一种飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的装置及方法与流程

本发明红外热波无损检测技术领域，涉及一种飞秒激光装置及方法，具体涉及一种通过飞秒激光激励检测钛铝合金缺陷的装置及方法。

背景技术：

钛铝合金由于具有导电性能良好、耐高温、耐腐蚀等使用性能，因此广阔的应用于航天业、汽车业、医疗等领域。长时间的使用过程中不可避免的会产生摩擦磨损裂纹等缺陷，如果不及时的进行检测，将会降低其使用性能，甚至引发严重的事故。常规无损检测技术有射线检测、涡流检测、渗透检测以及超声检测。射线检测虽然检测效果好，但是对操作者有辐射；涡流检测虽然检测效率高，但是有集肤效应，结果不明显；渗透检测虽然操作方便，但是破坏精密仪器精度；超声检测虽然灵敏度高，但是无法检测结构复杂的小器件。红外热波无损检测技术是一种近年来发展迅速的检测技术。与常规检测技术相比，红外热波无损检测技术由于适用范围广，检测效果好，并且能够在不损伤试件内部结构的前提下清晰地观测到缺陷程度，因此受到国内外的广泛关注。

激光具有相干性、单色性、方向性的特点，不但在诸多领域有广泛的应用，而且在无损检测领域中也是一种理想的用于传递热量的激励源。飞秒激光与普通激光相比，脉宽为飞秒，最大功率甚至能达到太瓦的超短脉冲，能量高度集中，因此飞秒激光传输速率极快，能量密度极高，瞬时功率极大，因此飞秒激光激励能够在瞬间传递高能热量，甚至可以使用飞秒激光作为激光武器。通过使用飞秒激光激励，甚至能够检测到普通激光激励都难以检测到的微小缺陷，因此飞秒激光激励在对钛铝合金缺陷的无损检测中有着重要的作用。

技术实现要素：

本发明针对钛铝合金缺陷，依据光学、机械学、电学的综合技术，提供了一种光机电一体化飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的装置，包括飞秒激光激励系统、图像采集系统、伺服系统、光束传递系统、数据接收处理系统，其中：

所述飞秒激光激励系统包括数据采集卡、第一功率放大器、飞秒激光驱动器和飞秒激光发射器；

所述图像采集系统包括红外热像仪；

所述伺服系统包括电机控制器、第二功率放大器、电机驱动器、伺服电机、工作台和速度速度传感器；

所述光束传递系统包括准直镜、凹透镜、反射镜、凸透镜和三棱镜；

所述数据接收处理系统为计算机；

所述数据采集卡的输入端与计算机的输出端相连；

所述数据采集卡的输出端与第一功率放大器的输入端相连；

所述第一功率放大器的输出端与飞秒激光驱动器的输入端相连；

所述飞秒激光驱动器的输出端与飞秒激光发射器的输入端相连；

所述红外热像仪的输入端与计算机的输出端相连；

所述电机控制器的输入端与计算机的输出端相连，通过计算机输入控制指令，从而控制伺服电机带动工作台对被测试件进行从左到右的运动；

所述电机控制器的输出端与功率放大器的输入端相连；

所述功率放大器的输出端与电机驱动器的输入端相连；

所述电机驱动器的输出端与伺服电机的输入端相连；

所述伺服电机的输出端与工作台相连；

所述工作台上安装有速度传感器；

所述飞秒激光发射器输出端发射一束激光，经准直镜准直后通过凹透镜、反射镜、凸透镜、三棱镜，最终将激光束作用于被测试件上。

一种利用上述装置进行飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的方法，包括以下步骤：

第一步：将被测试件固定于工作台上，调节工作台的高度，使红外热像仪镜头高度与被测试件垂直高度保持一致；

第二步：调节红外热像仪与被测试件前后位置距离在40至60mm之间，优选为50mm；

第三步：将红外热像仪与计算机通讯连接完整，启动红外热像仪；

第四步：调节红外热像仪焦距，直到计算机清晰地显示被测试件的图像；

第五步：将实验所需器件连接好，并依次接通电源，检查实验器件工作状态；

第六步：调整反射镜水平角度为30°至60°之间，优选为45°；

第七步：调整三棱镜水平角度为120°至150°之间，优选为135°；

第八步：通过计算机向电机控制器输入控制指令，控制伺服电机工作，将被测试件从左到右运动；

第九步：触发飞秒激光激励系统工作，发出飞秒激光激励；

第十步：红外热像仪采集被测试件从左到右移动时的红外图像，实时将采集到的数据图像传输至计算机中；

第十一步：在计算机中对数据图像进行去噪声处理，并显示到计算机的显示屏中；

第十二步：依据显示结果对钛铝合金表面缺陷进行判断。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、飞秒激光激励由于传输速率极快，能量密度极高，瞬时功率极大，因此，与普通激光激励相比，对钛铝合金材料缺陷检测效果更明显。

