CN108802035A - 一种基于弥散光纤和视觉测量的发动机叶片气孔检测*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于弥散光纤和视觉测量的发动机叶片气孔检测***，包括照明模块、图像采集模块和摄像头驱动及图像处理模块，其特征在于，所述的照明模块采用弥散光纤照明，包括激光光源和弥散光纤，弥散光纤***叶片主气道中，分布在叶片表面的气孔与主气道相通，如果气孔导通则会有光线透出；图像采集模块，由多个***头以及相应的驱动电路组成摄像头阵列，摄像头分布以及个数由叶片形貌和摄像头视场大小以及检测范围决定。摄像头驱动及图像处理模块，该模块利用驱动摄像头阵列采集所测叶片表面气孔在透光时的图像，对图像进行边缘检测，计算得到各气孔直径和对应位置。本发明可以准确高效地实现叶片气孔检测。
Description
技术领域
该发明属于光纤测量和计算机视觉检测领域，具体地说，是利用弥散光纤作为光源伸入叶片主气道中，照亮主气道及气孔；利用相机在多角度采集叶片的图像，预处理后分析对应位置有无光点，判断叶片气孔是否通畅。
背景技术
在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，叶片作为核心部件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，传统的叶片检测主要集中在对大型旋转机械旋转叶片的叶尖间隙以及叶片振动的测量。作为发动机的核心做功元件，叶片必须在高温高压的燃气环境中工作，为了提高叶片整体对热应力的承受度，往往会在叶片浇筑成形过程中预留透气孔，叶片表面气孔均与叶片内部中心主气道相通。这些透气孔容易被高温燃气的碳化产物所堵塞，如果无法检测出透气孔堵塞，及时疏通，则会造成叶片的透气状况发生改变，从而导致叶片的受热不均产生破坏性形变，造成重大经济损失。
传统对叶片透气孔检测主要是通过人工肉眼直接观察的方式，该方法严重依赖于检测人员的经验。由于叶片表面形貌的复杂性，某些角度的透气孔不能很好的被人眼观测到，如果纯靠人工检测透气孔，速度及准确性将没发得到保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于弥散光纤和视觉测量的航空发动机叶片气孔检测***，代替人工方式，实现静态下自动检测叶片孔径，判别气孔是否畅通。技术方案如下：
一种基于弥散光纤和视觉测量的发动机叶片气孔检测***，包括照明模块、图像采集模块和摄像头驱动及图像处理模块，其特征在于，
所述的照明模块采用弥散光纤照明，包括激光光源和弥散光纤，弥散光纤***叶片主气道中，分布在叶片表面的气孔与主气道相通，如果气孔导通则会有光线透出；
图像采集模块，由多个***头以及相应的驱动电路组成摄像头阵列，摄像头分布以及个数由叶片形貌和摄像头视场大小以及检测范围决定。
摄像头驱动及图像处理模块，该模块利用驱动摄像头阵列采集所测叶片表面气孔在透光时的图像，对图像进行边缘检测，计算得到各气孔直径和对应位置。
优选地，所述的激光光源为蓝光激光光源。对各个***头采集的图像进行多视场拼接和曲面校正，根据叶片的结构参数、摄像头布局位置对图像处理参数进行调整优化，之后，再进一步图像进行边缘检测。
本发明具有如下优点：(1)检测效率高，***搭建之后能同时检测同一叶片各个方向气孔的通闭状况；(2)检测精度高，通过微型相机采集图像判断气孔通闭可以更为精确的定位到气孔堵塞的位置；(3)使用计算机视觉检测代替人工检测可以有效降低人力成本。
附图说明
图1示出本发明的基于弥散光纤和视觉测量的航空发动机叶片气孔检测***结构框图。
图2示出本发明叶片气孔检测的基本原理示意图。
图3示出本发明的实际测量方法示意图。
