一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，该系统包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，本发明专利技术所公开的系统及方法操作简单、检测结果可靠、检测效率高，具有很好的应用前景。

A laser ultrasonic phase locked detection system and method for micro defects on turbine blade surface

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法
本专利技术涉及工业无损检测领域，特别涉及一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法。
技术介绍
涡轮叶片的结构复杂，成型过程中易出现夹渣、空洞、裂纹等缺陷。并且涡轮叶片的服役环境恶劣，在极高温度下承受着高强度热冲击、交变应力、高速冲击等复杂载荷。复杂的结构和苛刻的工作环境使涡轮叶片在服役过程中易产生表面裂纹、界面脱粘等缺陷，对涡轮叶片的结构安全性危害极大。涡轮叶片损伤缺陷的常规检测技术主要有超声波检测、射线检测和红外热波成像检测技术。常规超声波多采用接触式检测方法，但涡轮叶片多为复杂的自由曲面结构，超声波探头与涡轮叶片曲面的耦合效果并不理想，检测效率低，影响缺陷的可靠检测，表面微缺陷的检测效果差。空气耦合超声检测可实现对涡轮叶片复杂曲面的非接触式检测，但探头的超声频率低，检测灵敏度低，对微小尺寸缺陷的检测能力不足。射线检测技术工艺规范复杂，检测周期长，防护要求高，难以给出缺陷的深度位置信息。红外热波成像检测技术具有检测效率高和非接触式检测等优点，但常规红外热波成像检测难以实现复杂曲面的三维检测，得到的缺陷尺寸与位置信息不准确，对微小缺陷的探测能力不足。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，采用连续脉冲和锁相处理技术，通过脉冲调制信号与超声波信号的相位延迟信息检测表面微缺陷，可提高激光超声检测微缺陷的探测能力。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器、信号发生器、工业机器人分别与计算机控制与处理系统连接。上述方案中，所述光声探头包括探头支架和设置于探头支架上的准直镜、聚焦镜和光学麦克风，所述准直镜和聚焦镜通过光纤连接脉冲激光器，所述光学麦克风通过光纤连接分束器。上述方案中，所述计算机控制与处理系统包括信号发生器控制模块、工业机器人控制模块、锁相放大器控制模块、图像重建与缺陷识别模块。上述方案中，所述半导体激光器通过电源线连接第二功率放大器，所述半导体激光器和分束器之间通过光纤连接。上述方案中，所述信号发生器和第一功率放大器之间通过BNC数据线连接，所述第一功率放大器和脉冲激光器之间通过电源线连接。上述方案中，所述锁相放大器和光电探测器之间，以及所述锁相放大器和信号发生器之间均通过BNC数据线连接。上述方案中，所述光学麦克风采用法布里-珀罗标准具进行测量，通过测量超声波振动引起的光学麦克风测量头内介质气体折射率的变化来测量超声波，测量范围10kHz～2Mhz。上述方案中，所述分束器用于分离光学麦克风的反射激光和入射激光，工作波长为700-1100nm，分光比为50:50，反射激光能量的50％被反射到光电探测器的感光面上。一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测方法，包括如下过程：(1)利用计算机控制与处理系统控制信号发生器输出两路脉冲方波信号，一路连接锁相放大器的参考信号端口，另一路连接脉冲激光器的调制信号输入端口，使得脉冲激光器能够持续向光声探头输出高能激光脉冲；打开半导体激光器，将光电探测器的输出信号连接到锁相放大器的信号输入端口；(2)根据涡轮叶片的三维几何尺寸，利用计算机控制与处理系统规划工业机器人上的光声探头的扫描路径以及扫描速度；(3)利用计算机控制与处理系统设置锁相运算积分周期，计算信号发生器输出的参考信号与光电探测器测量得到的输入信号的相位差，并实时记录锁相运算的处理结果；(4)利用计算机控制与处理系统将锁相放大器记录的相位差点云数据和工业机器人的三维几何信息融合，构造涡轮叶片复杂曲面的三维检测图像，通过提取微缺陷的边缘特征信息，定量分析缺陷的尺寸，并将缺陷尺寸的识别结果标注在三维点云图相应位置处。上述方案中，所述步骤(2)中，在扫描过程中，光声探头与涡轮叶片上检测位置的距离小于2mm，每毫米规划100个测点，每个测点测量时间为50us，扫描速度5m/s。