用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统与方法

本发明属于无损检测和激光红外热成像领域，具体涉及一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统与方法

背景技术：

1、表面裂纹包括疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等常常产生于结构承受周期性载荷或应力处，目前，航空领域中的一些主要承重构件和对强度要求较高的零部件中使用的仍是一些高强度合金材料，这些部件往往是保证飞行安全的关键部件，同时也是最容易产生疲劳裂纹的部件，若不能在裂纹形成早期发现这些缺陷，则可能酿成重大事故。无损检测技术相对于破坏性检测，能够在不伤及被检对象本体的前提下，实现缺陷的检测和识别，并进行评估。对于表面裂纹的检测，目前已经存在多种成熟的检测方案，如渗透检测、涡流检测、超声检测等，但均存在不足，其主要问题在于难以实现远距离以及完全非接触式检测。

2、红外热成像检测是一种新型的非接触式无损检测技术，其具备非接触式、检测结果直观、检测快速等优势，被广泛用于航空航天、石油化工、建筑等领域。但是红外热成像无损检测技术也同样存在一定的不足，如：激励设备复杂，其中激光热激励具有良好的指向性且能量集中，且较容易实现远距离检测，但目前的激光器体积较大，不利于行动；其次，红外热成像检测对于裂纹检测的检测效率较低，有待进一步的开发。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统与方法，将激光二极管阵列激发的点阵激光光源通过阵列光束整形透镜后作为热激励源，实现裂纹的大面积检测，极大地提高了检测效率并实现激光红外裂纹检测系统的小型化。激光光束阵列的排列方式和密度可随待检的裂纹类型进行灵活调节，以适应不同的检测场景。通过微型信号同步与采集装置将高分辨率红外热像仪的采样与激光二极管的激励波形进行同步，实现红外热像仪与热激励的同步采样，最后通过便携式仪器控制与图像处理模块对红外图像序列进行处理，对裂纹图像进行增强。该系统实现了红外热成像裂纹检测设备的小型化，相比目前的液冷式、风冷式激光器体积大幅减小。激光二极管阵列可以实现远距离，以及便携式、小型化的热激励源需求。

2、为了达到以上目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，该系统包括点阵激光热激励装置4、激光二极管阵列驱动器5、微型信号同步与采集装置7、高分辨率红外热像仪6和便携式仪器控制与图像处理模块10；

4、所述点阵激光热激励装置4包括激光二极管阵列模块2和光束聚焦阵列透镜3，激光二极管阵列模块2由n×n个规格相同的激光二极管1均布并联组成，能够同时激发n×n个功率相同的光斑阵列，该激光光斑阵列随后通过光束聚焦阵列透镜3，被进一步整形为能量集中且呈现高斯或近似高斯分布的圆形激光点阵阵列，以满足表面裂纹检测的需求；

5、通过微型信号同步与采集装置7对激光二极管阵列模块2和高分辨率红外热像仪6进行同步信号触发，实现红外热像序列的同步采集；通过便携式仪器控制与图像处理模块10对由微型信号同步与采集装置7捕获的原始红外热成像序列进行实时图像处理，实现表面裂纹的检测与可视化。

6、所述激光二极管阵列模块2的激光二极管1的数量与分布根据实际裂纹检测场景进行调整，对于微小裂纹，激光二极管1采用密集分布，实现裂纹位置和形状的精确检测；对于宏观裂纹，激光二极管1采用稀疏分布，实现大面积、高效率的快速检测。

7、所述点阵激光热激励装置4最大检测距离可达5m，单激光二极管功率达5w，经过光束聚焦阵列透镜3后，子光斑的能量进一步集中，形成高功率密度的激光热源。

8、由激光二极管阵列驱动器5对点阵激光热激励装置4进行激励控制，通过产生任意波形的热波信号，以满足多种模式的红外无损检测方法。

9、所述点阵激光热激励装置4上设置有激光热激励方向调节手柄8，对点阵激光热激励装置4的热激励位置进行调节，实现精确的热激励定位。

10、采用手持式设备集成箱9对点阵激光热激励装置4、激光二极管阵列驱动器5、微型信号同步与采集装置7和高分辨率红外热像仪6进行封装集成。

11、所述的用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统的检测方法，包括如下步骤：

12、步骤1：根据被测物以及检测裂纹的类型，选择适配的激光二极管阵列；通过激光热激励方向调节手柄8控制激光的热激励位置，并通过微型信号同步与采集装置7设置满足检测需求的激励时间和激励模式；

