CN115791982A - 基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法，涉及应力检测技术领域，其系统包括：激光激发探测模块，用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；激光调制模块，用于调制不同入射深度的激光超声波，并同时生成X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波；机械处理模块，用于控制X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号的接收位置；信号处理模块，用于根据不同入射深度的X方向的激光超声波、Y方向的激光超声波和声弹性理论应力计算的待检测构件残余应力分布；激光激发探测模块、激光调制模块、机械处理模块均与信号处理模块电连接。本申请具有实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测的效果。

Description

基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法

技术领域

本申请涉及应力检测的技术领域，尤其是涉及一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法。

背景技术

金属增材制造过程是一个伴随着复杂的物理、化学等多物理场耦合的过程，金属构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺会引起内部晶格形变，必然会产生残余应力，极大地降低构件的极限强度和疲劳强度，甚至会产生裂纹和脆性断裂，而且在加工及使用中由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大地影响了构件的尺寸、位置精度和整机性能。因此，对金属残余应力的检测十分重要。

目前，应力场的无损检测方法主要包括：X射线衍射法、中子衍射法、磁性测量以及超声测量等。其中，超声测量方法因其设备简单，操作简便，测量范围广，对测试表面要求不高等优点而得到了广泛的应用。

激光超声测量法作为一种新兴的超声检测技术，具有非接触、高分辨率、易实现复杂构件的快速自动化检测等优点。

但是，目前的激光超声检测方式一次检测只能检测一个方向上的残余应力，如果想要检测两个方向的残余应力情况，那么需要在另一个方向再次扫描，而改变待检测构件残余应力的方向通常通过控制机械臂转动XY二维扫描平台，以实现另一个方向上待检测构件的扫描，而在待检测构件转动的过程中，待检测构件可能会发生移动，这样就使得转动后测量待检测构件的位置与原来测量待检测构件的位置发生偏移，存在测量位置不匹配的情况发生，从而使得待检测构件残余应力测量不准确，而且，对待检测构件进行多次扫描，测量时间较长。

发明内容

为了实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测，本申请提供一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法。

第一方面，本申请提供一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，采用如下的技术方案：

一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，包括：

激光激发探测模块，用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；

激光调制模块，用于调制不同入射深度的激光超声波，并同时生成X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波；

机械处理模块，用于控制X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号的接收位置；

信号处理模块，用于根据不同入射深度的X方向的激光超声波、Y方向的激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布；

所述激光激发探测模块、所述激光调制模块、所述机械处理模块均与所述信号处理模块电连接。

通过采用上述技术方案，利用激光调制模块对激光激发的激光超声波的波长进行调制，得到可调控入射深度的激光超声波的同时，还可同时激发同一深度、不同方向的激光超声波，通过机械处理模块精准控制激光超声波的扫描位置并利用不同入射深度和不同方向的激光超声波对待检测构件不同深度和不同方向的残余应力进行检测，由于不同方向的激光超声波同时激发，降低了现有技术中改变残余应力检测方向需要待检测构件，待检测构件的检测位置可能会发生相对移动的可能，实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测。

可选的，所述激光超声波为窄带激光超声波。

通过采用上述技术方案，将原始激光转化为窄带宽激光，使得其灵敏度较高，穿透能力强。

可选的，所述激光激发探测模块包括激光器、合束镜、振镜和激光超声探测装置，其中激光超声探测装置包括两个干涉仪，且两个所述干涉仪对称设置；所述激光器的输出端和所述干涉仪的输出端均与所述合束镜的入射端连接，所述合束镜的输出端与振镜的入射端连接；

所述激光器用于激发待检测构件用的激光；所述干涉仪用于探测待检测构件的超声表面波信号；所述合束镜用于将X方向的激光超声波的光线和Y方向的激光超声波的光线合成到一条光路上；所述振镜用于调整激光照射扫描待检测构件的位置。

可选的，所述激光调制模块包括激光调制器，所述激光调制器为正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器。

通过采用上述技术方案，通过正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器对激光器发射的激光可调控为正交的X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波，通过获取所述正交条纹图像对应的激光超声波信号，可以快速的实现对待检测构件残余应力分布的测量，不仅降低两次方向的超声表面波扫描时位置可能不一致会引起的测量误差，提高了待检测构件测量残余应力的精度，同时也降低了扫描次数，提高了测量待检测构件残余应力的速度。