通过上述技术方案，本专利技术提供的涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法采用脉冲激光器照射被测试样，采用连续脉冲激励(而不是常规的单脉冲激励)，依据热弹性原理，材料表面将会产生超声波，超声波在涡轮叶片表面传播，受到缺陷的影响，通过光学麦克风测量超声波信号，将测量得到的超声波信号与脉冲激光器的调制信号进行锁相运算，计算它们的相位差，通过分析超声波信号与调制信号的相位差来检测缺陷。本专利技术的方法可以实现涡轮叶片复杂曲面表面微缺陷的非接触式检测，能够实现涡轮叶片表面微缺陷的三维立体检测。本专利技术的方法检测效率高，检测结果可靠，具有很好的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例所公开的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统示意图；图2为本专利技术实施例所公开的光声探头结构示意图。图中，1、第二功率放大器；2、第一电源线；3、半导体激光器；4、第一光纤；5、分束器；6、第二光纤；7、光电探测器；8、第一BNC数据线；9、第一功率放大器；10、第二电源线；11、脉冲激光器；12、第三光纤；13、涡轮叶片；14、光声探头；15、工业机器人；16、第一控制线；17、第二控制线；18、计算机控制与处理系统；19、信号发生器；20、第二BNC数据线；21、第三BNC数据线；22、锁相放大器；23、第三控制线；24、探头机架；25、准直镜；26、聚焦镜；27、第四光纤；28、第五光纤；29、光学麦克风；30、表面微缺陷。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术提供了一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统及方法，结构如图1所示，该系统操作简单、检测结果可靠、检测效率高，具有很好的应用前景。参考图1，本专利技术的涡轮叶片表面微缺陷激光超声锁相检测系统，主要包括：第二功率放大器1、半导体激光器3、分束器5、光电探测器7、第一功率放大器9、脉冲激光器11、光声探头14、工业机器人15、计算机控制与处理系统18、信号发生器19、锁相放大器22。第二功率放大器1通过第一电源线2与半导体激光器3连接，半导体激光器3通过第一光纤4与分束器5连接，分束器5通过第二光纤6与光声探头14连接，第二光纤6为双向光纤。第一功率放大器9通过第三BNC数据线21与信号发生器19连接，通过第二电源线10与脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器、信号发生器、工业机器人分别与计算机控制与处理系统连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，包括工业机器人、计算机控制与处理系统、信号发生器、锁相放大器、半导体激光器和脉冲激光器，所述工业机器人的工作臂前端安装有光声探头，所述信号发生器的输出端一路连接锁相放大器，一路通过第一功率放大器与脉冲激光器连接，所述脉冲激光器与所述光声探头连接；所述半导体激光器通过分束器与所述光声探头连接，所述分束器通过光电探测器与锁相放大器连接，所述锁相放大器、信号发生器、工业机器人分别与计算机控制与处理系统连接。


2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述光声探头包括探头支架和设置于探头支架上的准直镜、聚焦镜和光学麦克风，所述准直镜和聚焦镜通过光纤连接脉冲激光器，所述光学麦克风通过光纤连接分束器。


3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述计算机控制与处理系统包括信号发生器控制模块、工业机器人控制模块、锁相放大器控制模块、图像重建与缺陷识别模块。


4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述半导体激光器通过电源线连接第二功率放大器，所述半导体激光器和分束器之间通过光纤连接。


5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述信号发生器和第一功率放大器之间通过BNC数据线连接，所述第一功率放大器和脉冲激光器之间通过电源线连接。


6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微缺陷的激光超声锁相检测系统，其特征在于，所述锁相放大器和光电探测器之间，以及所述锁相放大器和信号发生器之间均通过BNC数据线连接。


7.根据权利要求2所述的一种涡轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚金龙，郑轶，于砚廷，李恒，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37