【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属无损检测，尤其涉及一种金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法与系统。
技术介绍
1、晶粒组织的状态直接影响金属构件的材料强度、韧性、疲劳等关键性能指标，通过对异常的晶粒组织(粗晶、混晶等)准确检测和识别，可以确保金属构件在极端环境下的可靠性，进而保障机械装备的安全性和整体性能。因此，在航空航天、机械等工业领域，对金属构件进行晶粒组织检测具备极其重要的工程意义。然而，目前的晶粒组织检测手段通常需要在构件上进行取样，属于破坏性检测，为此迫切需要研发一种能够对大尺寸金属构件进行原位检测的先进方法，不仅有助于提高检测效率，而且能够更好地维护设备、保障产品质量，并在工程和制造中发挥关键作用。
2、目前，用于晶粒组织检测的主要方法主要依赖金相显微镜、扫描电镜以及透射电镜等昂贵设备，这些方法通过对金属试样进行观测，提供了较高的表面或空间分辨率，能够详细观察晶粒的形状和分布。然而，这些方法存在明显局限性：首先，对试样表面质量要求较高，其次，操作耗费时间且经济成本较高。最为重要的是，它们无法满足对大尺寸构件的原位检测需求。为此，迫切需要开发一种金属构件晶粒组织高效原位检测方法，以解决现有方法的不足之处。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出了一种无需切割金属构件、不会对金属构件造成损伤的非接触式的晶粒组织电光原位无损检测方法与系统。
2、本专利技术的技术方案是这样实现的：
3、一方面，本专利技术提供了金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，包括
4、s1：根据金属构件的表面质量，选择性地对待测区域进行预处理；
5、s2：通过在金属构件表面的待测区域的两端施加多脉冲交变电流来升温金属构件，结合热传导方程以及非线性回归模型，建立被测金属构件参数与电流参数之间的关系；
6、s3：使用红外热像仪获取金属构件表面的待测区域的温度矩阵，并结合图像增强算法生成高对比度红外图像；
7、s4：使用深度相机获取待测区域的像素分布以及深度信息图，确定待测区域的像素点在世界坐标系下的真实尺寸；
8、s5：标定深度相机与红外热像仪，通过图像配准算法得到待测区域的温度分布点的三维深度信息，根据具有三维深度信息的像素图计算出晶粒的尺寸。
9、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1的具体内容是，对于表面平整光滑且无污渍的构件可直接进行无损检测，对于低质量表面，需要对构件待测区域进行局部抛光，根据构件材料选择相应腐蚀剂对待测区域进行局部腐蚀、清洗，提升表面质量。
10、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中所述的通过在金属构件表面待测区域的两端施加多脉冲交变电流来升温金属构件，其中多脉冲交变电流i(t)随时间t变化的函数关系表示为：a0为电流的初始振幅；τ为脉冲宽度；f为脉冲频率；pn(t)＝p1(t)、p2(t)、...、pn(t)为矩形脉冲函数，i为矩形脉冲值，[a，b]为矩形脉冲的宽度。
11、优选的，步骤s2中所述的通过结合热传导方程以及非线性回归模型建立被测金属构件参数与电流参数之间的关系，是令金属构件的热传导方程为：其中ρ为金属构件的密度，cp是金属构件的比热容，r是金属构件的热导率，t是温度分布，q是脉冲电流产生的单位体积热源，表示梯度；为建立热输入量与材料物理属性之间的关系，分别用k1、k2、k3来描述金属构件的材料密度ρ、比热容cp和热导率r，采用多元回归法建立热输入量与金属构件的材料物理属性之间的非线性回归模型：其中c0、cm、cmn、cnn均为回归系数；为热输入量的估算值；联立金属构件的热传导方程和热输入量与金属构件的材料物理属性之间的非线性回归模型，得到构件参数与电流参数之间的关系：r为金属构件的电阻；[t1，t2]表示单个周期内金属构件局部升温的持续时间。
12、优选的，所述金属构件局部升温的单个周期持续时间不超过1毫秒，且确保金属构件整体升温不超过金属构件的回复温度。
13、优选的，步骤s3的具体内容是，在红外热像仪的镜头前方设置光学倍镜，结合光学倍镜和红外热像仪，放大待测区域，使金属构件表面的待测区域的图像的像素分辨率达到微米级；获取金属构件待测区域的温度矩阵，结合图像增强算法将温度矩阵转换为高对比度红外图像。
14、优选的，步骤s5所述的通过图像配准算法得到待测区域的温度分布点的三维深度信息，是通过深度相机获取测量光到待测区域各深度图像素点的往返飞行时间，从而得到金属构件待测区域各深度图像素点的深度值，用dl表示第l个像素点的深度值，则s个金属构件待测区域的深度图像素点的深度信息表示为d＝{d1，d2，...，ds}；而像素分布p＝{p1，p2，...，ps}表示深度图像素点的平面坐标，p1，p2，...，ps为二维向量，通过对齐像素图像与红外图像之间的共同特征区域的方式来进行图像配准，通过图像配准来融合像素分布p和深度信息d，建立每个红外图像素点的三维点云模型w＝{(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，...，(xs，ys，zs)}，三个轴向分别指代了平面坐标和深度信息。
