检测试件7表面被照射区域没有裂纹时，热能能很好的沿被检测试件7表面方向扩散，因此能在表面形成比较均匀平滑的温度场分布；当被检测试件7表面被照射区域存在裂纹时，裂纹会阻碍热能在表面的扩散，因而温度场会在裂纹两侧形成一个大的梯度或突跳；
[0011]步骤5:使用红外相机8拍摄并记录被检测试件7被照射区域从激光脉冲始发时刻至脉冲终止后200ms的一段时间内、每隔1ms至20ms的温度分布图；
[0012]步骤6:对各个时刻的温度场做一阶和二阶导数变换得到相应的梯度场分布；由于从激光点源辐射的热能扩散至裂纹附近时，会被其阻碍无法继续向前传播，只能沿着裂纹一侧传播并从其两端和底部扩散到裂纹的另一侧；因此当热能扩散至裂纹附近的某一时间内，不但会在裂纹两侧形成一个大的温度差，还会改变温度场原来的扩散方向；最后通过统计被检测区域各点在不同时刻的温度梯度的最大幅值或温度梯度方向的变化对裂纹进行检测和成像。
[0013]所述输入凹透镜3、输出凸透镜4和凸透镜阵列5均为非球面透镜，其材质为石英玻璃。
[0014]所述大功率光纤2为直径0.6mm以上的娃/娃大功率光纤。
[0015]所述“凸”形透镜套管6为轻质铝合金制成。
[0016]本发明通过大功率光纤可以在不移动激光源的情况下灵活的将激光输送到检测对象附近，通过扩束准直透镜和聚焦透镜阵列后的激光束在被检测试件表面、直径数厘米区域形成半径小于I毫米的、均匀分布的激光阵列点热源。由于裂纹会阻碍热能在表面的扩散，致使裂纹两侧形成一个很大的温度梯度。因而可通过红外相机测量被激光照射区域的温度场，并通过温度场的梯度值检测裂纹是否存在，并对裂纹进行成像。因此该方法具有易实现、易操作、检测速度快、灵敏度高、结果直观、能够实现远距离检测等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明方法所用基于阵列激光源的光学组件和光路图。
[0018]图2为本发明方法测量原理图。
[0019]图3为沿裂纹某点法线方向温度分布(a)及其一阶和二阶梯度值曲线(b)。
【具体实施方式】
[0020]如图1和图2所示，本发明方法的测量原理为:使用高能光纤在不需移动激光器的情况下将激光输送到检测对象附近，通过扩束准直透镜和聚焦透镜阵列后的激光束在被检测试件7表面、直径数厘米区域形成半径小于I毫米的、均匀分布的多个阵列激光点热源9。当从激光点源辐射的热能10扩散至裂纹11附近时，会被其阻碍无法继续向前传播，只能沿着裂纹一侧传播并从其两端和底部扩散到裂纹的另一侧。因此当热能扩散至裂纹附近的一段时间内，不但会在裂纹两侧形成一个大的温度差(梯度)，还会改变温度场原来的扩散方向。最后通过统计被检测区域各点在不同时刻的温度梯度的最大幅值或温度梯度方向的变化对裂纹进行检测和成像。
[0021]下面结合图1、图2和图3和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。
[0022]本发明一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，具体包括如下步骤:
[0023]步骤1:将脉宽50ms左右、脉冲能量为20J以上、波长为532至1064nm的激光束I通过一个光纤耦合器耦合到大功率光纤2中。
[0024]步骤2:将从大功率光纤2中出来的激光束入射到一个由焦距为的输入凹透镜3和焦距为f2的输出凸透镜4组成的激光扩束、准直镜上。输入凹透镜3和输出凸透镜4的间距为d = f2-f\，两个透镜是虚共焦结构。如图1所示，输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上(虚焦点)，此焦点落在输出镜的后焦平面上，并且输出镜的焦距大于输入镜的焦距，输入激光束将被扩束成直径为数厘米的准直激光束，扩束的倍数为f2/f1;
[0025]步骤3:将经扩大准直后的激光束通过一个由mX η个透镜单元(每个透镜单元的大小为数毫米)组成的凸透镜阵列5，经过透镜阵列的激光束在被检测试件7表面形成半径小于I毫米的、均匀分布的阵列激光点热源9 ；
[0026]步骤4:从各个激光点热源辐射的热量10在各自附近区域向周围扩散。当试件表面被照射区域没有裂纹时，热量能很好的沿试件表面方向扩散，因此能在表面形成比较均匀平滑的温度场分布。当试件表面被照射区域存在裂纹11时，裂纹会阻碍热能在表面的扩散，因而如图3所示温度场会在裂纹两侧形成一个很大的梯度(或突跳)；