可选的，还包括，待检测构件处理模块，用于获取待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息，根据所述待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息确定应力检测位置和至少一个应力测试深度。

通过采用上述技术方案，通过待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息确定待检测构件的应力检测位置和应力测试深度，使得测量待检查构件的残余应力分布更符合该待检测构件应力测试要求，提高检测残余应力的适用性。

可选的，所述待检测构件处理模块包括双目相机；所述双目相机用于获取待检测构件的双目图像；基于所述双目图像生成待检测构件的结构特征信息，所述结构特征信息包括待检测构件的三维形貌。

通过采用上述技术方案，通过双目相机扫描待检测构件从而获取待检测构件的双目图像，根据双目图像构件待检测构件的三维形貌，可将三维形貌提供给用户界面进行显示，便于用户根据三维形貌确定对残余应力的测试需求。

第二方面，本申请提供一种基于正交光栅的激光超声残余应力检测方法，应用于第一方面任一项所述基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，采用如下的技术方案：

一种基于正交光栅的激光超声残余应力检测方法，包括：

根据至少一个应力测试深度选取至少一个激光超声波长，并使得激光激发探测模块生成激光；

调制激光调制模块的相关参数使得激光器同时输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波，获得不同入射深度的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

利用机械处理模块控制X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波在应力检测位置上扫描；

信号处理模块根据所述X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布。

通过采用上述技术方案，利用激光调制模块对激光激发的激光超声波的波长进行调制，得到可调控入射深度的激光超声波的同时，还可同时激发同一深度，不同方向的激光超声波，通过机械处理模块精准控制激光超声波的扫描位置并利用不同入射深度和不同方向的激光超声波对待检测构件不同深度和不同方向的残余应力进行检测，由于不同方向的激光超声波同时激发，降低了现有技术中改变残余应力检测方向需要待检测构件，待检测构件的检测位置可能会发生相对移动的可能，实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测。

可选的，所述调制激光调制器的相关参数使得激光模块同时输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波包括：

通过将脉冲激光投射过正交光栅调制器，利用振镜的透镜投影在待检测构件表面应力检测位置，形成正交光栅的像，在脉冲激光的激发下，形成与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

或，通过脉冲激光投射过正交光学掩模调制器，投影在待检测构件表面应力检测位置，输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波。

通过采用上述技术方案，通过正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器对激光器发射的激光可调控为正交的X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波，通过获取所述正交条纹图像对应的激光超声波信号，可以快速的实现对待检测构件残余应力分布的测量，不仅降低两次方向的超声表面波扫描时位置可能不一致会引起的测量误差，提高了待检测构件测量残余应力的精度，同时也降低了扫描次数，提高了测量待检测构件残余应力的速度。

可选的，所述根据所述X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布包括：

获取激光超声探测装置在待检测构件上探测的窄带激光超声波信号；所述窄带超声波信号包括X方向的窄带激光超声波信号和Y方向的窄带激光超声波信号；

基于所述X方向的窄带激光超声波信号计算X方向的窄带激光超声波的传播速度；基于Y方向的窄带激光超声波信号计算Y方向的窄带激光超声波的传播速度；

基于所述窄带激光超声波的传播速度、所述应力测试深度和声弹性理论应力测试构件残余应力随着深度在X方向和Y方向的分布。

可选的，所述基于所述窄带激光超声波的传播速度、所述应力测试深度和声弹性理论应力测试构件残余应力随着深度在X方向和Y方向的分布包括：

计算所述X方向的窄带激光超声波的传播速度和所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度；激光超声波的速度、波长、频率的关系公式为：

c＝λf

其中，c为激光超声波速度(m/s)，λ为激光超声波波长(nm)，f为激光超声波频率(MHz)；

所述应力测试深度的公式为h=2aλ

其中，h为超声表面波的入射深度(mm)，α为修正系数；

基于X方向的窄带激光超声波的传播速度、所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度、应力测试深度和声弹性理论应力计算构件残余应力；残余应力的计算公式为：

σ-σ0=K(t-t0) 或Δσ=KΔt，式中:

