CN109613063A - 一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，该装置包括面阵脉冲激光、红外热像仪、工控计算机、丝杆、滑轨、板材夹持器、红外热像仪夹持器、人机交互界面、散热风箱和开关。该方法采用低功率的面阵脉冲激光对待测涂层零件进行热激励，对象为小尺寸涂层零件，通过红外热像仪采集待测涂层零件的温度信息，在计算机中拟合表面温度变化函数，进而计算得到涂层厚度及缺陷情况，同时利用人机交互界面控制丝杆和滑轨实现红外热像仪在三维方向的自由移动和精准定位，大大提高无损检测精确度。本发明采取面阵脉冲激光激励，在热障涂层面表面形成短周期的脉冲加热，以不会损伤材料表面的方式进行检测。同时具有非接触，扫描速度快、效率高，散角小，提离值调节更精准，红外热像仪定位拍摄更精准，操作更便捷，安全性更高，价格便宜等优点。
Description
技术领域
本发明属于红外热波无损检测技术领域，具体涉及一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法。
背景技术
热障涂层，(Thermal Barrier Coating简称TBCs)是目前最为先进的高温防护涂层之一，具有良好的隔热效果和抗氧化性能，被广泛应用于燃气轮机热通道部件如透平叶片，燃烧室等表面防护中。热障涂层一般为双层结构，由表层陶瓷层和里层金属粘结层组成，其中厚度是表征热障涂层质量的关键技术指标，它关系到涂层的使用寿命、结合强度、不均匀内应力和制造成本等的评估和计算。因此，厚度检测是热障涂层制造和使用过程中的关键技术环节，目前，热障涂层厚度检测多采用抽样破坏检验，破坏后部件无法继续使用，且检测数据较片面，不能有效反映所有部位的涂层厚度水平。
随着国防工业的快速发展，工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，比如要求在线、动态、非接触、实时的进行检测等。涂层厚度红外热波检测的热激励源主要有闪光灯、红外灯管、热风、电磁、超声、微波。目前国际上主流的热激励源为闪光灯，如美国TWI、德国InfraTEC，都有成套的闪光灯激励红外无损检测设备。但这种设备不仅功能有很多局限性（例如不能远距离投射，只能近距离检测物体缺陷，闪光灯均匀性不好、能量密度较低，对物体近表面缺陷检测带来误判），而且价格很高。
最新出现的线状连续激光束在试件表面进行扫描，形成高功率密度的脉冲热激励，实现试件表面的热激励，并且在检测垂直裂纹、精密零件细小裂纹、涂层或者薄膜材料层厚有很大的突破，具有占地面积小，价格便宜等优势，但是存在控制激励过程误差大，加热不均匀，检测速度慢，效率低等问题，亟需改进。
当前半导体激光器的发展非常迅速，由于其功率高、价格低、体积小，在工业领域得到了广泛的应用。半导体激光器功率可以达到很高，但半导体激光器的输出一般是点光源，功率密度很高，容易损伤材料表面，不适合直接作为红外热波无损检测技术的热激励源。
综上所述，现有的热障涂层无损检测技术存在诸多问题，不能很好提高检测速度，亟待科技工作者研究开发出一种热障涂层无损检测智能化程度更高、操作更便捷，安全性得到保障，检测速度更快，价格更便宜的装置。
发明内容
针对现有热障图层无损检测技术的现状与不足，本发明的目的在于提出一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，目前国际上主流采用高功率闪光灯进行热激励，此方法电源体积庞大而且笨重、热均匀性差、只能近距离进行热激励；最新检测方式利用线状连续激光通过扫描进行热激励，加热不均匀，检测速度慢，效率低；并且传统半导体激光器功率密度过高，容易损伤材料表面，且不适合直接作为红外热波无损检测技术的热激励源，其光斑重叠又会造成扫描不到的盲区。本发明很好的克服了以上的缺点，采取功率密度更低的面阵脉冲激光束扫描方式，在材料表面形成短周期的脉冲加热，以不会损伤材料表面的方式进行检测。同时具有非接触，扫描速度快、效率高，散角小，提离值调节更精准，红外热像仪定位拍摄更精准，操作更便捷，安全性更高，价格便宜等优点。
