一种裂纹检测方法及装置

本发明属于无损检测，涉及一种裂纹检测方法及装置。

背景技术：

1、航空发动机叶片长期工作于高温、高载荷以及复杂循环应力环境中，其表面容易产生疲劳裂纹、热疲劳裂纹以及加工损伤裂纹。裂纹的萌生和扩展会降低叶片结构完整性，严重影响航空发动机运行安全。因此，实现航空发动机叶片裂纹的快速、非接触和定量检测具有重要意义。

2、目前，航空发动机叶片裂纹检测方法主要包括超声检测、涡流检测、x射线检测以及光学检测等。其中，传统超声检测通常需要耦合介质，并且对于复杂结构叶片存在检测盲区；涡流检测容易受到材料电磁性能和裂纹方向影响；x射线检测设备复杂，难以满足现场快速检测需求；光学检测虽然能够获取裂纹几何信息，但对于污染、遮挡以及复杂服役环境适应性不足。

3、激光超声检测技术利用脉冲激光产生热弹性超声波，并通过激光干涉方式实现非接触接收，具有无需耦合、远距离检测以及适用于高温环境等优势，现有的双边激光超声表面波方法利用裂纹两侧激光激励和接收点，通过裂纹尖端反射瑞利波传播时间与裂纹宽度之间的几何关系，实现缺陷尺寸定量反演。该方法采用有限测点即可完成检测，避免传统超声成像方法需要大范围扫描的问题。

4、然而，航空发动机叶片裂纹通常具有开口尺寸小、反射信号弱以及表面散射严重等特点，导致反射瑞利波信号容易受到噪声和多路径波干扰，影响裂纹宽度计算精度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种裂纹检测方法及装置，用于解决现有的裂纹检测方法无法准确且高效的识别裂纹宽度的问题。

2、为达上述目的，本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种裂纹检测方法，包括：

4、根据待检测对象表面生成预设激光超声信号确定待检测对象表面裂纹的位置，对预设激光超声信号速度进行标定；

5、在裂纹两侧确定出处于同一直线上的第一激励点、第二激励点、第一接收点、第二接收点的位置，获取第一接收点的第一激光超声信号和第二接收点的第二激光超声信号；

6、对第一激光超声信号和第二激光超声信号进行基于超额峭度优化的pso-vmd分解与重构，得到第一重构信号和第二重构信号；

7、在预设时间窗口内，分别获取第一重构信号和第二重构信号对应的反射瑞利波的传播时间参数；

8、将所述传播时间参数输入预设的裂纹宽度模型中，得到裂纹的宽度。

9、对第一激光超声信号和第二激光超声信号进行基于超额峭度优化的pso-vmd分解与重构，得到第一重构信号和第二重构信号的方法为：

10、初始化pso算法，设定vmd分解的待优化变量范围，在所述待优化变量范围内对激光超声信号进行分解，得到多个模态分量和残余项，

11、

12、表示激光超声信号，表示第k个模态分量，k表示所分解的模态数量，表示残余项；

13、对所述多个模态分类进行相加得到重构信号；

14、

15、表示重构信号；

16、计算重构信号的超额峭度，对粒子速度和位置进行更新得到个体最优和全局最优参数；

17、重复上述的激光超声信号的分解、重构过程，直到达到pso算法的最大迭代次数；

18、将最大超额峭度对应的待优化变量值作为最优参数，基于最优参数对激光超声信号进行分解与重构。

19、所述超额峭度的计算方法为：

20、

21、其中，表示超额峭度，表示重构信号，表示重构信号的均值，表示重构信号的标准差。

22、所述初始化pso算法包括：初始化最大迭代次数、种群个数，vmd分解的变量范围包括：模态个数、惩罚因子大小。

23、所述裂纹宽度模型为：

24、

25、其中，表示所要测量的裂纹的宽度，表示两侧激励点的预设距离，、分别为第一接收点、第二接收点处反射瑞利波传播时间，表示第一激励点与裂纹尖端的距离，表示第二激励点与裂纹尖端的距离，表示第一激励点与第一接收点的距离，表示第二激励点与第二接收点的距离。