Δσ----残余应力的变化量(应力差)，σ=σ-σ0，

Δt---传播时间的变化量(声时差)，t=t-to

K--应力系数,与被待检测构件的材料和激光器探测间距有关,可通过拉伸试验标定获得。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.利用激光调制模块对激光激发的激光超声波的波长进行调制，得到可调控入射深度的激光超声波的同时，还可同时激发同一深度，不同方向的激光超声波，通过机械处理模块精准控制激光超声波的扫描位置并利用不同入射深度和不同方向的激光超声波对待检测构件不同深度和不同方向的残余应力进行检测，由于不同方向的激光超声波同时激发，降低了现有技术中改变残余应力检测方向需要待检测构件，待检测构件的检测位置可能会发生相对移动的可能，实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测；

2.通过正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器对激光器发射的激光可调控为正交的X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波，通过获取所述正交条纹图像对应的激光超声波信号，可以快速的实现对待检测构件残余应力分布的测量，不仅降低两次方向的超声表面波扫描时位置可能不一致会引起的测量误差，提高了待检测构件测量残余应力的精度，同时也降低了扫描次数，提高了测量待检测构件残余应力的速度。

附图说明

图1是本申请实施例的基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统的结构框图

图2是本申请实施例的基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统中装置的连接框图。

图3是本申请实施例中激光正交光路的示意图。

图4是本申请实施例在干涉仪的信号接收位置的示意图。

图5是本申请实施例激光调制器的结构示意图。

图6是本申请实施例的基于正交热栅的激光超声残余应力检测方法的流程示意图。

附图说明：10、激光激发探测模块；101、激光器；102、干涉仪；103、振镜、105、合束镜；20、激光调制模块；201、激光调制器；30、机械处理模块；40、信号处理模块；50、待检测构件处理模块；501、XY二维扫描平台、502、双目相机。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例提供一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。

图1示出了根据本公开实施例的基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统的结构框图。

一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统包括激光激发探测模块10、激光调制模块20、机械处理模块30和信号处理模块40，所述激光激发探测模块10、所述激光调制模块20、所述机械处理模块30均与所述信号处理模块40电连接。

其中，激光激发探测模块10，用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；在一种实施例中，激发的激光超声波为窄带激光超声波，将原始激光转化为窄带激光超声波，使其灵敏度较高，穿透能力强。激光激发探测模块10包括激光器101、合束镜105、振镜103和激光超声探测装置，其中激光超声探测装置包括两个干涉仪102，且两个所述干涉仪102对称设置；所述激光器101的输出端和所述干涉仪102的输出端均与所述合束镜105的入射端连接，所述合束镜105的输出端与振镜103的入射端连接，激光器101与信号处理模块40连接，信号处理模块40根据待检测构件的测试需求调整激光器101的相关参数，在一种实施例中，激光器101可以为Nd：YAG激光器、脉冲激光器、固体激光器、半导体激光器等。

激光调制模块20，用于调制不同入射深度的激光超声波，并同时生成X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波；图3为利用激光调制模块调制的激光正交光路的示意图，X方向与Y方向为正交方向。

具体的，在一种实施例中，所述激光器101用于激发待检测构件用的激光；所述干涉仪102用于探测待检测构件的超声表面波信号，图4示出了本申请实施例两个干涉仪信号接收位置的示意图，如图4所示，正交激光超声激发点为待检测构件的应力检测位置，激光器101向应力检测位置激发激光正交光路，干涉仪1接收Y方向的激光超声波信号，干涉仪2接收X方向的激光超声波信号；所述合束镜105用于将X方向的激光超声波的光线和Y方向的激光超声波的光线合成到一条光路上；所述振镜103用于调整激光照射扫描待检测构件的位置。

图5示出了本申请实施例激光调制器的结构示意图。

激光调制模块20包括激光调制器201，在一种实施例中，激光调制器201为正交光栅调制器，正交光栅调制器包括正交光栅和透镜，正交光栅的狭缝宽度相同；激光器101的输出端与正交光栅的入射端连接，正交光栅的输出端透镜的入射端连接，透镜的输出端与振镜103的入射端连接，利用正交光栅将激光转化为正交的光栅线数，利用光栅折射原理，将光栅的光路通过透镜折射，使得正交激光光路通过振镜103投影在待检测构件表面应力检测位置。

