CN111537564A - 基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法 - Google Patents

基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属表面微裂纹深度检测技术，具体是一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法。本发明解决了传统的金属表面微裂纹深度检测技术检测精度低、检测速度慢、检测结果直观性差的问题。基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，包括被测金属工件、聚焦透镜、半导体激光器、放大器、数字电位器、单片机、上位机、红外热像仪；其中，半导体激光器的出射端正对聚焦透镜的入射端；聚焦透镜的出射端正对被测金属工件的正面；放大器的信号输出端与半导体激光器的信号输入端连接；数字电位器的信号输出端与放大器的信号输入端连接。本发明适用于金属表面微裂纹深度检测。

Description

基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法
技术领域
本发明涉及金属表面微裂纹深度检测技术，具体是一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法。
背景技术
金属因其具有强度高、耐热性好、抗腐蚀能力强等优势，而被广泛应用于航空发动机、汽车、船舶等的制造中。金属工件在使用过程中，容易因疲劳老化或恶劣环境而出现表面微裂纹，由此影响金属工件的力学性能、振动噪声、使用寿命。因此，为了保证金属工件的力学性能、振动噪声、使用寿命，需要对金属工件进行表面微裂纹深度检测。然而，传统的金属表面微裂纹深度检测技术由于自身原理所限，普遍存在检测精度低、检测速度慢、检测结果直观性差的问题。基于此，有必要发明一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法，以解决传统的金属表面微裂纹深度检测技术检测精度低、检测速度慢、检测结果直观性差的问题。
发明内容
本发明为了解决传统的金属表面微裂纹深度检测技术检测精度低、检测速度慢、检测结果直观性差的问题，提供了一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，包括被测金属工件、聚焦透镜、半导体激光器、放大器、数字电位器、单片机、上位机、红外热像仪；
其中，半导体激光器的出射端正对聚焦透镜的入射端；聚焦透镜的出射端正对被测金属工件的正面；放大器的信号输出端与半导体激光器的信号输入端连接；数字电位器的信号输出端与放大器的信号输入端连接；单片机的信号输出端与数字电位器的信号输入端连接；上位机的信号输出端与单片机的信号输入端连接；红外热像仪的探测端正对被测金属工件的背面。
还包括稳压电源、供电电源；稳压电源的输出端与数字电位器的电压端连接；供电电源的输出端分别与单片机的供电端、数字电位器的供电端、放大器的供电端连接。
所述数字电位器为X9C103数字电位器；X9C103数字电位器的第五引脚与放大器的信号输入端连接；单片机的信号输出端分别与X9C103数字电位器的第一引脚、第二引脚、第七引脚连接；稳压电源的输出端分别与X9C103数字电位器的第三引脚、第六引脚连接；供电电源的输出端分别与X9C103数字电位器的第四引脚、第八引脚连接。
基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测方法(该方法是基于本发明所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：针对被测金属工件正面出现的某一微裂纹，在被测金属工件的正面选定激光加热点，在被测金属工件的背面选定两个温度采集点；激光加热点和两个温度采集点满足如下条件：
激光加热点位于微裂纹的正下方2mm处，第一个温度采集点既位于激光加热点背面对应处的正上方又位于微裂纹背面对应处的正上方，第二个温度采集点位于激光加热点背面对应处的正下方，两个温度采集点到激光加热点的竖直距离相等；
步骤二：设定半导体激光器和红外热像仪的工作参数；然后，启动半导体激光器和红外热像仪，半导体激光器发出脉冲激光束，脉冲激光束经聚焦透镜进行聚焦后垂直照射在激光加热点，由此对激光加热点进行加热；在加热过程中，红外热像仪实时探测被测金属工件背面的温度场变化，并根据探测结果实时生成热红外图像；
步骤三：在热红外图像中选定温度值最高的坐标点，并将该坐标点定义为激光加热点在热红外图像中的对应点；
步骤四：计算两个温度采集点到激光加热点的竖直距离在热红外图像中的对应像素点个数n；具体计算公式如下：
Figure BDA0002541985010000031
式中：d表示两个温度采集点到激光加热点的竖直距离；d1表示红外热像仪的竖直拍摄范围；f表示红外热像仪的焦距；u表示红外热像仪和被测金属工件之间的物距；V表示红外热像仪的竖直分辨率；d、d1、f、u、V均为已知量；
然后，根据计算结果在热红外图像中选定两个坐标点；两个坐标点满足如下条件：