图4示出为本发明***结构中的照明模块框图。
图5示出为本发明***结构中的图像采集模块框图。
图6示出为发明***结构中的摄像头驱动及图像处理模块框图。
图中：1为***头模组，2为待测叶片，3上位机显示输出，4为上位机，5为上位机与***头之间的信号传输线缆，6为***头模组示意图，7为弥散光纤(也叫测光光纤)，8为蓝光激光器，9为待测叶片的主气道，10为待测叶片气孔，11为***头模组的固定模具。
具体实施方式
本发明提出了一种基于弥散光纤和视觉测量的航空发动机叶片气孔检测***。利用弥散光纤作为光源伸入叶片主气道中，照亮主气道及表面气孔；利用相机在多角度采集叶片的图像，预处理后分析对应位置有无光点，可判断叶片气孔是否通畅。总体***框图如图1所示。该***包括以下模块：
弥散光纤照明模块：如图4所示，该模块主要构成叶片透气孔检测的照明光源，由激光光源，弥散光纤组成，弥撒光纤是一种通体发光光纤，其侧面光强输出强度是可以变化的，其侧面弥散效率系数决定在光纤内传播激光的侧面光输出强度。通过将弥散光纤***叶片主气道中，分布在叶片表面的气孔与主气道相通，如果气孔导通则会有光线透出。
图像采集模块：如图5所示，图像采集模块由多个近焦***头以及相应的驱动电路组成摄像头阵列，具体摄像头分布以及个数由叶片形貌和摄像头视场大小以及检测范围决定。
摄像头驱动及图像处理模块：如图6所示，该模块硬件上主要由计算机(上位机)，软件上为对应的摄像头驱动程序以及图像处理算法组成，利用计算机驱动***头模组采集所测叶片表面气孔在透光时的图像，利用边缘检测等算法计算得到各气孔直径和对应位置。
测量***采用计算机视觉原理，建立基于侧光光纤和微型相机的气孔测量模型，根据涡轮机和叶片气孔现场环境进行测量结构的参数计算，设计光学和计算机视觉检测电路，实现对涡轮叶片局部图像的拍摄，并利用图像处理技术完成叶片气孔的在机检测。
测量的基本原理示意图如图2所示：涡轮叶片被传送时，两个近焦***头(相机1和2)分别安装在两侧的位置。由于气孔直径为0.335～0.345mm，为防止发生衍射，选用短波蓝光光源，波长450nm。与光源耦合的弥散光纤伸入主气道,若气孔未堵塞，则相机可以探测到光点。相机1和相机2分别探测叶片两侧的气孔，如过曲边上有气孔且相机1无法探测到，可以在曲边一侧安装一个相机3。当气孔没有堵塞，相机应能探测到亮点，且在CCD上该亮点至少占一个像素。设成像视场宽度h为100mm(叶片尺寸约10cm)，相机到叶片的工作距离L为100mm，
选取焦距为6mm的镜头，则CCD靶面宽约为6mm。根据透镜成像公式
u＝-100mm,f＝6mm,v＝5.66mm，则放大率CCD上一个光点对应大小为0.335mm×0.06＝21um，则CCD像素81632，靶面尺寸H：1/2.5”(长5.12mm宽3.84mm,对角线长度6.4mm)。
如图3所示，将发光的侧光光纤***待测涡轮叶片的主气道，未阻塞的气孔将会发光，由于气孔直径较小，为避免衍射，采用功率较大的短波长蓝光激光器，将开发的测量模具套在待测叶片外部，模具内侧三个表面设有多个***头，分别对涡轮叶片的前、后、侧面进行拍摄，得到图像后传输至上位机，通过后续的图像处理对气孔的发光情况进行判断和测量。
本发明中，采用弥散光纤照明模块作为叶片透气孔检测的光源，光纤照明模块框图见图4，,利用弥散光纤(如图3中7所示)通体发光，光传输效率高，能承受较高的激光功率的特点，为避免衍射，采用功率较大的短波长蓝光激光器(如图3中8)；
将发光的弥散光纤(如图3中7所示)***待测叶片的主气道内(如图3中9所示)，此时待测叶片与主气道相连的各个侧面透气孔(如图3中10所示)如果没有阻塞即会透出光线；