2、本发明通过使用飞秒激光激励，能够检测到普通激光激励都难以检测到的钛铝合金材料的微小裂纹缺陷，并且检测面积更大。

3、通过使用本发明，试件从左到右的匀速移动，能够对钛铝合金材料由点及线，由线及面地进行完整地全方位扫描式检测，因此在无损检测中有着重要的作用。

附图说明

图1为本发明飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的装置的原理图；

图2为本发明工作台的结构示意图；

图3为本发明飞秒激光激励表面温度图；

图4为本发明缺陷和无缺陷对比图；

图5为本发明钛铝合金表面温度变化图；

图中，1：准直镜、2：凹透镜、3：反射镜、4：双绞线、5：红外热像仪、6：凸透镜、7：三棱镜、8：被测试件、9：速度传感器、10：工作台、10-1：试件固定台、10-2：丝杠螺母、10-3：伸缩杆、10-4：支撑钉、10-5：固定杆、10-6：固定底座、11：伺服电机、12：第一信号线、13：第一灯具座、14：第二灯具座、15：飞秒激光发射器、16：第二信号线、17：电机驱动器、18：第三信号线、19：第二功率放大器、20：第四信号线、21：电机控制器、22：第五信号线、23：计算机、24：第六信号线、25：数据采集卡、26：第七信号线、27：第一功率放大器、28：第八信号线、29：飞秒激光驱动器、30：底座、31：垂直杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

一种飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的装置，如图1所示，所述装置由飞秒激光激励系统、图像采集系统、伺服系统、光束传递系统、数据接收处理系统五部分构成。

所述飞秒激光激励系统包括数据采集卡25、第一功率放大器27、飞秒激光驱动器29和飞秒激光发射器15，其中：数据采集卡25用于输出飞秒激光激励信号；第一功率放大器27用于放大飞秒激光激励信号的功率；飞秒激光驱动器29用于驱动飞秒激光发射器15工作；飞秒激光发射器15用于发射能量密度极高、瞬时功率极大的飞秒激光激励。所述数据采集卡25的输入端通过第六信号线24与计算机23的输出端相连；所述数据采集卡25的输出端通过第七信号线26与第一功率放大器27的输入端相连；所述第一功率放大器27的输出端通过第八信号线28与飞秒激光驱动器29的输入端相连；所述飞秒激光驱动器29的输出端通过第二信号线16与飞秒激光发射器15的输入端相连；所述飞秒激光发射器15的输出端发射出能量密度极高、瞬时功率极大的飞秒激光激励。

所述图像采集系统包括红外热像仪5，所述红外热像仪5的输入端通过双绞线4与计算机23的输出端通讯连接完整。

所述伺服系统包括电机驱动器17、第二功率放大器19、电机控制器21、伺服电机11、工作台10和速度传感器9，其中：电机控制器21用于控制伺服电机11的转动方向、转动速度和正反转；第二功率放大器19用于放大电功率以达到伺服电机11额定功率；电机驱动器17用于驱动伺服电机11工作；伺服电机11用于带动工作台10转动；速度传感器9用于检测工作台10的旋转速度量，将信息反馈回计算机23中，从而调节被测试件8的转动速度。所述电机控制器21的输入端通过22第五信号线与计算机23的输出端相连，在计算机23中输入控制指令，从而控制伺服电机11的工作；所述第一功率放大器19的输入端通过第四信号线20与电机控制器21的输出端相连；所述电机驱动器17的输入端通过第三信号线18与第一功率放大器19的输出端相连；所述伺服电机11的输入端通过第一信号线12与电机驱动器17的输出端相连接，所述伺服电机11的输出端与工作台10相连；所述工作台10上安装有速度传感器9，用于检测工作台10上被测试件8移动速度，从而将速度信息反馈回计算机23中，调节伺服电机11移动丝杠螺母10-2，在工作台10上对被测试件8进行速度调节。

所述光束传递系统包括准直镜1、凹透镜2、反射镜3、凸透镜6和三棱镜7，其中：准直镜1用于改变光束传递的准直性；凹透镜3用于发散太阳光以及其他光源，减少其他入射光线的干扰，飞秒激光发射器15从主轴发射激光，经过凹透镜3光心无影响；反射镜3用于通过改变反射角度，从而改变激光的反射方向；凸透镜6用于聚集光线，改变光的传递方向；三棱镜7用于二次折射，改变激光束方向，将激光束作用于被测试件8上。所述光束传递系统将一束飞秒激光激励分通过准直镜1、凹透镜2、反射镜3、凸透镜6和三棱镜7的相互作用，改变飞秒激光的光路，将其作用于钛铝合金缺陷表面，即：飞秒激光发射器15输出端发射的激光通过准直镜1改变了飞秒激光激励的光束准直性；当飞秒激光激励通过凹透镜2时，发散其他入射光线，降低其他光线的干扰；当通过反射镜3时，根据反射角度大小，改变激光的反射方向；当激光束通过凸透镜6时，凸透镜6将激光束聚集起来，当激光束通过三棱镜7时，激光束在三棱镜7内发生二次折射，改变激光束方向，最终将激光束作用于被测试件8上。