本发明提供的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于包括：安装在检测平台下方的面阵脉冲激光、安装在检测平台下方两侧的散热风箱，安装在横向滑轨上的红外热像仪，以及进行数据分析的工控计算机，检测设备机身上固定了开关和人机交互界面，人机交互界面控制丝杆的转动、纵向滑轨和横向滑轨的滑动以及面阵脉冲激光的功率值和频率值；面阵脉冲激光位于检测平台下方，红外热像仪夹持器用于固定红外热像仪，板材夹持器用于夹持待测涂层零件，保证其在检测过程中不移动，散热风箱在面阵脉冲激光激励结束后立即启动进行散热，同时红外热像仪将检测结果导入工控计算机中拟合表面温度变化函数，进而计算得到涂层厚度以及零件缺陷精准位置。
在上述技术方案中，所述的面阵脉冲激光对检测平台上的待测涂层零件底面进行加热，形成的热波向材料内部进行传播，待测涂层零件热传导呈现一维分布，材料内部的缺陷如裂纹、脱黏、损伤等会形成热阻而影响热波的传播，造成待测零件表面加热不均匀，此时用红外热像仪拾取零件表面温度信息可以实现缺陷检测。
在上述技术方案中，首先调整检测缺陷平台水平，其次确定红外热像仪的视场，即根据检测要求确定红外热像仪7的一次成像面积大小，后对焦，即在检测工作距离放置对焦辅助参照物，调节对焦直至图像画面达到清晰为止，最后进行红外热像仪提离值校正，即采用红外发射率高且均匀的材料覆盖红外热像仪视场，进行非均匀性校正。
在上述技术方案中，所述的面阵脉冲激光为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100W，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms~5s，波长为1064nm，面阵光电传感器的相邻两个激光光源的水平距离为20mm~25mm，垂直距离为20mm~25mm。
在上述技术方案中，所述的红外热像仪为非制冷型热像仪，开机即用，无需制冷器冷却使用，图像大小不小于160×120像素，响应波段为8μm~14μm，采集帧频为50Hz，热灵敏度为50mK，采集时间为10s，面阵脉冲激光扫描时间为6s。
在上述技术方案中，所述的检测平台为透明玻璃材料的平台，不会吸收激光。
在上述技术方案中，所述的丝杆直径为8mm，导程为1mm，精度一般能达到0.1mm，速度控制在2m/s~10m/s之间。
在上述技术方案中，所述的纵向滑轨和横向滑轨的移动为皮带传动，移动速度为1m/s~5m/s之间。
在本发明提供的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，可通过调节面阵脉冲激光与待测涂层零件距离、面阵脉冲激光的功率值、频率值和激励时间；进而改变待测涂层零件内部产生的热量，便于红外热像仪记录准确清晰的图像。
本发明提供的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，该方法克服了传统涂层侧闪光灯激励红外热波热障涂层检测方法和线状连续激光扫描的局限性，具有不损坏检测材料热障涂层此外，新型检测方式该方法为非接触式测量，可对部件热障涂层全方位缺陷进行检测，无需在涂层表面施加藕合剂，不存在涂层污染风险，同时具有精准调节提离值，红外热像仪精准定位拍摄、操作便捷性安全性高、价格便宜等优点；并与传统热障涂层厚度涡流法、超声法的测量精度相当。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为检测平台的局部放大的示意图。
上述附图中的各图示标号表示对象分别为：1-检测设备机身；2-开关；3-丝杆；4-面阵脉冲激光；5-检测平台；6-待测涂层零件；7-红外热像仪；8-纵向滑轨；9-红外热像仪夹持器；10-板材夹持器；11-横向滑轨；12-散热风箱；13-人机交互界面；14-工控计算机。
具体实施方式
如图1所示，面阵脉冲激光4为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100W，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms~5s，波长为1064nm，面阵光电传感器的相邻两个激光光源的水平距离为20mm~25mm，垂直距离为20mm~25mm。红外热像仪7为非制冷型热像仪，开机即用，无需制冷器冷却使用，图像大小不小于160×120像素，响应波段为8μm~14μm，采集帧频为50Hz，热灵敏度为50mK，采集时间为10s，面阵脉冲激光4扫描时间为6s。丝杆3直径为8mm，导程为1mm，精度一般能达到0.1mm，速度控制在2m/s~10m/s之间。纵向滑轨8和横向滑轨11的移动为皮带传动，移动速度在1m/s~5m/s之间。