第一个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正上方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
第二个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正下方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
然后，将第一个坐标点定义为第一个温度采集点在热红外图像中的对应点，将第二个坐标点定义为第二个温度采集点在热红外图像中的对应点；
步骤五：持续记录两个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值，并根据记录结果绘制温度值变化曲线；
步骤六：通过观察温度值变化曲线，得出当第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时，第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)；
步骤七：根据第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)，计算微裂纹的深度depth；具体计算公式如下：
Figure BDA0002541985010000041
式中：x表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的横轴坐标值；y表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的纵轴坐标值；z表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的竖轴坐标值；t表示第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时对应的时刻；g(x,y,z)表示热源函数；ρ表示被测金属工件的密度；cp表示被测金属工件的恒压热容；k表示被测金属工件的导热系数；α表示被测金属工件的导温系数；ρd表示微裂纹处的密度；kd表示微裂纹处的导热系数。
所述步骤二中，半导体激光器的工作参数设定过程如下：上位机生成代码指令，并将代码指令发送至单片机；单片机将代码指令转换为电平信号，并将电平信号发送至数字电位器，由此设定数字电位器的输出电压；数字电位器的输出电压经放大器进行放大后加载至半导体激光器，由此设定半导体激光器的工作参数。
与传统的金属表面微裂纹深度检测技术相比，本发明所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***及方法以激光加热技术和红外测温技术为基础，运用双点采样策略，实现了对金属工件进行表面微裂纹深度检测，由此不仅有效提高了检测精度、有效加快了检测速度，而且使得检测结果更加直观。
本发明有效解决了传统的金属表面微裂纹深度检测技术检测精度低、检测速度慢、检测结果直观性差的问题，适用于金属表面微裂纹深度检测。
附图说明
图1是本发明所述***的结构示意图。
图2是本发明所述方法中微裂纹、激光加热点、温度采集点的示意图。
图3是本发明所述方法中第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值与微裂纹的深度之间的关系曲线图。
图中：1-被测金属工件，2-聚焦透镜，3-半导体激光器，4-放大器，5-数字电位器，6-单片机，7-上位机，8-红外热像仪，9-稳压电源，10-供电电源。
具体实施方式
基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，包括被测金属工件1、聚焦透镜2、半导体激光器3、放大器4、数字电位器5、单片机6、上位机7、红外热像仪8；
其中，半导体激光器3的出射端正对聚焦透镜2的入射端；聚焦透镜2的出射端正对被测金属工件1的正面；放大器4的信号输出端与半导体激光器3的信号输入端连接；数字电位器5的信号输出端与放大器4的信号输入端连接；单片机6的信号输出端与数字电位器5的信号输入端连接；上位机7的信号输出端与单片机6的信号输入端连接；红外热像仪8的探测端正对被测金属工件1的背面。
还包括稳压电源9、供电电源10；稳压电源9的输出端与数字电位器5的电压端连接；供电电源10的输出端分别与单片机6的供电端、数字电位器5的供电端、放大器4的供电端连接。
所述数字电位器5为X9C103数字电位器；X9C103数字电位器的第五引脚与放大器4的信号输入端连接；单片机6的信号输出端分别与X9C103数字电位器的第一引脚、第二引脚、第七引脚连接；稳压电源9的输出端分别与X9C103数字电位器的第三引脚、第六引脚连接；供电电源10的输出端分别与X9C103数字电位器的第四引脚、第八引脚连接。
基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测方法(该方法是基于本发明所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：针对被测金属工件1正面出现的某一微裂纹，在被测金属工件1的正面选定激光加热点，在被测金属工件1的背面选定两个温度采集点；激光加热点和两个温度采集点满足如下条件：
