一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置。


背景技术：

2.飞机结构复杂曲面特征常见于铰链臂、加强框、工字梁、角盒以及接头等构件中。曲面构件在制造和使用过程中容易产生应力集中区域并导致不连续性缺陷。特别是经过仿生、拓扑及一体化优化设计后的增材制造金属构件，往往具有复杂形状曲面结构特征，曲面构件在成形过程中容易出现翘曲变形及冶金缺陷，降低构件力学性能，影响其使用安全。为了保障飞机增材制造曲面构件的安全使用，采用可靠的无损检测技术及时检出曲面构件存在的缺陷是十分必要的。但是，由于增材制造金属构件的复杂形状曲面结构特征影响，现有无损检测技术在曲面构件的检测可达性、检测结果可靠性及缺陷量化评价方面存在不足。
3.用于复杂形状曲面构件的常规渗透检测技术仅能检测表面开口缺陷，不能检测闭合的近表面缺陷且难以进行数字化缺陷评定分析。现有光学成像检测技术仅能检测表面大尺寸宏观缺陷，难以检测表面微小缺陷及近表面缺陷。常规的超声检测和涡流检测等探头式无损检测技术存在检测效率低、缺陷检测可靠性受探头的耦合及提离效应影响大等问题。为了提高曲面构件的缺陷检测效率和检测精度，直观地给出曲面构件表层缺陷的位置、尺寸、取向及形状等信息，进而快速准确地实现曲面构件表面和近表面缺陷检测与量化评价，研发一种可用于增材制造曲面构件的新型可视化成像无损检测装置及方法已成为迫切需要。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了如下技术方案：
6.一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，包括信号发生器、功率放大器、激励线圈、导磁模块、成像模块和检测终端；
7.所述信号发生器输出端分别与功率放大器输入端和成像模块输入端电连接；
8.所述功率放大器输出端与激励线圈输入端电连接；
9.所述激励线圈设置于导磁模块的导磁杆体上；
10.所述导磁模块与曲面构件检测面通过电磁场耦合；
11.所述成像模块输出端与检测终端输入端电连接。
12.可选的，所述信号发生器用于输出短时脉冲激励至功率放大器输入端，以及输出触发控制信号至成像模块输入端以实现外部触发及瞬时的同步图像捕捉。
13.可选的，所述激励线圈缠绕在导磁模块的两个导磁杆体上，两个导磁杆体上的两组激励线圈缠绕方向、匝数和线径均相同。
14.可选的，所述导磁模块包括两个导磁杆体和连接在导磁杆体两端的两个导磁板体，两个导磁杆体间隔设置，两个导磁板体间隔设置。
15.可选的，所述导磁模块的导磁板体包括上部结构和下部结构，所述上部结构和所述下部结构通过榫卯结构紧密连接，所述下部结构背离所述上部结构的一侧设置弧形端面，弧形端面与曲面构件检测面的轮廓形状相匹配，导磁板体下沿的弧形端面与曲面构件检测面的间隙距离恒定。
16.可选的，所述导磁模块设置于靠近曲面构件检测面但不与检测面接触的位置，导磁模块的两个导磁杆体和两个导磁板体限定出检测区域。
17.可选的，所述成像模块包括红外热像仪、结构光模块和光学相机，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机的固定位置、接收端朝向及成像覆盖区域均相同，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机均固定在一个支架上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机三者间隔等距的位于一圆形轨迹上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机将所述圆形轨迹分割为三段长度相等的圆弧段。
18.可选的，所述成像模块设置于导磁模块正上方且接收端朝向及成像覆盖区域为导磁模块所限定检测区域的曲面构件检测面。
19.通过采用上述技术方案，使得本实用新型具有以下有益效果：
20.采用本实用新型的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置后，通过采集增材制造曲面构件表面温度分布、几何形状和光学图像信息，建立多模态电磁热三维成像检测扫查图，可用于曲面构件表面和近表面缺陷检测，相较现有技术，该检测装置能够实现增材制造曲面构件的非接触快速高分辨率成像扫查，解决了曲面构件的弧面及曲率、检测探头的耦合及提离效应影响的难点问题，提高了曲面构件表层缺陷检测效率和检测精度，获得的多模态电磁热三维成像检测扫查图可直观地给出曲面构件表层缺陷的位置、尺寸、取向及形状等信息，有助于曲面构件表面和近表面缺陷检测及其量化评价；
21.本实用新型适用于包括但不仅限于增材制造曲面构件表层的气孔、未熔合、裂纹和夹杂物缺陷检测，适用于复杂形面不同曲率构件的外表面和内表面表层缺陷检测。本实用新型还适用于传统制造工艺金属构件或其他导电材料(如复合材料)包括但不仅限于铸件、锻件、机加件或焊接件的板材、棒材、管材及其他复杂形面构件的表面和近表面缺陷检测。
22.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
