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CN109254012A - 一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法 - Google Patents

一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法 Download PDF

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董宁琛
尹武良
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Abstract

本发明涉及金属表面缺陷检测技术，具体是一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法。本发明解决了现有金属表面缺陷检测技术操作难度高、单次检测面积小、危害操作人员健康、检测成本高、检测速度慢、适用范围受限、检测结果不准确的问题。一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，包括被测金属工件、十字滑台、半导体激光器、平凹透镜、平凸透镜、计算机、信号发生器、红外热像仪；其中，半导体激光器的输出端与被测金属工件表面的待检测区域之间设有由平凹透镜、平凸透镜依次串接而成的激光扩束光路。本发明适用于金属表面缺陷检测。

Description

一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法
技术领域
本发明涉及金属表面缺陷检测技术，具体是一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法。
背景技术
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缺陷（例如关键部位结构损伤、几何不连续性缺陷等），由此导致金属工件的性能和耐久性显著降低。因此，为了保证金属工件的性能和耐久性，需要对金属工件进行金属表面缺陷检测。现有金属表面缺陷检测技术主要包括如下三种：一、超声波检测法。此种方法是利用超声波在不同介质和界面传播时的特点来进行金属表面缺陷检测，其存在的问题是操作难度高、单次检测面积小。二、射线检测法。此种方法是基于金属工件对透射射线（例如X射线、γ射线等）衰减不同来进行金属表面缺陷检测，其存在的问题是危害操作人员健康、检测成本高、检测速度慢。三、磁涡流检测法。此种方法是通过利用交流线圈在金属工件中感应出旋涡状交变电流来进行金属表面缺陷检测，其存在的问题是无法对形状复杂的金属工件进行检测、检测结果容易受各种因素干扰，由此导致适用范围受限、检测结果不准确。基于此，有必要发明一种全新的金属表面缺陷检测技术，以解决现有金属表面缺陷检测技术操作难度高、单次检测面积小、危害操作人员健康、检测成本高、检测速度慢、适用范围受限、检测结果不准确的问题。
发明内容
本发明为了解决现有金属表面缺陷检测技术操作难度高、单次检测面积小、危害操作人员健康、检测成本高、检测速度慢、适用范围受限、检测结果不准确的问题，提供了一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，包括被测金属工件、十字滑台、半导体激光器、平凹透镜、平凸透镜、计算机、信号发生器、红外热像仪；
其中，半导体激光器的输出端与被测金属工件表面的待检测区域之间设有由平凹透镜、平凸透镜依次串接而成的激光扩束光路；半导体激光器的输出端正对平凹透镜的入射端；平凹透镜的轴线与平凸透镜的轴线重合，且平凹透镜位于平凸透镜的焦点位置；平凸透镜的出射端正对被测金属工件表面的待检测区域；半导体激光器、平凹透镜、平凸透镜均安装于十字滑台的台面上；计算机的信号输出端、信号发生器的信号输出端均与半导体激光器的信号输入端连接；红外热像仪的探测端朝向被测金属工件表面的待检测区域；红外热像仪的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测方法（该方法是基于本发明所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
通过计算机将半导体激光器的输出模式设定为外部连续模式、输出功率设定为最高功率的40%~60%；通过信号发生器将半导体激光器的输出波形设定为方波、输出时间设定为2s~4s；将红外热像仪的工作模式设定为摄像模式；
启动半导体激光器，半导体激光器发出平行激光束，平行激光束经激光扩束光路进行扩束后垂直照射在被测金属工件表面的待检测区域，由此对待检测区域进行加热；此时，红外热像仪实时探测待检测区域的红外热量，并根据探测结果实时生成热红外图像，然后将生成的热红外图像实时发送至计算机进行显示；然后，根据计算机显示的热红外图像分析待检测区域是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小，由此对待检测区域进行缺陷检测。
与现有金属表面缺陷检测技术相比，本发明所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置及方法基于全新的检测原理，实现了对金属工件进行金属表面缺陷检测，由此具备了如下优点：一、与超声波检测法相比，本发明一方面有效降低了操作人员的操作难度，另一方面通过采用激光扩束光路，有效增大了单次检测面积，由此实现了大面积快速检测。二、与射线检测法相比，本发明一方面有效保护了操作人员的安全，另一方面有效降低了检测成本、有效加快了检测速度。三、与磁涡流检测法相比，本发明一方面能够对形状复杂的金属工件进行检测，另一方面排除了各种因素对检测结果的干扰，因此其适用范围不再受限、检测结果更准确。
本发明有效解决了现有金属表面缺陷检测技术操作难度高、单次检测面积小、危害操作人员健康、检测成本高、检测速度慢、适用范围受限、检测结果不准确的问题，适用于金属表面缺陷检测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-被测金属工件，2-十字滑台，3-半导体激光器，4-平凹透镜，5-平凸透镜，6-计算机，7-信号发生器，8-红外热像仪；细实线表示激光束；虚线表示可探测缺陷的范围。
具体实施方式
一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，包括被测金属工件1、十字滑台2、半导体激光器3、平凹透镜4、平凸透镜5、计算机6、信号发生器7、红外热像仪8；
其中，半导体激光器3的输出端与被测金属工件1表面的待检测区域之间设有由平凹透镜4、平凸透镜5依次串接而成的激光扩束光路；半导体激光器3的输出端正对平凹透镜4的入射端；平凹透镜4的轴线与平凸透镜5的轴线重合，且平凹透镜4位于平凸透镜5的焦点位置；平凸透镜5的出射端正对被测金属工件1表面的待检测区域；半导体激光器3、平凹透镜4、平凸透镜5均安装于十字滑台2的台面上；计算机6的信号输出端、信号发生器7的信号输出端均与半导体激光器3的信号输入端连接；红外热像仪8的探测端朝向被测金属工件1表面的待检测区域；红外热像仪8的信号输出端与计算机6的信号输入端连接。
半导体激光器3的最高功率为500W。
平凹透镜4的焦距为40mm、直径为25mm；平凸透镜5的焦距为150mm、直径为50mm。
红外热像仪8的探测端与被测金属工件1表面的待检测区域之间的距离为0.6m~0.7m。
一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测方法（该方法是基于本发明所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
通过计算机6将半导体激光器3的输出模式设定为外部连续模式、输出功率设定为最高功率的40%~60%；通过信号发生器7将半导体激光器3的输出波形设定为方波、输出时间设定为2s~4s；将红外热像仪8的工作模式设定为摄像模式；
启动半导体激光器3，半导体激光器3发出平行激光束，平行激光束经激光扩束光路进行扩束后垂直照射在被测金属工件1表面的待检测区域，由此对待检测区域进行加热；此时，红外热像仪8实时探测待检测区域的红外热量，并根据探测结果实时生成热红外图像，然后将生成的热红外图像实时发送至计算机6进行显示；然后，根据计算机6显示的热红外图像分析待检测区域是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小，由此对待检测区域进行缺陷检测。
通过移动十字滑台2的台面，可以改变半导体激光器3、平凹透镜4、平凸透镜5的位置，由此使得平凸透镜5的出射端正对被测金属工件1表面的不同待检测区域，从而对不同待检测区域进行缺陷检测。
根据被测金属工件1的材料种类调整红外热像仪8的热辐射率，并根据红外热像仪8的探测端与被测金属工件1表面的待检测区域之间的距离调整红外热像仪8的焦距，可以保证热红外图像的清晰。