根据被测叶片尺寸及形貌信息设计***机图像采集阵列模块，框图如图5所示，模块由***头阵列及***驱动、照明及信号预处理电路组成(如图3中1和6)，实现对涡轮叶片气孔局部图像的拍摄；
如图3中11所示，根据不同叶片的尺寸信息，设计符合叶片形貌的模具，将***头模组(如图3中1和6所示)布置于模具内侧三个表面之上，布置的为避免每个侧面图像采集的不完整，可根据摄像头视场大小及叶片表面面积适当增加每个表面的摄像头模组个数，确保所有气孔都处于摄像头模组的市场范围之内，以令所有气孔的图像能完整的被摄像头所采集；
利用结构如图6所示的上位机摄像头驱动及图像处理模块驱动***机图像采集阵列模块(如图3中1和6所示)进行图像采集，上位机(如图3中4所示)利用相机驱动程序通过数据传输线缆(如图3中5所示)控制***机图像采集阵列模块采集气孔图像，并通过传输线缆(如图3中5所示)将采集到的图像传回到上位机中进行后续的数据分析及图像存储；
对存储的图像进行后续的图像处理，比如，对采集的图像进行滤波去燥，二值化，并进行边缘检测，轮廓拟合，从而识别出各个透气孔光斑位置及大小，将测量结果，包含气孔通断信息，孔径尺寸以及位置信息通过显示装置显示输出(如图3中3所示)，即可判断出待测叶片侧面的气孔通闭状况。
下面结合具体情况对本发明***参数设定做一些补充说明。
1.空间尺寸
由于涡轮机相邻两个叶片之间的间距较小(20mm左右)，常规工业相机无法装入间隙完成在机测量，因此须采用***头或平面镜，配合近焦镜头，但受限于物距尺寸和气孔的直径与分布，单个摄像头视场范围有限，因此须采用多个摄像头组合测量，摄像头的数量和布局应根据叶片参数进行优化设计。
2.测量精度
由于涡轮叶片气孔直径较小，测量精度要求较高，因此摄像头须具备高分辨率，根据视场大小、气孔直径、物距可计算得到单个***头的最小分辨率要求。
3.模具安装
由于涡轮叶片表面是曲面，为了增强测量***的可靠性以及便于操作，模具应具有自动装夹、自定位功能，每次套入待测叶片后，通过自定位找到稳定的测量位置。
4.图像处理
测量过程中，因为不同摄像头拍摄的视场不同，又因为测量表面是曲面，叶片气孔的拍摄角度受曲面倾角影响，拍摄得到图像后，须对图像开展多视场拼接和曲面校正，根据叶片的结构参数、摄像头布局位置对图像处理参数进行调整优化，再进一步运用边缘检测等算法计算得到各气孔直径和对应位置。
5.标定方法
由于测量空间狭小，气孔分布情况复杂，待测表面为不规则曲面，测量***的标定十分困难，须对叶片实际情况开展仿真和数值分析，建立有效的标定模型，借助另外的光学标准器或标定板，设计专用的标定工装和标定算法，实现气孔直径的精确标定。
Claims (3)
1.一种基于弥散光纤和视觉测量的发动机叶片气孔检测***，包括照明模块、图像采集模块和摄像头驱动及图像处理模块，其特征在于，
所述的照明模块采用弥散光纤照明，包括激光光源和弥散光纤，弥散光纤***叶片主气道中，分布在叶片表面的气孔与主气道相通，如果气孔导通则会有光线透出；
图像采集模块，由多个***头以及相应的驱动电路组成摄像头阵列，摄像头分布以及个数由叶片形貌和摄像头视场大小以及检测范围决定。
摄像头驱动及图像处理模块，该模块利用驱动摄像头阵列采集所测叶片表面气孔在透光时的图像，对图像进行边缘检测，计算得到各气孔直径和对应位置。
2.根据权利要求1所述的发动机叶片气孔检测***，其特征在于，所述的激光光源为蓝光激光光源。
3.根据权利要求1所述的发动机叶片气孔检测***，其特征在于，对各个***头采集的图像进行多视场拼接和曲面校正，根据叶片的结构参数、摄像头布局位置对图像处理参数进行调整优化，之后，再进一步图像进行边缘检测。
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