激光轮廓测量技术在无损检测中的应用

1、激光轮廓测量技术在无损检测中的应用 标准分享网 免费下载 第22卷第9期2000年9月无损检测NDTVol.22No.9Sep.2000激光轮廓测量技术在无损检测中的应用戴蓉(武汉汽车工业大学测控系,武汉430070)摘要介绍激光轮廓测量的工作原理、测量装置、主要特点及应用。主题词激光技术光学管道检测表面检测APPLICATIONOFLASERPROFILOMETRYTONONDESTRUCTIVETESTINGDaiRong(WuhanAutomotivePolytechnicUniversity)AbstractLaserprofilometrywasintroducedincluding

2、itsbasicprinciple,.applicationsKeywordsLasertechniqueOpticsTubeinspectionSurfaceinspectionapparatus,featuresand激光轮廓测量技术于80年代中期开始用于无损检测领域,经过十几年的发展,目前已被公认为一种准确高效的表面无损检测技术1。目前,激光轮廓测量技术主要用于管道的探伤。与管道检测常用的涡流法和超声法相比,激光轮廓测量技术具有检测效率高、检测精度高、采样点密集、空间分辨力高、非接触式检测、可提供定量检测结果和被检管道任意位置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等优点。该技术目前已成

3、功地用于锅炉管道、热交换器管道、重整炉管道、火箭发动机喷管、石化提炼炉管道、枪炮管、焊缝以及航空和汽车行业用的橡胶管和陶瓷产品的检测。可以预见,随着工程技术领域对检测精度和检测效率要求的不断提高,激光轮廓测量技术的应用将日益广泛。(a)(b)1测量原理激光轮廓测量技术利用了光学三角测量的基本原理。图1a,b所示为光学三角测量的两种光路图2。半导体激光器发射的光经聚光镜投射到被测物体表面,激光投射点的直径一般为0.250.5mm,需要时可缩小到0.025mm,从而保证了高分辨力的检测需要。图1a的光路用于光滑镜面物体的检测,从物体表面反射的光线通过成象透镜成象;图1b的光路用于非镜面物体的检测,

4、激光垂直入射,由物体表面漫反射的光线通过成象透镜进行成象。在象面上放置横向光电效应传感器件接收成象光?400? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(c)图1测量原理图线,将光信号转换成电信号。图1c所示为光电传感器件的工作原理。设成象光线照射在传感器的接收面上形成光点,在P点产生大小为I的光电流,在器件两侧的电极A和B上将分别输出电流IA和IB,IA的大小正比于P点到电极B的距离,IB的大小正比于P点到电极A的距离,即IIA=L2+XL(1)标准分享网 免费下载 戴蓉:激光轮廓测量技术在

5、无损检测中的应用IIB=L2-XL(2)如将IA和IB进行相加和相减然后相除的运算,则可得IA-IB2X(3)D=IA+IBL因此,如果用适当的信号处理线路测出D,就可得到光点坐标X值,它反映了光点在象面上的位置。如果激光照射点处物体表面的高度R发生了变化,则成象光点在象面上的位置也相应改变,从而引起传感器输出电信号变化,因为X与R间基本满足一一对应的线性关系,由此可测出物体各点高度值R。可将物面成象点高度R与象点坐标X的关系表示成234(4)R=R0+R1X+R2X+R3X+R4X式中R0R4测量范围内多次采样所获得的校准数据除了采用横向光点效应传感器外,也可采用固体耦合摄象器件(CCD)或

6、光电二极管阵列传感器测量象点位置,但比较而言,横向光电效应传感器具有位置分辨力高、响应速度高和应用电路简单的优点。2系统组成激光轮廓测量技术的发展得益于现代微型光学、微电子学和计算机数字图象处理和显示技术的迅速发展。测量系统主要包括激光扫描探头、运动控制和定位系统、数据采集和分析系统三个部分3。图2a为激光扫描探头示意图,它由光学腔、电子腔和驱动腔三个部分组成,可探测内径仅为5mm的细管道。光学腔内主要有激光源、光学系统和光电传感器,它位于探头的前部。检测时光学腔高速旋转,从而实现对管内壁的周向扫查,光学腔的旋转速度取决于测量空间分辨力的要求,最高可达1800r?min。在探头的中后部分别是为