23.本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
24.附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
25.图1为本实用新型一个实施例提供的检测装置系统组成示意图；
26.图2为本实用新型一个实施例提供的检测装置导磁模块示意图；
27.图3为本实用新型一个实施例提供的检测装置成像模块示意图；
28.图4为本实用新型一个实施例实施时检测区域的电磁热多物理场分布示意图；
29.图5为本实用新型一个实施例实施时检测区域的温度分布示意图。
30.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
31.1、信号发生器；2、功率放大器；3、激励线圈；4、导磁模块；401、导磁杆体；402、导磁板体；5、成像模块；501、红外热像仪；502、结构光模块；503、光学相机；6、检测终端；7、曲面构件；8、不连续；9、磁力线；10、电涡流；11、温度分布信息。
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.参见图1，本实用新型实施例提供了一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，包括：信号发生器1、功率放大器2、激励线圈3、导磁模块4、成像模块5和检测终端6；
36.在一种可能的实施方案中，所述信号发生器1的输出端分别与所述功率放大器2输入端和成像模块5的输入端电连接；所述功率放大器2的输出端连接于所述激励线圈3的输入端；所述激励线圈3可以设置于所述导磁模块4的导磁杆体401上；所述导磁模块4与曲面构件7检测面通过电磁场耦合；所述成像模块5的输出端连接于所述检测终端6(如计算机)的输入端；所述检测终端6的输出端可以连接所述信号发生器1的输入端，所述信号发生器1用于输出短时脉冲激励至功率放大器2输入端，以及输出触发控制信号至成像模块5输入端以实现外部触发及瞬时的同步图像捕捉。例如，当信号发生器输出短时脉冲激励至功率放大器2输入端的同时还向成像模块5输入端输出触发控制信号，触发成像模块采集图像，如此实现了外部触发及瞬时的同步图像捕捉。
37.在一种可能的实施方案中，所述激励线圈3可以缠绕在所述导磁模块4的两个导磁杆体401上，两个导磁杆体401上的两组激励线圈3的缠绕方向、匝数和线径均相同。
38.参见图2，在一种可能的实施方案中，所述导磁模块4包括：两个导磁杆体401和分别连接于两个导磁杆体401两端的两个导磁板体402；
39.该实施方案中，两个导磁杆体401间隔设置，通过设置两个导磁杆体401可以方便分别缠绕两组激励线圈3，两个导磁杆体401间隔且平行设置，两个导磁杆体401位置相对，从而使得两组激励线圈3位置相对，两组激励线圈3的缠绕方向、匝数和线径相同进一步确
保导磁模块4限定的检测区域激励磁场均衡，给曲面构件7检测面创造均衡的磁场环境；
40.该实施方案中，两个导磁板体402间隔设置，两个导磁板体402平行且位置相对，通过设置两个导磁板体402可以与两个导磁杆体401组成所包围区域为中空的磁轭式结构；导磁板体402可以为t字形板，包括主板和位于主板两侧的凸耳，两个凸耳分别用于连接两个导磁杆体401，凸耳的设计节约了材料，且方便了导磁杆体401和导磁板体402的装配。
41.在一种可能的实施方案中，所述导磁模块4的两个导磁板体402均包括上部结构和下部结构，所述上部结构和所述下部结构通过榫卯结构紧密连接，榫卯连接结构的设计方便了导磁板体402下沿的替换或更换以提高导磁模块4对不同几何形状曲面构件7的适用性，导磁板体402的下部结构的下沿设置弧形端面，弧形端面和所述曲面构件7检测面的轮廓形状相匹配；弧形端面和曲面构件7检测面具有间隙，且在沿弧形端面的长度方向上，所述间隙宽度恒定，进一步确保导磁模块4限定的检测区域激励磁场均衡，避免曲面构件7检测面的弧面或曲率带来的不利影响，给曲面构件7检测面创造均衡的磁场环境；弧形端面和曲面构件7检测面之间不干涉，避免导磁模块4和曲面构件7的表面摩擦接触，对曲面构件7表面造成损伤。
42.在一种可能的实施方案中，所述导磁模块4设置于靠近曲面构件7检测面但不与检测面接触的位置，使得导磁板体402下沿的弧形端面能够和曲面构件7检测面精准配合，导磁模块4与曲面构件7检测面表层通过电磁场耦合，导磁模块4的两个导磁杆体401和两个导磁板体402的下沿限定出检测区域。在实施检测时，可以调节导磁模块4和/或曲面构件7的相对位置，使得导磁模块4沿曲面构件7受检表面非接触地进行移动式扫描检测。
43.参见图3，在一种可能的实施方案中，所述成像模块5包括：红外热像仪501、结构光模块502和光学相机503，所述红外热像仪501、结构光模块502和光学相机503均固定在一个圆形支架上，三者至圆形支架中心位置的距离相同且相互间隔120
°
，或者，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机均固定在一个支架(可以为非圆形)上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机三者间隔等距的位于一圆形轨迹上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机将所述圆形轨迹分割为三段长度相等的圆弧段。三者的接收端朝向及成像覆盖区域一致，即均朝向曲面构件7表面检测区域进行成像；
