碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法技术方案

本申请公开了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法，其通过对叶片表面进行网格分割形成均匀的网格单元，通过二维激光振镜对网格单元进行扫描，并在相应的网格单元对应的材料表面产生激光超声信号，而通过多自由度机械手按照预设的运动轨迹驱动脉冲激光器、二维激光振镜、场镜与阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，即可以使二维激光振镜对所有网格单元进行依次扫描，又通过阵列式空气耦合激光超声探头对应接收其扫描产生的激光超声信号，并根据激光超声信号进行成像，可以对整个叶片表面及内部缺陷的微米级高精度检测，实现了碳纤维复合材料叶片的大曲率曲面快速与原位检测且系统小型化的目的。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法
本申请涉及碳纤维复合材料检测
，尤其涉及一种碳纤维复合材料的激光超声自动化检测系统以及相应的方法。
技术介绍
目前，采用碳纤维复合材料制成的叶片与金属材料制成的叶片相比，具有很大的优势，如低密度、高比强度和比刚度，在保证叶片力学性能的情况下，可极大减轻叶片的重量，不仅能节约能耗和减少成本，又为各种技术的进步带来更多的可能，比如风扇叶片是现代商用飞机发动机最重要的部件之一，据统计，风扇段质量占发动机总质量三分之一左右，因此发展更大更轻的碳纤维复合材料叶片是一种趋势，研究更多的碳纤维复合材料叶片检测方法也很有意义。目前，基于光学法的激光超声检测系统体积较大，无法适用于叶片数量多、相互层叠遮挡、检测空间小等场景。中国专利公开号为CN104535648B公开了一种汽轮机叶片超声导波检测方法，其利用激励导波的超声检测仪及超声导波探头，刷涂耦合剂后将超声导波探头置于待检测汽轮机叶片上，对待检测汽轮机叶片的叶身进行全面扫查，当检测过程中出现缺陷回波时，与对比试块的人工缺陷槽反射回波幅度进行当量对比，若缺陷回波幅度大于或等于人工缺陷回波时标记为不合格。这种检测方法在当待检测叶片表面曲率较大时，其耦合剂耦合系数不够稳定，且检测效率和分辨率均较低。中国专利公开号为CN101435784B公开了一种涡轮叶片CT检测装置及其检测方法，通过X射线照射叶片，并调整叶片的倾斜角，实现对叶片各个方向的裂纹进行检测。这种检测方法采用的射线源价格昂贵，检测装置体积大无法做原位检测，且需要调整叶片角度以防止漏检垂直于射线的裂纹，使得成像速度较慢且检测效率较低。
技术实现思路
本申请提供了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法，用于解决现有技术中对较大曲率的碳纤维复合材料叶片检测效率低、分辨率低、成本较高且系统体积较大的技术问题。有鉴于此，本申请第一方面提供了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，包括：脉冲激光器、光纤、二维激光振镜、场镜、阵列式空气耦合激光超声探头、多自由度机械手与信号处理模块；所述脉冲激光器用于产生激光光束后通过所述光纤向所述二维激光振镜传输；所述二维激光振镜用于接收所述激光光束后，根据预设的扫描轨迹通过所述场镜向待测碳纤维复合材料叶片的表面上预先均匀分割的网格单元进行聚焦扫描从而在相应的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生激光超声信号；所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头均设于所述多自由度机械手的输出端，所述多自由度机械手用于驱动所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，还用于根据预设的运动轨迹控制所述二维激光振镜运动从而对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面上所有所述预先均匀分割的网格单元进行依次扫描；所述阵列式空气耦合激光超声探头与所述场镜对应设置，所述阵列式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述激光光束在所述预先均匀分割的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生且穿透所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号；所述信号处理模块与所述阵列式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，所述信号处理模块用于对所述阵列式空气耦合激光超声探头所接收的所述激光超声信号进行预处理，还用于根据预处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的激光超声信号衰减幅值，还用于根据所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的所述光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号衰减幅值分别对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面缺陷结构与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部缺陷结构进行图像表征。优选地，还包括分割模块，用于根据所述待测碳纤维复合材料叶片的表面的形状与面积对其进行网格均匀分割从而形成若干个网格单元。优选地，所述阵列式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈面阵排列分别的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维复合材料叶片对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。优选地，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述阵列式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述阵列式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述阵列式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。优选地，所述阵列式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。优选地，所述脉冲激光器的脉冲宽度为500ns～2.5us。优选地，所述信号处理模块包括信号调理子模块、数据采集子模块、计算机；所述信号调理子模块与所述阵列式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述阵列式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；所述数据采集子模块与所述信号调理子模块电连接，用于接收并向所述计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；所述计算机与所述数据采集子模块电连接，所述计算机用于对所述阵列式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值范围比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值范围比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；所述计算机内设有超声数据成像模块，所述超声数据成像模块用于基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面缺陷结构进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维复合材料叶片的内部缺陷结构进行图像表征。优选地，所述待测碳纤维复合材料叶片相对所述场镜的一侧表面与所述场镜的光学焦平面重合。另一方面，本申请实施例还提供了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测方法，基于上述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，包括以下步骤：S101：通过脉冲激光器产生激光光束后通过光纤向所述二维激光振镜传输；S102：通过二维激光振镜接收所述激光光束后，根据预设的扫描轨迹通过场镜向待测碳纤维复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、光纤、二维激光振镜、场镜、阵列式空气耦合激光超声探头、多自由度机械手与信号处理模块；/n所述脉冲激光器用于产生激光光束后通过所述光纤向所述二维激光振镜传输；/n所述二维激光振镜用于接收所述激光光束后，根据预设的扫描轨迹通过所述场镜向待测碳纤维复合材料叶片的表面上预先均匀分割的网格单元进行聚焦扫描从而在相应的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生激光超声信号；/n所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头均设于所述多自由度机械手的输出端，所述多自由度机械手用于驱动所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，还用于根据预设的运动轨迹控制所述二维激光振镜运动从而对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面上所有所述预先均匀分割的网格单元进行依次扫描；/n所述阵列式空气耦合激光超声探头与所述场镜对应设置，所述阵列式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述激光光束在所述预先均匀分割的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生且穿透所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号；/n所述信号处理模块与所述阵列式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，所述信号处理模块用于对所述阵列式空气耦合激光超声探头所接收的所述激光超声信号进行预处理，还用于根据预处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的激光超声信号衰减幅值，还用于根据所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的所述光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号衰减幅值分别对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面缺陷结构与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部缺陷结构进行图像表征。/n...