7、光学腔旋转提供动力的驱动腔和电子腔。检测时,将激光扫描探头放置于管道内,通过探头推进装置使其匀速前进,同时光学腔在驱动腔的带动下高速旋转,从而实现了对管道内壁的扫查。图2b中描绘出了激光束对管内壁的扫查轨迹,为一螺旋线。投射到管内壁的激光束被反射后经光学腔内的光学系统成象到横向光电效应传感器敏感面上,完成光电信号的转换。如果激光照射点处管内壁的径向尺寸发生了变化,将引起象点在横向效应光电传感器敏感面上的位置也发生变化,从而引起输出电信号的变化。探头的输出信号通过电缆线与外部接口电路单元联接。接口单元负责对输出模拟信号和数字信号的处理以及对探头旋转和推进运动的控制。在探头内部和外部的探头推进装置

8、中都有位置编码器,可同步提供扫描点所在位置的径向角度和轴向深度的编码值,从而使计算机能根据采样数据精确地重建被扫描表面的轮廓图象。目前,激光轮廓测量系统已具有每分钟扫查5m长的管道、采样一百万次的能力,对管道内径的测量精度可达5m,采样点的空间分辨力可达到0.025mm,因此可对极微小的缺陷进行探测。利用计算机能快速处理大量数据的特点完成对测试数据的筛选,将超过设定门槛值的缺陷位置及大小的信息以列表的方式显示在计算机屏幕上,另外还可提供被检管道任意位置的横截面图、轴向内表面展开图和三维立体图。3应用与发展1987年美国奎斯特联合公司(QuestIntegratedInc.)开发成功第一套激光轮

9、廓测量系统,用于军舰图2探头结构示意图上锅炉管道的检测。检测系统在美国海军舰船系统工程基地(NAVSSES)仅使用3a,就节约了超过30亿美元的锅炉管道维修更新费用。在此后的十几年中,奎斯特公司开发了系列激光管道检测系统(LOTIS),其应用领域包括能源、化工、航空航天及军工等行业部门,可定量检测出各种尺寸管道内壁表面裂纹、腐蚀等缺陷,其测量精度和分辨力远远高于其它管道无损检测方法,特别适用于非接触、高精度、定量检测的应用场合。同时,我们应看到,发展激光轮廓测量技术并不是要取代现有的管道检测的涡流法和超声法,因为激光轮廓测量方法只能检测物体表面,要全面掌握被测对象的情况,必须结合多种无损检测方

10、法,取长补短。目前,已研究出将激光轮廓测量法与涡流或超声法结合的管道检测系统。图?401? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.标准分享网 免费下载 戴蓉:激光轮廓测量技术在无损检测中的应用3为奎斯特公司最新研制出的一套用于石化提炼炉管道检测的系统示意图4。系统将激光轮廓测量和超声测厚结合起来,采用水流推动探头以0.61m?s的速度通过管道,610m长的弯曲管道只需几分钟就可完成数据采集。光学传感舱以600r?min的角速度旋转,其通过管道的速度由舱内放置的三个加速度传感器测得,每旋转一周

11、测一次;超声传感舱内有8或16个周向均布的图4检测结果图形显示激光轮廓测量技术在无损检测领域虽然仅有十几年的应用历史,但由于其检测的高精度、高效率、高分辨力、非接触检测,能提供定量检测结果及检测对象的多方位图形显示等特点,已在管道等产品的无损检测中显示出巨大的实力,随着激光轮廓测量技术的发展以及与涡流、超声等常规无损检测方法的结合应用,可以预见,激光轮廓测量技术必将得到越来越广泛的应用。参考文献1JamesDoyle.Theexpandinguseoflasersin4结束语nondestructivetesting.MaterialsEvaluation,1999,57(4):426-430

12、2RobertW.Laser2opticaltriangulationsystemsprovidenewcapabilitiesforremoteinspectionofinterior.MaterialsEvaluation,1995,53(12):1338-surfaces13453RichardD.Laserprofilometryasaninspectionmethod.MaterialsEvaluation,1999,forreformercatalysttubes57(4):420-4224TomCowling.Innovativefurnacetubeinspectionsyst

13、em.MaterialsEvaluation,1999,57(4):447-449图3测量系统示意图收稿日期:1999210227欢迎订阅2001年度柴油机使用维修者的良师设计研究者的益友柴油机是柴油机专业应用技术期刊,内容注重实用、有效。本刊及时报道国内外柴油机行业的新产品、新技术、新工艺,使用维修、管理营运方面的新方法、新经验,以及行业的技术动态信息。适合柴油机设计、制造、使用维修技术人员、管理人员和院校师生阅读。柴油机为双月刊,单月发行,订价每本?402? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.5.00