44.该实施方案中，所述成像模块5可以设置于导磁模块4的正上方，接收端朝向导磁模块4限定出的检测区域，检测区域为导磁模块4的两个导磁杆体401和两个导磁板体402所包围区域的曲面构件7检测面表层，接收端朝向可以与曲面构件7检测表面垂直。在实施检测时，可以调节成像模块5和/或曲面构件7的相对位置，使得成像模块5与导磁模块4一起沿曲面构件7受检表面非接触地进行移动式扫描成像检测。
45.采用上述检测装置对增材制造曲面构件实施检测时，流程如下：
46.步骤s1：所述信号发生器1周期产生短时脉冲激励，所述功率放大器2将短时脉冲激励功率放大后输出至所述激励线圈3，在激励线圈3中产生短时脉冲电流，进而产生瞬态激励磁场，所述导磁模块4将瞬态激励磁场传到所述曲面构件7检测面表层，在曲面构件7检测面表层通过电磁感应产生电涡流10，电涡流10基于焦耳热效应对曲面构件7检测面表层感应加热引起温度分布信息11，所述成像模块5的红外热像仪501采集曲面构件7检测面的温度分布信息11转换成可视热图像检测信号并传输至所述检测终端6；
47.步骤s2：所述成像模块5的结构光模块502获取所述曲面构件7检测面的位置和深
度信息转换成点云数据及深度图像检测信号并传输至所述检测终端6；
48.步骤s3：所述成像模块5的光学相机503对所述曲面构件7检测面进行光学成像并将光学图像检测信号传输至所述检测终端6；
49.步骤s4：所述检测终端6根据接收到的所述曲面构件7检测面的可视热图像检测信号、点云数据及深度图像检测信号、光学图像检测信号，分别提取能够反映缺陷特征的所述曲面构件7检测面温度分布信息、几何形状信息和颜色纹理及光强分布信息；
50.步骤s5：所述检测终端6基于提取的所述曲面构件7检测面温度分布信息、几何形状信息和颜色纹理及光强分布信息，进行多模态电磁热三维成像检测信息融合处理，并绘制多模态电磁热三维成像检测扫查图；
51.步骤s6：所述检测终端6将绘制的所述曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测扫查图实时显示在检测显示屏幕上，供检测人员观测评价。
52.采用上述检测装置对增材制造曲面构件实施检测时的原理及运行过程如下：
53.假设所述曲面构件7的表面或近表面存在不连续8，曲面构件7可以为飞机结构中的铰链臂、加强框、工字梁、角盒以及接头等构件，这些构件可以为金属材料或其他导电材料(如复合材料)构件，不连续8可以为曲面构件表层的气孔、未熔合、裂纹或夹杂物等缺陷。
54.参见图4，本发明检测装置及方法实施时检测区域的电磁热多物理场分布示意图，通过所述导磁模块4传到曲面构件7处的瞬态激励磁场的磁力线9分布在导磁模块4限定的检测区域，磁力线9的流向与导磁模块4两个导磁板件402之间的连线方向平行，磁力线9在曲面构件7检测面表层通过电磁感应产生电涡流10，电涡流10的流向与磁力线9正交分布，电涡流10在曲面构件7检测面表层具有一定渗透深度，当曲面构件7检测面表层出现不连续8时，不连续8阻碍并改变电涡流10的流向和分布，电涡流10在曲面构件7检测面表层的不连续8附近引起能够反映不连续8的缺陷特征的温度分布信息11，所述成像模块5的红外热像仪501采集到的可视热图像检测信号将异于之前采集到的曲面构件7表层无不连续8时的可视热图像检测信号，这种差异将同步显示在所述检测终端6绘制的曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测扫查图中，用于曲面构件7的表面和近表面缺陷评价。
55.在一种可能的实施方案中，所述曲面构件7检测面存在较明显的翘曲变形或尺寸偏差时，所述成像模块5的结构光模块502采集到的点云数据及深度图像检测信号复原得到的曲面构件7检测面的几何形状三维测量数据，将异于曲面构件7设计图纸和/或数字模型给定的几何尺寸数据，这种差异将同步显示在所述检测终端6绘制的曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测扫查图中，用于曲面构件7的外观形状和尺寸精度评价。
56.在一种可能的实施方案中，所述曲面构件7检测面存在较大尺寸的表面开口不连续8，不连续8的缺陷几何特征使得所述成像模块5的光学相机503可分辨时，光学相机503对曲面构件7检测面光学成像获取的光学图像检测信号将异于之前获取到的曲面构件7表层无不连续8时的光学图像检测信号，这种差异将同步显示在所述检测终端6绘制的曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测扫查图中，用于曲面构件7的表面开口宏观缺陷评价。
57.参见图5，本发明检测装置及方法实施时检测区域的温度分布示意图，由于电磁热多物理场与不连续8的相互作用，在所述曲面构件7检测面表层的不连续8附近引起的温度分布信息11能够反映不连续8的位置、尺寸、取向及形状等信息。