激光加热点位于微裂纹的正下方2mm处，第一个温度采集点既位于激光加热点背面对应处的正上方又位于微裂纹背面对应处的正上方，第二个温度采集点位于激光加热点背面对应处的正下方，两个温度采集点到激光加热点的竖直距离相等；
步骤二：设定半导体激光器3和红外热像仪8的工作参数；然后，启动半导体激光器3和红外热像仪8，半导体激光器3发出脉冲激光束，脉冲激光束经聚焦透镜2进行聚焦后垂直照射在激光加热点，由此对激光加热点进行加热；在加热过程中，红外热像仪8实时探测被测金属工件1背面的温度场变化，并根据探测结果实时生成热红外图像；
步骤三：在热红外图像中选定温度值最高的坐标点，并将该坐标点定义为激光加热点在热红外图像中的对应点；
步骤四：计算两个温度采集点到激光加热点的竖直距离在热红外图像中的对应像素点个数n；具体计算公式如下：
Figure BDA0002541985010000061
式中：d表示两个温度采集点到激光加热点的竖直距离；d1表示红外热像仪8的竖直拍摄范围；f表示红外热像仪8的焦距；u表示红外热像仪8和被测金属工件1之间的物距；V表示红外热像仪8的竖直分辨率；d、d1、f、u、V均为已知量；
然后，根据计算结果在热红外图像中选定两个坐标点；两个坐标点满足如下条件：
第一个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正上方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
第二个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正下方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
然后，将第一个坐标点定义为第一个温度采集点在热红外图像中的对应点，将第二个坐标点定义为第二个温度采集点在热红外图像中的对应点；
步骤五：持续记录两个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值，并根据记录结果绘制温度值变化曲线；
步骤六：通过观察温度值变化曲线，得出当第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时，第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)；
步骤七：根据第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)，计算微裂纹的深度depth；具体计算公式如下：
Figure BDA0002541985010000071
式中：x表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的横轴坐标值；y表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的纵轴坐标值；z表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的竖轴坐标值；t表示第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时对应的时刻；g(x,y,z)表示热源函数；ρ表示被测金属工件1的密度；cp表示被测金属工件1的恒压热容；k表示被测金属工件1的导热系数；α表示被测金属工件1的导温系数；ρd表示微裂纹处的密度；kd表示微裂纹处的导热系数。
所述步骤二中，半导体激光器3的工作参数设定过程如下：上位机7生成代码指令，并将代码指令发送至单片机6；单片机6将代码指令转换为电平信号，并将电平信号发送至数字电位器5，由此设定数字电位器5的输出电压；数字电位器5的输出电压经放大器4进行放大后加载至半导体激光器3，由此设定半导体激光器3的工作参数。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，其特征在于：包括被测金属工件(1)、聚焦透镜(2)、半导体激光器(3)、放大器(4)、数字电位器(5)、单片机(6)、上位机(7)、红外热像仪(8)；
其中，半导体激光器(3)的出射端正对聚焦透镜(2)的入射端；聚焦透镜(2)的出射端正对被测金属工件(1)的正面；放大器(4)的信号输出端与半导体激光器(3)的信号输入端连接；数字电位器(5)的信号输出端与放大器(4)的信号输入端连接；单片机(6)的信号输出端与数字电位器(5)的信号输入端连接；上位机(7)的信号输出端与单片机(6)的信号输入端连接；红外热像仪(8)的探测端正对被测金属工件(1)的背面。
2.根据权利要求1所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，其特征在于：还包括稳压电源(9)、供电电源(10)；稳压电源(9)的输出端与数字电位器(5)的电压端连接；供电电源(10)的输出端分别与单片机(6)的供电端、数字电位器(5)的供电端、放大器(4)的供电端连接。