26、对预设激光超声信号速度进行标定的方法为，利用无裂纹区域直达瑞利波传播时间进行瑞利波传播速度标定：

27、

28、其中：为预设激励点与预设接收点之间距离；表示直达瑞利波的传播时间，表示瑞利波信号在叶片表面的传播速度，作为标定速度。

29、其特征在于，确定待检测对象表面裂纹的位置的方法为：

30、待检测区域的预设激励点处激励出激光超声信号，在预设接收点接收所述激光超声信号；

31、若在预设时间窗口内所述激光超声信号中既包含直达瑞利波，又包含反射瑞利波，则裂纹位于预设激励点的外侧；

32、若在预设时间窗口内所述激光超声信号中既不包含直达瑞利波，也不包含反射瑞利波，则裂纹位于预设激励点与接收点之间；

33、若在预设时间窗口内所述激光超声信号中仅包含直达瑞利波，则不存在裂纹或者靠近接收点的外侧存在裂纹，此时需要调整激励点和接收点的方位进行再次检测。

34、所述第一激励点和第二激励点处设置用于在待检测对象表面产生激光超声信号的脉冲激光器，第一接收点和第二接收点处设置用于检测激光超声信号的激光干涉测振仪。

35、第二方面，本发明提供一种用于实现上述方法的裂纹检测装置，所述装置包括：

36、标定模块，用于根据待检测对象表面生成预设激光超声信号确定待检测对象表面裂纹的位置，对预设激光超声信号速度进行标定，在裂纹两侧确定出处于同一直线上的第一激励点、第二激励点、第一接收点、第二接收点的位置；

37、获取模块，用于获取第一接收点的第一激光超声信号和第二接收点的第二激光超声信号；

38、分解与重构模块，用于对第一激光超声信号和第二激光超声信号进行基于超额峭度优化的pso-vmd分解与重构，得到第一重构信号和第二重构信号；在预设时间窗口内，分别获取第一重构信号和第二重构信号对应的直达瑞利波和反射瑞利波的传播时间参数；

39、宽度计算，用于将所述传播时间参数输入预设的裂纹宽度模型中，得到裂纹的宽度。

40、控制器，所述控制器用于控制脉冲激光器的发射频率以及激光干涉测振仪的采样频率，保证第一激光超声信号和第二激光超声信号时间同步。

41、有益效果

42、本发明的裂纹检测方法及装置，采用激光激励和激光干涉接收，无需耦合剂，适用于航空发动机叶片现场检测；无需c扫描或全场成像，仅利用裂纹两侧有限检测点即可获得裂纹宽度，测量效率高；针对反射瑞利波信号强度弱识别困难的问题，通过pso-vmd优化算法，提高对反射瑞利波的识别能力，保证测量准确率。

1.一种裂纹检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，对第一激光超声信号和第二激光超声信号进行基于超额峭度优化的pso-vmd分解与重构，得到第一重构信号和第二重构信号的方法为：

3.根据权利要求2所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述超额峭度的计算方法为：

4.根据权利要求2所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述初始化pso算法包括：初始化最大迭代次数、种群个数，vmd分解的变量范围包括：模态个数、惩罚因子大小。

5.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述裂纹宽度模型为：

6.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，对预设激光超声信号速度进行标定的方法为，利用无裂纹区域直达瑞利波传播时间进行瑞利波传播速度标定：

7.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，确定待检测对象表面裂纹的位置的方法为：

8.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述第一激励点和第二激励点处设置用于在待检测对象表面产生激光超声信号的脉冲激光器，第一接收点和第二接收点处设置用于检测激光超声信号的激光干涉测振仪。

9.一种用于实现权利要求1至8任一项所述方法的裂纹检测装置，其特征在于，所述装置包括：

10.根据权利要求9所述的裂纹检测装置，其特征在于，包括：