如图1所示，红外热像仪夹持器9用于固定红外热像仪，板材夹持器10用于夹持待测涂层零件2，保证其在检测过程中不移动。
如图1所示，首先调整检测缺陷平台5水平，其次确定红外热像仪7的视场，即根据检测要求确定红外热像仪7的一次成像面积大小，后对焦，即在检测工作距离放置对焦辅助参照物，调节对焦直至图像画面达到清晰为止，最后进行红外热像仪7提离值校正，即采用红外发射率高且均匀的材料覆盖红外热像仪视场，进行非均匀性校正。
如图1所示，面阵脉冲激光均匀分布在待测涂层零件下方5cm的平面上，同时通过人机交互界面13控制丝杆3的转动，使检测平台5距涂层零件6的高度达到计算的提离值，人机交互界面13还可以控制纵向滑轨8和横向滑轨11的滑动控制前后及左右移动红外热像仪7使待测涂层零件6得到全方位的检测。
如图1所示，面阵脉冲激光4位于检测平台5下方，人机交互界面13可以控制其功率值和频率值以及响应时长，进而改变待测涂层零件内部产生的热量，使缺陷更加明显，便于红外热像仪7记录准确清晰的图像。
如图2所示，面阵脉冲激光4对待测涂层零件6底面进行加热，形成的热波向材料内部进行传播，待测涂层零件6热传导呈现一维分布，材料内部的缺陷如裂纹、脱黏、损伤等会形成热阻而影响热波的传播，造成待测零件表面加热不均匀，此时用红外热像仪7拾取零件表面温度信息可以实现缺陷检测。
如图1所示，散热风箱12安装在检测平台5下方的两侧，在面阵脉冲激光4激励结束后立即启动进行散热，同时红外热像仪将检测结果导入工控计算机14中拟合表面温度变化函数，进而计算得到涂层厚度以及零件缺陷精准位置。
上述仅为本发明的具体实施方案，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (6)
1.一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于包括：安装在检测平台下方的面阵脉冲激光（4）、安装在检测平台下方两侧的散热风箱（12）、安装在横向滑轨上的红外热像仪（7）、以及进行数据分析的工控计算机（14），检测设备机身（1）上固定了开关（2）和人机交互界面（13），人机交互界面（13）控制丝杆（3）的转动、纵向滑轨（8）和横向滑轨（11）的滑动以及面阵脉冲激光（4）的功率值和频率值；面阵脉冲激光（4）位于检测平台（5）下方，红外热像仪夹持器（9）用于固定红外热像仪（7），板材夹持器（10）用于夹持待测涂层零件（6），保证其在检测过程中不移动，散热风箱（12）在面阵脉冲激光（4）激励结束后立即启动进行散热，同时红外热像仪拾取到的待测零件表面温度信息导入工控计算机（14）中拟合表面温度变化函数，进而计算得到涂层厚度以及零件缺陷精准位置。
2.如权利要求1所述的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于，所述的面阵脉冲激光（4）为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100W，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms~5s，波长为1064nm，面阵脉冲激光（4）的相邻两个激光光源的水平距离为20mm~25mm，垂直距离为20mm~25mm。
3.如权利要求1所述的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于，所述的红外热像仪（7）为非制冷型热像仪，开机即用，无需制冷器冷却使用，图像大小不小于160×120像素，响应波段为8μm~14μm，采集帧频为50Hz，热灵敏度为50mK，采集时间为10s，面阵脉冲激光（4）扫描时间为6s。
4.如权利要求1所述的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于，所述的检测平台（5）为透明玻璃材料的平台，不会吸收激光。
5.如权利要求1所述的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于，所述的丝杆（3）直径为8mm，导程为1mm，精度可达0.1mm，速度控制在2m/s~10m/s之间。
6.如权利要求1所述的一种基于面阵脉冲激光激励检测热障涂层面的装置及方法，其特征在于，所述的纵向滑轨（8）和横向滑轨（11）的移动为皮带传动，移动速度在1m/s~5m/s之间。
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