一种真空高温锻造炉内锻件偏振在线检测装置的制作方法

本发明涉及激光检测，具体涉及一种真空高温锻造炉内锻件偏振在线检测装置。

背景技术：

1、真空高温等温锻造（1000~1500℃）是航空、核电、高端装备关键零件的核心制造工艺。锻造过程中，坯料在真空炉内经预热至工艺温度后送入模具型腔，合模施压完成锻造，随后下顶杆将锻件顶出模具型腔。锻件脱模后的位置、姿态和轮廓完整性直接决定产品质量，偏位、缺料、欠压等缺陷若不能及时发现，将导致批量废品。因此，锻造过程中对锻件的实时在线检测至关重要。

2、常规检测手段主要是视觉检测或红外检测。视觉检测方法是利用目标与背景之间在亮度、色温或光谱分布上的差异，通过成像传感器捕获这些差异并经图像处理实现目标识别。其物理基础是不同物体因温度不同或材质不同，其辐射或反射的光强度和光谱特征存在可观测的差别。然而，在真空高温等温锻造环境中，锻件、模具和炉壁均被加热至相同的锻造工艺温度，根据基尔霍夫热辐射定律，处于热平衡状态的物体其辐射出射度仅取决于温度和表面发射率。由于高温金属表面在长时间高温保温后表面状态趋于一致（氧化、合金元素扩散等），各表面的发射率差异极小，导致各表面的黑体辐射亮度、色温和光谱分布趋于一致。

3、红外测温方法的工作原理是通过检测物体表面辐射的红外能量，依据普朗克辐射定律反推物体表面温度，利用不同物体之间的温度梯度实现区分和定位。其物理基础也是目标与背景之间存在可测量的温度差异。然而，在真空高温等温锻造环境中，坯料在预热区已独立加热至锻造工艺温度后才送入模具型腔，锻件与模具经过合模施压的充分热交换过程后达到热平衡状态，两者温度一致。炉壁同样处于同一温度区间。因此锻件、模具与炉壁之间不存在可测量的温度梯度。

4、因此，现在常规的视觉检测方法、红外检测方法在真空高温等温、同亮度、同光谱强黑体辐射环境下，因目标区域缺乏亮度差和温度差的物理基础，而导致难以基于视觉/红外的采集数据精准在线区分锻件与背景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种真空高温锻造炉内锻件偏振在线检测装置，以解决现有技术中因目标区域缺乏亮度差和温度差的物理基础，而导致难以基于视觉/红外的采集数据精准在线区分锻件与背景的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

3、一种真空高温锻造炉内锻件偏振在线检测装置，包括：

4、视窗组件，嵌装在真空高温锻造炉的炉壁通孔中，以在炉内高温环境与炉外常温环境之间形成光学透明通道；

5、共轴光束分合组件，设置在所述视窗组件的炉外侧，所述共轴光束分合组件具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第三端口朝向所述视窗组件，且所述共轴光束分合组件被设置为能够将从所述第一端口输入的光引导至所述第三端口输出，以及将从所述第三端口输入的光引导至所述第二端口输出；

6、主动线偏振激光发射模组，其发射端朝向所述第一端口，以使其发射的线偏振激光依次经所述第一端口和所述第三端口穿过所述视窗组件，沿所述光学透明通道的主光轴射入炉内，照射锻件表面以及炉壁和模具表面；

7、偏振滤波成像接收模组，其接收端朝向所述第二端口，以使得锻件表面以及炉壁和模具的反射光沿所述主光轴原路返回后，依次经所述第三端口和所述第二端口进入所述偏振滤波成像接收模组。

8、进一步地，所述共轴光束分合组件包括偏振分束器和四分之一波片；

9、所述偏振分束器设置在所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口的交汇处，所述四分之一波片设置在所述偏振分束器与所述视窗组件之间的所述主光轴上。