所述数据接收处理系统为计算机23，所述计算机23用于设置采样频率和采样时间，同时触发红外热像仪5采集数据图像，接收红外热像仪5采集的数据图像，并对红外热像仪5采集的数据图像进行去噪声去干扰处理；用于触发飞秒激光激励波形，控制飞秒激光激励系统的触发时间；用于输入伺服电机11的相关控制指令，控制伺服电机11从左向右的移动状态，同时接受速度传感器的反馈信息，进行速度调节。

本实施方式中，如图2所示，所述工作台10包括试件固定台10-1、丝杠螺母10-2、伸缩杆10-3、支撑钉10-4、固定杆10-5、固定底座10-6和速度传感器9，其中：固定杆10-5安装于固定底座10-6上，伸缩杆10-3可伸缩长短，通过改变伸缩杆10-3的长度，从而改变工作台10的高度，固定杆10-5上设有支撑钉10-4，确定工作台高度后，通过支撑钉10-4将伸缩杆10-3固定于固定杆10-5上，伺服电机11与工作台10的丝杠螺母10-2相连，丝杠螺母10-2上设有试件固定台10-1，被测试件8固定于试件固定台10-1上；伺服电机11工作，带动丝杠螺母10-2传动，从而带动被测试件8从左向右运动。

本实施方式中，所述红外热像仪5固定于垂直杆31上，调节垂直杆31的高度，使红外热像仪5镜头的高度与被测试件8的高度持平。

本实施方式中，所述红外热像仪5与被测试件8之间的距离在40~60mm之间，优选地为50mm。

本实施方式中，所述准直镜1、凹透镜2固定安装于第二灯具座上14。

本实施方式中，所述反射镜水平角度为30°至60°之间，优选45°。

本实施方式中，所述反射镜3、凸透镜6、三棱镜7固定安装于第一灯具座13上。

本实施方式中，所述三棱镜7水平角度为120°至150°之间，优选135°。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置进行飞秒激光激励红外热波无损检测钛铝合金缺陷的方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：将被测试件8安装于试件固定台10-1上，调节伸缩杆10-3的长度，使用支撑钉10-4固定伸缩杆10-3的位置，保证飞秒激光激励经过三棱镜7后折射至被测试件上。

第二步：将红外热像仪5固定于垂直杆31上，调节垂直杆31的垂直高度，使红外热像仪5镜头的高度与被测试件8高度保持一致。

第三步：调节红外热像仪5与被测试件8前后位置距离40至60mm之间，优选地为50mm。

第四步：通过双绞线4将红外热像仪5的输入端与计算机23输出端通讯连接完整，启动红外热像仪5。

第五步：调节红外热像仪5焦距，直到计算机23显示屏中显示出清晰的被测试件8的图像。

第六步：将实验所需器件连接好，并依次接通电源，检查各元件的工作状态。

第七步：将准直镜1、凹透镜2固定安装于第二灯具座14上。

第八步：将反射镜3、凸透镜6、三棱镜7固定安装于第一灯具座13上，调整反射镜3水平角度，优选地反射镜3角度为30°至60°之间，优选45°。

第九步：调整三棱镜7水平角度，优选地三棱镜7角度为120°至150°之间优选135°。

第十步：通过计算机23向电机控制器21输入控制指令，控制伺服电机11工作，控制被测试件8从左向右做匀速直线运动。

第十一步：触发飞秒激光激励系统工作，发出飞秒激光激励。

第十二步：红外热像仪5采集被测试件8从左向右移动时的红外图像，实时将采集到的数据图像传输至计算机23中。

第十三步：在计算机23中对数据图像进行去噪声处理，并显示到计算机23的显示屏中。

第十四步：依据显示结果对钛铝合金表面缺陷进行判断。

从图3中可以看出，随着被测试件8从左到右移动，钛铝合金材料缺陷处与无缺陷处温度图像变化明显，因此飞秒激光激励能够检测到普通激光激励都难以检测的钛铝合金材缺陷，同时通过伺服系统的移动控制，获得了更好地检测效果。从图4和图5中可以看出，钛铝合金材料施加飞秒激光激励后，随着被测试件8从左到右移动，其缺陷处与无缺陷处的温差变化很大，本发明能够对钛铝合金材料由点及线，由线及面地全方位检测，通过使用本发明，钛铝合金材料缺陷检测效果更明显。