Claims (7)

1.一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，其特征在于：包括被测金属工件（1）、十字滑台（2）、半导体激光器（3）、平凹透镜（4）、平凸透镜（5）、计算机（6）、信号发生器（7）、红外热像仪（8）；
其中，半导体激光器（3）的输出端与被测金属工件（1）表面的待检测区域之间设有由平凹透镜（4）、平凸透镜（5）依次串接而成的激光扩束光路；半导体激光器（3）的输出端正对平凹透镜（4）的入射端；平凹透镜（4）的轴线与平凸透镜（5）的轴线重合，且平凹透镜（4）位于平凸透镜（5）的焦点位置；平凸透镜（5）的出射端正对被测金属工件（1）表面的待检测区域；半导体激光器（3）、平凹透镜（4）、平凸透镜（5）均安装于十字滑台（2）的台面上；计算机（6）的信号输出端、信号发生器（7）的信号输出端均与半导体激光器（3）的信号输入端连接；红外热像仪（8）的探测端朝向被测金属工件（1）表面的待检测区域；红外热像仪（8）的信号输出端与计算机（6）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，其特征在于：半导体激光器（3）的最高功率为500W。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，其特征在于：平凹透镜（4）的焦距为40mm、直径为25mm；平凸透镜（5）的焦距为150mm、直径为50mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置，其特征在于：红外热像仪（8）的探测端与被测金属工件（1）表面的待检测区域之间的距离为0.6m~0.7m。
5.一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
通过计算机（6）将半导体激光器（3）的输出模式设定为外部连续模式、输出功率设定为最高功率的40%~60%；通过信号发生器（7）将半导体激光器（3）的输出波形设定为方波、输出时间设定为2s~4s；将红外热像仪（8）的工作模式设定为摄像模式；
启动半导体激光器（3），半导体激光器（3）发出平行激光束，平行激光束经激光扩束光路进行扩束后垂直照射在被测金属工件（1）表面的待检测区域，由此对待检测区域进行加热；此时，红外热像仪（8）实时探测待检测区域的红外热量，并根据探测结果实时生成热红外图像，然后将生成的热红外图像实时发送至计算机（6）进行显示；然后，根据计算机（6）显示的热红外图像分析待检测区域是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小，由此对待检测区域进行缺陷检测。
6.根据权利要求5所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测方法，其特征在于：通过移动十字滑台（2）的台面，可以改变半导体激光器（3）、平凹透镜（4）、平凸透镜（5）的位置，由此使得平凸透镜（5）的出射端正对被测金属工件（1）表面的不同待检测区域，从而对不同待检测区域进行缺陷检测。
7.根据权利要求5所述的一种基于半导体激光器的金属表面缺陷检测方法，其特征在于：根据被测金属工件（1）的材料种类调整红外热像仪（8）的热辐射率，并根据红外热像仪（8）的探测端与被测金属工件（1）表面的待检测区域之间的距离调整红外热像仪（8）的焦距，可以保证热红外图像的清晰。
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