在一种实施例中，激光调制器201为正交光学掩模调制器，正交光学掩模调制器包括正交掩模和透镜，激光器101的输出端与正交光学掩模的入射端连接，正交光学掩模的输出端与透镜的入射端连接，透镜的输出端与振镜103的入射端连接，正交光学掩模设置在靠近在透镜的上游，或者将该正交光学掩模合并在透镜中，所述正交光学掩模上设置有根据待检测构件测试需求设计的图形，利用正交光学掩模将激光器101输出的正交激光光路投影至透镜上，使得正交激光光路通过振镜103投影在待检测构件表面应力检测位置。

通过正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器对激光器101输出的激光调制，使得一次激发就能同时输出如图3所示的X方向的激光光路和Y方向两个方向的激光光路，使得激光器101输出的激光可调控，通过获取所述正交条纹图像对应的激光超声波信号，可以快速的实现对待检测构件残余应力分布的测量，不仅降低两次方向的超声表面波扫描时位置可能不一致会引起的测量误差，提高了待检测构件测量残余应力的精度，同时也降低了扫描次数，提高了测量待检测构件残余应力的速度。

机械处理模块30，用于控制X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号的接收位置，使得X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号的接收位置与待检测构件的应力检测位置一致；机械处理模块30包括机械臂（图中未示出），机械臂与振镜103、干涉仪102、激光器101连接，通过机械臂控制振镜103、干涉仪102、激光器101、合束镜105移动，使得激光器101向待检测构件的应力检测位置同时激发X方向的激光和Y方向的激光光路，其中一个干涉仪102探测待检测构件表面X方向的激光超声波，另一个干涉仪102探测待检测构件表面Y方向的激光超声波，通过调整合束镜105的角度使激光器101激发的激光超声波与两个干涉仪102分别探测的激光超声波重合。

信号处理模块40，用于根据不同入射深度的X方向的激光超声波、Y方向的激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布。信号处理模块40包括计算单元，计算单元预设有根据所述X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布的计算公式。干涉仪102将X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号发送至信号处理模块40进行信号处理，计算单元根据预设计算公式计算待检测构件在应力检测位置随着深度方向的X方向和Y方向的两个方向的残余应力分布。

另外，信号处理模块40还包括控制单元，控制单元用于根据待检测构件的应力检测位置调整机械臂姿态相关参数，还用于根据待检测构件的应力测试深度调整激光调制器201和激光器101的相关参数。

进一步的，基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统还包括待检测构件处理模块50，待检测构件处理模块50与信号处理模块40电连接，待检测构件处理模块50，用于获取待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息，根据所述待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息确定应力检测位置和至少一个应力测试深度，确定应力检测位置和至少一个应力测试深度发送至信号处理模块40的控制单元，控制单元控制激光器101和激光调制模块20调整相应的参数。

待检测构件处理模块50包括双目相机502（图中均未示出）和XY二维扫描平台501。双目相机502用于获取待检测构件的双目图像；根据双目图像生成待检测构件的结构特征信息，所述结构特征信息包括待检测构件的三维形貌。双目相机502与机械臂连接，通过机械可控制双目相机502移动对待检测构件进行扫描。XY二维扫描平台501用于放置待检测构件，使得双目相机502对XY二维扫描平台501上的待检测构件精准扫描。

另外，该系统还包括软件控制平台，用于实现上述模块统一的控制界面，实现激光器101、干涉仪102、机械臂、双目相机502及其他外部辅助设备的控制与监控以及对待检测构件应力检测深度及位置和残余应力分布的可视化显示。

以上为本申请实施例中系统的介绍，下面通过方法实施例，对本申请所述的方案进行进一步说明。

图6示出了根据本公开实施例的基于正交热栅的激光超声残余应力检测方法的流程示意图。

一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测方法，应用于上述基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，该方法包括（步骤S1~S5）：

步骤S1，利用待检测构件处理模块50获取待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息，根据所述待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息确定应力检测位置和至少一个应力测试深度；