3.根据权利要求2所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***，其特征在于：所述数字电位器(5)为X9C103数字电位器；X9C103数字电位器的第五引脚与放大器(4)的信号输入端连接；单片机(6)的信号输出端分别与X9C103数字电位器的第一引脚、第二引脚、第七引脚连接；稳压电源(9)的输出端分别与X9C103数字电位器的第三引脚、第六引脚连接；供电电源(10)的输出端分别与X9C103数字电位器的第四引脚、第八引脚连接。
4.一种基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测***实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：针对被测金属工件(1)正面出现的某一微裂纹，在被测金属工件(1)的正面选定激光加热点，在被测金属工件(1)的背面选定两个温度采集点；激光加热点和两个温度采集点满足如下条件：
激光加热点位于微裂纹的正下方2mm处，第一个温度采集点既位于激光加热点背面对应处的正上方又位于微裂纹背面对应处的正上方，第二个温度采集点位于激光加热点背面对应处的正下方，两个温度采集点到激光加热点的竖直距离相等；
步骤二：设定半导体激光器(3)和红外热像仪(8)的工作参数；然后，启动半导体激光器(3)和红外热像仪(8)，半导体激光器(3)发出脉冲激光束，脉冲激光束经聚焦透镜(2)进行聚焦后垂直照射在激光加热点，由此对激光加热点进行加热；在加热过程中，红外热像仪(8)实时探测被测金属工件(1)背面的温度场变化，并根据探测结果实时生成热红外图像；
步骤三：在热红外图像中选定温度值最高的坐标点，并将该坐标点定义为激光加热点在热红外图像中的对应点；
步骤四：计算两个温度采集点到激光加热点的竖直距离在热红外图像中的对应像素点个数n；具体计算公式如下：
Figure FDA0002541983000000021
式中：d表示两个温度采集点到激光加热点的竖直距离；d1表示红外热像仪(8)的竖直拍摄范围；f表示红外热像仪(8)的焦距；u表示红外热像仪(8)和被测金属工件(1)之间的物距；V表示红外热像仪(8)的竖直分辨率；d、d1、f、u、V均为已知量；
然后，根据计算结果在热红外图像中选定两个坐标点；两个坐标点满足如下条件：
第一个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正上方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
第二个坐标点位于激光加热点在热红外图像中的对应点的正下方，且该坐标点与激光加热点在热红外图像中的对应点之间相隔n个像素点；
然后，将第一个坐标点定义为第一个温度采集点在热红外图像中的对应点，将第二个坐标点定义为第二个温度采集点在热红外图像中的对应点；
步骤五：持续记录两个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值，并根据记录结果绘制温度值变化曲线；
步骤六：通过观察温度值变化曲线，得出当第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时，第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)；
步骤七：根据第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值T(x,y,z,t)，计算微裂纹的深度depth；具体计算公式如下：
Figure FDA0002541983000000031
式中：x表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的横轴坐标值；y表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的纵轴坐标值；z表示第二个温度采集点在热红外图像中的对应点的竖轴坐标值；t表示第一个温度采集点在热红外图像中的对应点的温度值为50℃时对应的时刻；g(x,y,z)表示热源函数；ρ表示被测金属工件(1)的密度；cp表示被测金属工件(1)的恒压热容；k表示被测金属工件(1)的导热系数；α表示被测金属工件(1)的导温系数；ρd表示微裂纹处的密度；kd表示微裂纹处的导热系数。
5.根据权利要求4所述的基于透射式激光热成像的金属微裂纹深度检测方法，其特征在于：所述步骤二中，半导体激光器(3)的工作参数设定过程如下：上位机(7)生成代码指令，并将代码指令发送至单片机(6)；单片机(6)将代码指令转换为电平信号，并将电平信号发送至数字电位器(5)，由此设定数字电位器(5)的输出电压；数字电位器(5)的输出电压经放大器(4)进行放大后加载至半导体激光器(3)，由此设定半导体激光器(3)的工作参数。
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