58.当所述曲面构件7表层出现不连续8时，所述检测装置及方法采集到的反映不连续8的缺陷位置和几何特征的可视热图像检测信号、点云数据及深度图像检测信号、光学图像检测信号，将同步显示在所述检测终端6绘制的曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测扫查图中，所述检测终端6同时报警输出；所述检测终端6同时将该时刻和/或位置处曲面构件7检测面的多模态电磁热三维成像检测信号原始数据截取保存，供检测人员观测评价。
59.针对技术实现可行性验证，本发明提供的技术方案及实施例，已经采用多物理场有限元仿真分析方法针对含表层缺陷的金属材料复杂形状双曲面构件进行模拟验证，仿真分析结果如图5所示，验证结果表明本发明专利提案的技术方案可行。
60.以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。同时，凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，包括信号发生器(1)、功率放大器(2)、激励线圈(3)、导磁模块(4)、成像模块(5)和检测终端(6)；所述信号发生器(1)输出端分别与功率放大器(2)输入端和成像模块(5)输入端电连接；所述功率放大器(2)输出端与激励线圈(3)输入端电连接；所述激励线圈(3)设置于导磁模块(4)的导磁杆体上；所述导磁模块(4)与曲面构件(7)检测面通过电磁场耦合；所述成像模块(5)输出端与检测终端(6)输入端电连接。2.根据权利要求1所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述信号发生器(1)用于输出短时脉冲激励至功率放大器(2)输入端，以及输出触发控制信号至成像模块(5)输入端以实现外部触发及瞬时的同步图像捕捉。3.根据权利要求1所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述激励线圈(3)缠绕在导磁模块(4)的两个导磁杆体上，两个导磁杆体上的两组激励线圈(3)缠绕方向、匝数和线径均相同。4.根据权利要求3所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述导磁模块(4)包括两个导磁杆体和连接在导磁杆体两端的两个导磁板体，两个导磁杆体间隔设置，两个导磁板体间隔设置。5.根据权利要求4所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述导磁模块(4)的导磁板体包括上部结构和下部结构，所述上部结构和所述下部结构通过榫卯结构紧密连接，所述下部结构背离所述上部结构的一侧设置弧形端面，弧形端面与曲面构件(7)检测面的轮廓形状相匹配，导磁板体下沿的弧形端面与曲面构件(7)检测面的间隙距离恒定。6.根据权利要求4所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述导磁模块(4)设置于靠近曲面构件(7)检测面但不与检测面接触的位置，导磁模块(4)的两个导磁杆体和两个导磁板体限定出检测区域。7.根据权利要求1所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述成像模块(5)包括红外热像仪、结构光模块和光学相机，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机的固定位置、接收端朝向及成像覆盖区域均相同，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机均固定在一个支架上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机三者间隔等距的位于一圆形轨迹上，所述红外热像仪、结构光模块和光学相机将所述圆形轨迹分割为三段长度相等的圆弧段。8.根据权利要求1所述的一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，其特征在于，所述成像模块(5)设置于导磁模块(4)正上方且接收端朝向及成像覆盖区域为导磁模块(4)所限定检测区域的曲面构件(7)检测面。

技术总结
本实用新型公开了一种增材制造曲面构件电磁热成像检测装置，包括信号发生器、功率放大器、激励线圈、导磁模块、成像模块和检测终端；所述信号发生器输出端分别与功率放大器输入端和成像模块输入端电连接；所述功率放大器输出端与激励线圈输入端电连接；所述激励线圈同向缠绕在导磁模块上；所述导磁模块设置于靠近曲面构件检测面但不与检测面接触的位置；所述成像模块设置于导磁模块正上方且接收端朝向曲面构件检测面。本实用新型可用于采集曲面构件表面的温度分布、几何形状和光学图像信息，建立多模态电磁热三维成像检测扫查图，实现曲面构件表面和近表面缺陷检测，提高缺陷检测效率、检测精度和缺陷量化评价水平。检测精度和缺陷量化评价水平。检测精度和缺陷量化评价水平。


技术研发人员：高运来 刘卫 葛增如 张金玲 王裕
受保护的技术使用者：中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/8/8