在一种实施例中，待检测构件的材料可以用户输入至待检测构件处理模块50中，也可以通过反射率测量装置确定待检测样品的激光吸收度和发光强度，进行定性分析，从而确定待检测样品的材料；结构特征信息包括待检测构件的三维形貌、大小等信息；测试需求可以根据待检测构件的材料和结构特征预设在待检测构件处理模块50，还可以户输入至待检测构件处理模块50中；

步骤S2，根据至少一个所述应力测试深度选取至少一个激光超声波长，并使得激光激发探测模块10生成激光；

在一种实施例中，待检测构件处理模块50根据所述至少一个所述应力测试深度从数据库中查找对应的最优超声波长。

步骤S3，调制激光调制模块20的相关参数使得激光器101同时输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波，获得不同入射深度的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

具体的，通过正交光栅调制器将激光转化为正交的光栅线数，利用正交光栅折射原理，将光栅的光路折射，使得正交激光光路利用振镜103投影在待检测构件表面应力检测位置，输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

或，通过正交光学掩模调制器将激光器101输出的正交激光光路投影在待检测构件表面应力检测位置，输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

步骤S4，利用机械处理模块30控制X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波在应力检测位置上扫描；

步骤S5，根据所述X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布。

具体的，获取激光超声探测装置在待检测构件上探测的窄带激光超声波信号；所述窄带超声波信号包括X方向的窄带激光超声波信号和Y方向的窄带激光超声波信号；

基于所述X方向的窄带激光超声波信号计算X方向的窄带激光超声波的传播速度；基于Y方向的窄带激光超声波信号计算Y方向的窄带激光超声波的传播速度；

基于所述窄带激光超声波的传播速度、所述应力测试深度和声弹性理论应力测试构件残余应力随着深度在X方向和Y方向的分布。

其中，计算所述X方向的窄带激光超声波的传播速度和所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度；激光超声波的速度、波长、频率的关系公式为：

c＝λf；其中，c为激光超声波速度(m/s)，λ为激光超声波波长(nm)，f为激光超声波频率(MHz)；

所述应力测试深度的公式为h=2aλ；其中，h为超声表面波的入射深度(mm)，α为修正系数；

基于X方向的窄带激光超声波的传播速度、所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度、应力测试深度和声弹性理论应力计算构件残余应力；残余应力的计算公式为：

σ-σ0=K(t-t0) 或Δσ=KΔt，式中:

Δσ----残余应力的变化量(应力差)，σ=σ-σ0，

Δt---传播时间的变化量(声时差)，t=t-to

K--应力系数,与被待检测构件的材料和激光器探测间距有关,可通过拉伸试验标定获得。

在一种实施例中，例如，根据待检测样品应力检测深度选取的λ1、λ2激光超声波的频谱成分，h1、h2分别为该激光超声波的入射深度，根据声弹性理论，即可同时分别计算X方向的λ1激光超声波和λ2激光超声波在待检测工件内部h1、h2残余应力σ11、σ21，Y方向的λ1激光超声波和λ2激光超声波在待检测工件内部h1、h2残余应力σ12、σ22。对两种频率的激光超声波h1、h2的残余应力进行逐差处理，即可分别得到X方向和Y方向h1、h2-h1两个梯度深度的残余应力，分别为X方向的残余应力分布为σ11、σ21-σ11；Y方向的残余应力分布σ12、σ22-σ12；以此类推其它超声表面波不同穿透深度的残余应力分布。

本发明提供一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法，利用激光调制模块对激光激发的激光超声波的波长进行调制，得到可调控入射深度的激光超声波的同时，还可同时激发同一深度，不同方向的激光超声波，通过机械处理模块精准控制激光超声波的扫描位置并利用不同入射深度和不同方向的激光超声波对待检测构件不同深度和不同方向的残余应力进行检测，由于不同方向的激光超声波同时激发，降低了现有技术中改变残余应力检测方向需要待检测构件，待检测构件的检测位置可能会发生相对移动的可能，实现对待检测构件内边残余应力快速、有效、精准检测。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的申请范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中申请的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，其特征在于，包括：

激光激发探测模块（10），用于激发和探测待检测构件用的激光超声波；

激光调制模块（20），用于调制不同入射深度的激光超声波，并同时生成X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波；

机械处理模块（30），用于控制X方向的激光超声波信号和Y方向的激光超声波信号的接收位置；

信号处理模块（40），用于根据不同入射深度的X方向的激光超声波、Y方向的激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布；