[0027]步骤5:使用红外相机8拍摄并记录试件被照射区域从激光脉冲始发时刻至脉冲终止后200ms左右的一段时间内、每隔10至20ms左右的温度分布图；
[0028]步骤6:对所记录的各个时刻的温度场做一阶和二阶导数变换得到相应的梯度场分布。由于从激光点源9辐射的热能10扩散至裂纹11附近时，会被其阻碍无法继续向前传播，只能沿着裂纹一侧传播并从其两端和底部扩散到裂纹的另一侧。因此当热能扩散至裂纹附近的一段时间内，不但会在裂纹两侧形成一个大的温度差(梯度)，还会改变温度场原来的扩散方向。最后通过统计被检测区域各点在不同时刻的温度梯度的最大幅值或温度梯度方向的变化对裂纹进行检测和成像。
[0029]作为本发明的优选实施方式，所述输入凹透镜3、输出凸透镜4和凸透镜阵列5均为非球面透镜，其材质为石英玻璃。
[0030]作为本发明的优选实施方式，所述大功率光纤2为直径0.6mm以上的娃/娃大功率光纤。
[0031]作为本发明的优选实施方式，所述用于固定输入凹透镜3、输出凸透镜4和凸透镜阵列5的“凸”形透镜套管6为轻质铝合金制成，“凸”形的含义是与被固定物输入凹透镜3、输出凸透镜4和凸透镜阵列5的形状相配套。
【权利要求】
1.一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:使用一台脉冲激光器产生脉宽为101118至2001118、脉冲能量为20了以上、波长为532至106411111的激光束(1)，并通过一个光纤耦合器将激光束(1)耦合到大功率光纤(2)中； 步骤2:将从大功率光纤(2)中出来的激光束入射到一个由焦距为4的输入凹透镜(3)和焦距为的输出凸透镜(4)组成的激光扩束、准直镜上；输入凹透镜(3)和输出凸透镜(4)的间距为(1 = 4-4,两个透镜是虚共焦结构；输入凹透镜(3)将入射的激光束聚焦在前焦平面上为虚焦点，此焦点落在输出凸透镜(4)的后焦平面上，并且输出凸透镜(4)的焦距？2大于输入凹透镜(3)的焦距匕，输入激光束将被扩束成直径为数厘米的准直激光束，扩束的倍数为4/化 步骤3:将经扩大准直后的激光束通过一个由!XIX！！个大小为数毫米的透镜单元组成的凸透镜阵列(5)，经过凸透镜阵列(5)的激光束在被检测试件⑵表面形成半径小于1毫米的、均匀分布的激光光斑点阵列；输入凹透镜(3^输出凸透镜(4)和凸透镜阵列(5)被固定在“凸”形透镜套管(6)中； 步骤个脉冲激光光斑照射到被检测试件(7)表面形成个脉冲点热源，在各自附近区域向周围扩散热能直到覆盖整个被照射区域；当被检测试件(7)表面被照射区域没有裂纹时，热能能很好的沿被检测试件(7)表面方向扩散，因此能在表面形成比较均匀平滑的温度场分布；当被检测试件(7)表面被照射区域存在裂纹时，裂纹会阻碍热能在表面的扩散，因而温度场会在裂纹两侧形成一个大的梯度或突跳； 步骤5:使用红外相机(8)拍摄并记录被检测试件(7)被照射区域从激光脉冲始发时刻至脉冲终止后2001118的一段时间内、每隔101118至201118的温度分布图； 步骤6:对各个时刻的温度场做一阶和二阶导数变换得到相应的梯度场分布；由于从激光点源辐射的热能扩散至裂纹附近时，会被其阻碍无法继续向前传播，只能沿着裂纹一侧传播并从其两端和底部扩散到裂纹的另一侧；因此当热能扩散至裂纹附近的某一时间内，不但会在裂纹两侧形成一个大的温度差，还会改变温度场原来的扩散方向；最后通过统计被检测区域各点在不同时刻的温度梯度的最大幅值或温度梯度方向的变化对裂纹进行检测和成像。
2.根据权利要求1所述的基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，其特征在于:所述输入凹透镜(3^输出凸透镜(4)和凸透镜阵列(5)均为非球面透镜，其材质为石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，其特征在于:所述大功率光纤(2)为直径0.6皿以上的硅丨硅大功率光纤。
4.根据权利要求1所述的基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，其特征在于:所述“凸”形透镜套管(6)为轻质铝合金制成。
【文档编号】G01N25/72GK104502409SQ201410787271
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】裴翠祥, 陈振茂, 蔡文路, 杨桂才 申请人:西安交通大学