13、步骤2：通过微型信号同步与采集装置7控制激光二极管阵列的出光状态，同时控制高分辨率红外热像仪6随着点阵激光热激励装置4的工作状态进行同步采样；

14、步骤3：点阵激光热激励装置4通过光束聚焦阵列透镜3，产生呈现高斯或近似高斯分布的圆形激光点阵阵列，照射到被测物表面，使被测物产生温升，热流会沿着材料表面发生横向和纵向的热扩散，在高分辨率红外热像仪6拍摄的红外图像序列中能同步观察到被测物表面的温度、激励光斑的形状以及热扩散状态随时间的变化；如被测物中存在表面裂纹，由于缺陷处的热导率参数与被测物不同，因此会形成热阻，会阻碍热波的横向扩散，在被测物表面形成温度梯度，通过高分辨率红外热像仪对被测物热激励区域的热异常部位进行采集；

15、步骤4：通过便携式仪器控制与图像处理模块10将微型信号同步与采集装置7采集到高分辨率红外热像仪6拍摄的红外图像序列进行图像处理，产生最终的被测物表面裂纹检测结果。

16、本发明通过基于激光二极管阵列激发的点阵激光对材料表面裂纹缺陷进行红外热波检测，从而实现了低成本、小型化的激光热激励源，提高了设备的行动能力和便携性，采用激光二极管阵列激发的点阵激光经过光束聚焦阵列透镜，可有效增大检测范围，提高单次裂纹检测的效率，对于实际工程应用中的现场快速、远距离检测具有极大的应用价值。

技术特征：

1.一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：该系统包括点阵激光热激励装置(4)、激光二极管阵列驱动器(5)、微型信号同步与采集装置(7)、高分辨率红外热像仪(6)和便携式仪器控制与图像处理模块(10)；

2.根据权利要求1所述的一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：激光二极管阵列模块(2)的激光二极管(1)的数量与分布根据实际裂纹检测场景进行调整，对于微小裂纹，激光二极管(1)采用密集分布，实现裂纹位置和形状的精确检测；对于宏观裂纹，激光二极管(1)采用稀疏分布，实现大面积、高效率的快速检测。

3.根据权利要求1所述的用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：所述点阵激光热激励装置(4)最大检测距离可达5m，单激光二极管功率达5w，经过光束聚焦阵列透镜(3)后，子光斑的能量进一步集中，形成高功率密度的激光热源。

4.根据权利要求1所述的一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：由激光二极管阵列驱动器(5)对点阵激光热激励装置(4)进行激励控制，通过产生任意波形的热波信号，以满足多种模式的红外无损检测方法。

5.根据权利要求1所述的一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：所述点阵激光热激励装置(4)上设置有激光热激励方向调节手柄(8)，对点阵激光热激励装置(4)的热激励位置进行调节，实现精确的热激励定位。

6.根据权利要求1所述的一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统，其特征在于：采用手持式设备集成箱(9)对点阵激光热激励装置(4)、激光二极管阵列驱动器(5)、微型信号同步与采集装置(7)和高分辨率红外热像仪(6)进行封装集成。

7.权利要求1至6任一项所述的用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于表面裂纹检测的激光二极管阵列热波检测系统与方法，该系统包括激光二极管阵列模块、光束聚焦阵列透镜、激光二极管阵列驱动器、高分辨率红外热像仪和微型信号同步与采集装置；其检测方法为：激光二极管阵列通过光束聚焦阵列透镜后，照射到被测物表面，热流会沿着材料表面发生横向和纵向的热扩散，如被测物中存在表面裂纹，会阻碍热波的横向扩散，在被测物表面形成温度梯度，通过高分辨率红外热像仪对热异常部位采集，即实现材料表面裂纹的检测和可视化。相较于传统激光红外热成像检测系统，该系统成本较低，且满足小型化的工业需求，适用于各种场合的快速裂纹无损检测，对于表面裂纹的非接触式检测有较大的应用价值。

技术研发人员：裴翠祥,张震宇,王志
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25