所述激光激发探测模块（10）、所述激光调制模块（20）、所述机械处理模块（30）均与所述信号处理模块（40）电连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光超声波为窄带激光超声波。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光激发探测模块（10）包括激光器（101）、合束镜（105）、振镜（103）和激光超声探测装置，其中激光超声探测装置包括两个干涉仪（102），且两个所述干涉仪（102）对称设置；所述激光器（101）的输出端和所述干涉仪（102）的输出端均与所述合束镜（105）的入射端连接，所述合束镜（105）的输出端与振镜（103）的入射端连接；

所述激光器（101）用于激发待检测构件用的激光；所述干涉仪（102）用于探测待检测构件的超声表面波信号；所述合束镜（105）用于将X方向的激光超声波的光线和Y方向的激光超声波的光线合成到一条光路上；所述振镜（103）用于调整激光照射扫描待检测构件的位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光调制模块（20）包括激光调制器（201），所述激光调制器（201）为正交光栅调制器；或，正交光学掩摸调制器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

待检测构件处理模块（50），用于获取待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息，根据所述待检测构件的材料信息、结构特征信息和测试需求信息确定应力检测位置和至少一个应力测试深度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述待检测构件处理模块（50）包括双目相机（502）；所述双目相机（502）用于获取待检测构件的双目图像；基于所述双目图像生成待检测构件的结构特征信息，所述结构特征信息包括待检测构件的三维形貌。

7.一种基于正交热栅的激光超声残余应力检测方法，应用于权利要求1-6任一项所述基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统，其特征在于，包括：

根据至少一个应力测试深度选取至少一个激光超声波长，并使得激光激发探测模块（10）生成激光；

调制激光调制模块（20）的相关参数使得激光器（101）同时输出与所述激光超声波长相同的X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波，获得不同入射深度的X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波；

利用机械处理模块（30）控制X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波在应力检测位置上扫描；

信号处理模块（40）根据所述X方向的激光超声波和Y方向的激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制激光调制模块（20）的相关参数使得激光器（101）同时输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波包括：

通过将脉冲激光投射过正交光栅调制器，利用振镜（103）的透镜投影在待检测构件表面应力检测位置，形成正交光栅的像，在脉冲激光的激发下，形成与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波；

或，通过脉冲激光投射过正交光学掩模调制器，投影在待检测构件表面应力检测位置，输出与所述激光超声波长相同的X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述X方向的窄带激光超声波和Y方向的窄带激光超声波和声弹性理论应力计算的所述待检测构件残余应力分布包括：

获取激光超声探测装置在待检测构件上探测的窄带激光超声波信号；所述窄带超声波信号包括X方向的窄带激光超声波信号和Y方向的窄带激光超声波信号；

基于所述X方向的窄带激光超声波信号计算X方向的窄带激光超声波的传播速度；基于Y方向的窄带激光超声波信号计算Y方向的窄带激光超声波的传播速度；

基于所述窄带激光超声波的传播速度、所述应力测试深度和声弹性理论应力测试构件残余应力随着深度在X方向和Y方向的分布。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于所述窄带激光超声波的传播速度、所述应力测试深度和声弹性理论应力测试构件残余应力随着深度在X方向和Y方向的分布包括：

计算所述X方向的窄带激光超声波的传播速度和所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度；激光超声波的速度、波长、频率的关系公式为：

c＝λf

其中，c为激光超声波速度(m/s)，λ为激光超声波波长(nm)，f为激光超声波频率(MHz)；

所述应力测试深度的公式为h=2aλ

其中，h为超声表面波的入射深度(mm)，α为修正系数；

基于X方向的窄带激光超声波的传播速度、所述Y方向的窄带激光超声波的传播速度、应力测试深度和声弹性理论应力计算构件残余应力；残余应力的计算公式为：

σ-σ0=K(t-t0) 或Δσ=KΔt，式中:

Δσ----残余应力的变化量(应力差)，σ=σ-σ0，

Δt---传播时间的变化量(声时差)，t=t-to

K--应力系数,与被待检测构件的材料和激光器（101）探测间距有关,可通过拉伸试验标定获得。

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