【技术特征摘要】
1.碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、光纤、二维激光振镜、场镜、阵列式空气耦合激光超声探头、多自由度机械手与信号处理模块；
所述脉冲激光器用于产生激光光束后通过所述光纤向所述二维激光振镜传输；
所述二维激光振镜用于接收所述激光光束后，根据预设的扫描轨迹通过所述场镜向待测碳纤维复合材料叶片的表面上预先均匀分割的网格单元进行聚焦扫描从而在相应的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生激光超声信号；
所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头均设于所述多自由度机械手的输出端，所述多自由度机械手用于驱动所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，还用于根据预设的运动轨迹控制所述二维激光振镜运动从而对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面上所有所述预先均匀分割的网格单元进行依次扫描；
所述阵列式空气耦合激光超声探头与所述场镜对应设置，所述阵列式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述激光光束在所述预先均匀分割的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生且穿透所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号；
所述信号处理模块与所述阵列式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，所述信号处理模块用于对所述阵列式空气耦合激光超声探头所接收的所述激光超声信号进行预处理，还用于根据预处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的激光超声信号衰减幅值，还用于根据所述待测碳纤维复合材料叶片的表面结构的所述光吸收率与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号衰减幅值分别对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面缺陷结构与所述待测碳纤维复合材料叶片的内部缺陷结构进行图像表征。


2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，还包括分割模块，用于根据所述待测碳纤维复合材料叶片的表面的形状与面积对其进行网格均匀分割从而形成若干个网格单元。


3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，所述阵列式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈面阵排列分别的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维复合材料叶片对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。


4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述阵列式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述阵列式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述阵列式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。


5.根据权利要求3或4所述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，所述阵列式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。


6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，其特征在于，所述脉冲激光器的脉冲宽度为500ns～2.5us。

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【专利技术属性】
技术研发人员：曾吕明，何勇，纪轩荣，王宝定，邓丽军，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44