[发明专利]基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法

摘要

一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，首先利用激光扩束镜将脉冲激光器产生的激光源的光束扩大成一个直径为数厘米的准直激光束，然后利用m×n个阵列凸透镜将该激光束聚焦到被测试件表面形成半径小于1毫米的、均匀分布阵列激光光斑，然后由红外相机监测被阵列脉冲激光源照射的被测试件表面的温度场分布变化情况；当试件表面被照射区域存在裂纹时，裂纹会阻碍激光辐射的热量在表面的扩散，从而在裂纹两侧形成一个大的温度差。因此最后可通过被照射区域的温度梯度场来对试件表面裂纹进行检测和成像；本发明具有系统结构简单、易实现、易操作、检测速度快、灵敏度高、结果直观、能够实现远距离检测等优点。

主权项

一种基于阵列激光源的结构表面裂纹红外无损检测及成像方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：使用一台脉冲激光器产生脉宽为10ms至200ms、脉冲能量为20J以上、波长为532至1064nm的激光束(1)，并通过一个光纤耦合器将激光束(1)耦合到大功率光纤(2)中；步骤2：将从大功率光纤(2)中出来的激光束入射到一个由焦距为f₁的输入凹透镜(3)和焦距为f₂的输出凸透镜(4)组成的激光扩束、准直镜上；输入凹透镜(3)和输出凸透镜(4)的间距为d＝f₂‑f₁，两个透镜是虚共焦结构；输入凹透镜(3)将入射的激光束聚焦在前焦平面上为虚焦点，此焦点落在输出凸透镜(4)的后焦平面上，并且输出凸透镜(4)的焦距f₂大于输入凹透镜(3)的焦距f₁，输入激光束将被扩束成直径为数厘米的准直激光束，扩束的倍数为f₂/f₁；步骤3：将经扩大准直后的激光束通过一个由m×n个大小为数毫米的透镜单元组成的凸透镜阵列(5)，经过凸透镜阵列(5)的激光束在被检测试件(7)表面形成半径小于1毫米的、均匀分布的激光光斑点阵列；输入凹透镜(3)、输出凸透镜(4)和凸透镜阵列(5)被固定在“凸”形透镜套管(6)中；步骤4：m×n个脉冲激光光斑照射到被检测试件(7)表面形成m×n个脉冲点热源，在各自附近区域向周围扩散热能直到覆盖整个被照射区域；当被检测试件(7)表面被照射区域没有裂纹时，热能能很好的沿被检测试件(7)表面方向扩散，因此能在表面形成比较均匀平滑的温度场分布；当被检测试件(7)表面被照射区域存在裂纹时，裂纹会阻碍热能在表面的扩散，因而温度场会在裂纹两侧形成一个大的梯度或突跳；步骤5：使用红外相机(8)拍摄并记录被检测试件(7)被照射区域从激光脉冲始发时刻至脉冲终止后200ms的一段时间内、每隔10ms至20ms的温度分布图；步骤6：对各个时刻的温度场做一阶和二阶导数变换得到相应的梯度场分布；由于从激光点源辐射的热能扩散至裂纹附近时，会被其阻碍无法继续向前传播，只能沿着裂纹一侧传播并从其两端和底部扩散到裂纹的另一侧；因此当热能扩散至裂纹附近的某一时间内，不但会在裂纹两侧形成一个大的温度差，还会改变温度场原来的扩散方向；最后通过统计被检测区域各点在不同时刻的温度梯度的最大幅值或温度梯度方向的变化对裂纹进行检测和成像。