10、进一步地，所述偏振分束器为偏振分束立方棱镜，所述偏振分束立方棱镜的分束面对所述第一端口和所述第三端口之间沿所述主光轴方向入射的第一偏振方向的线偏振光进行透射，对从所述第三端口沿所述主光轴方向入射的、与所述第一偏振方向正交的第二偏振方向的线偏振光进行反射并引导至所述第二端口。

11、进一步地，所述四分之一波片的快轴方向与所述主动线偏振激光发射模组发射的线偏振激光的偏振方向成42°~48°夹角。

12、进一步地，所述主动线偏振激光发射模组发射的第一线偏振激光以第一偏振方向进入所述偏振分束器并被透射至所述第三端口；

13、以所述第一偏振方向从所述第三端口输出的所述第一线偏振激光，依次穿过所述四分之一波片和所述视窗组件射入炉内，经所述锻件表面镜面反射后偏振方向转变为第二偏振方向；

14、以所述第二偏振方向反射的第二线偏振激光沿原光路返回，依次穿过所述视窗组件和所述四分之一波片进入所述偏振分束器，被反射至所述第二端口b进入所述偏振滤波成像接收模组；

15、其中，经炉壁和模具表面漫反射的光其偏振态被随机化，穿过所述四分之一波片后部分被所述偏振分束器反射至所述第二端口，以对锻件镜面反射光和炉壁和模具表面漫反射光的选择性分光。

16、进一步地，所述视窗组件包括蓝宝石透光基体，所述蓝宝石透光基体的炉内侧表面镀覆有抗金属蒸发防护镀膜层，所述蓝宝石透光基体与所述炉壁通孔之间设有真空密封结构；

17、所述蓝宝石透光基体以斜置方式安装于所述炉壁通孔中，所述蓝宝石透光基体的法线方向与所述主光轴成一预设斜角，使所述蓝宝石透光基体前后表面的反射光偏离所述主光轴。

18、进一步地，所述真空高温锻造炉采用外层炉壳和内层加热炉胆双层结构，所述炉壁通孔包括在所述外层炉壳上开设的炉壳通孔和在所述内层加热炉胆对应位置开设的炉胆通孔，所述炉壳通孔与所述炉胆通孔同轴设置，所述视窗组件嵌装在所述炉壳通孔中，并使其朝内的端部抵接所述炉胆通孔；

19、其中，所述主光轴与所述炉壳通孔、所述炉胆通孔和所述视窗组件的轴线重合。

20、进一步地，所述炉胆通孔为长圆孔或腰形孔，其长度方向与所述内层加热炉胆的热膨胀方向相同，以补偿所述内层加热炉胆在升温过程中的热膨胀位移。

21、进一步地，所述偏振滤波成像接收模组包括沿光路依次设置的窄带带通滤光片、分焦平面偏振图像传感器、成像光学镜头；

22、所述窄带带通滤光片的中心波长与所述主动线偏振激光发射模组发射的激光波长相匹配，用于滤除炉内黑体热辐射噪声；

23、所述分焦平面偏振图像传感器的像元上集成有多个方向的微偏振阵列，用于单次曝光实时采集偏振图像；

24、所述成像光学镜头设置在所述窄带带通滤光片朝向所述第二端口的一侧，用于将经所述窄带带通滤光片滤光后的光成像至所述分焦平面偏振图像传感器的靶面上。

25、进一步地，所述主动线偏振激光发射模组包括线偏振激光器和准直整形透镜组，所述线偏振激光器发射的激光经所述准直整形透镜组准直整形后以平行光束进入所述第一端口。

26、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

27、本发明通过在炉壁通孔中嵌装耐高温透光材料视窗组件，在视窗炉外侧设置共轴光束分合组件，将主动线偏振激光发射模组和偏振滤波成像接收模组耦合至同一视窗，共用同一段穿过炉壁的主光路，构建了从炉外到炉内再返回的完整偏振检测通道，且利用锻件表面镜面反射保留偏振特性与模具/炉壁漫反射去偏振之间的物理差异，实现等温同亮同光谱环境下锻件与背景的精准区分。