15、优选的，步骤s5中所述的根据具有三维深度信息的像素图计算出晶粒的尺寸，是使用网格覆盖提取的晶粒轮廓区域，通过格点计数法来统计每个晶粒轮廓区域内红外图像素的数量，从而计算出晶粒尺寸。
16、另一方面，本专利技术提供了一种金属构件晶粒组织电光原位无损检测系统，包括：
17、金属构件，表面具有待测区域；
18、夹具，用于夹持金属构件；
19、脉冲电流发生器，用于产生脉冲电流信号；
20、脉冲电流电极，设置在金属构件的表面并与所述脉冲电流发生器电性连接，用于将脉冲电流信号导入金属构件；
21、红外热像仪，对准金属构件的待测区域，用于获取金属构件待测区域的温度分布的红外图像，根据温度分布的红外图像获得金属构件待测区域的温度矩阵；
22、深度相机，对准金属构件的待测区域，用于获取待测区域的像素分布以及深度信息图；
23、工作站，与红外热像仪和深度相机信号连接，使用上述的方法，将温度矩阵中任一点与世界坐标系的对应点的关联，用于融合像素分布和深度信息，计算晶粒的尺寸。
24、优选的，还包括光学倍镜，光学倍镜固定设置在红外热像仪的镜头前方，且光学倍镜的光轴与红外热像仪的光轴重合设置。
25、本专利技术提供的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法与系统，相对于现有技术，具有以下有益效果：
26、1)本方案采用多脉冲交变电流作用于构件待测区域，根据被测构件材料/尺寸特点采用不同的多脉冲交变电流能量密度，将多脉冲交变电流以接触的方式加载与构件被测区域两端，利用多脉冲交变电流在构件表面/亚表面的靶向汇集作用，使晶界和晶内产生微小温度差，便于被红外热像仪获取，从而得到红外图像的各像素的温度值的温度矩阵；
27、2)整个通电过程控制在毫秒以内，整体本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S1的具体内容是，对于表面平整光滑且无污渍的构件可直接进行无损检测，对于低质量表面，需要对构件待测区域进行局部抛光，根据构件材料选择相应腐蚀剂对待测区域进行局部腐蚀、清洗，提升表面质量。
3.根据权利要求1所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S2中所述的通过在金属构件表面待测区域的两端施加多脉冲交变电流来升温金属构件，其中多脉冲交变电流I(t)随时间t变化的函数关系表示为：A0为电流的初始振幅；τ为脉冲宽度；f为脉冲频率；pN(t)＝p1(t)、p2(t)、...、pn(t)为矩形脉冲函数，i为矩形脉冲值，[a，b]为矩形脉冲的宽度。
4.根据权利要求3所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S2中所述的通过结合热传导方程以及非线性回归模型建立被测金属构件参数与电流参数之间的关系，是令金属构件的热传导方程为：其中ρ为金属构件的密度，Cp是金属构件的比热容，
5.根据权利要求4所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，所述金属构件局部升温的单个周期持续时间不超过1毫秒，且确保金属构件整体升温不超过金属构件的回复温度。
6.根据权利要求3所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S3的具体内容是，在红外热像仪的镜头前方设置光学倍镜，结合光学倍镜和红外热像仪，放大待测区域，使金属构件表面的待测区域的图像的像素分辨率达到微米级；获取金属构件待测区域的温度矩阵，结合图像增强算法将温度矩阵转换为高对比度红外图像。
7.根据权利要求3所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S5所述的通过图像配准算法得到待测区域的温度分布点的三维深度信息，是通过深度相机获取测量光到待测区域各深度图像素点的往返飞行时间，从而得到金属构件待测区域各深度图像素点的深度值，用dl表示第l个像素点的深度值，则s个金属构件待测区域的深度图像素点的深度信息表示为D＝{d1，d2，...，ds}；而像素分布P＝{P1，P2，...，Ps}表示深度图像素点的平面坐标，P1，P2，...，Ps为二维向量，通过对齐像素图像与红外图像之间的共同特征区域的方式来进行图像配准，通过图像配准来融合像素分布P和深度信息D，建立每个红外图像素点的三维点云模型W＝{(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，...，(xs，ys，zs)}，三个轴向分别指代了平面坐标和深度信息。
8.根据权利要求7所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤S5中所述的根据具有三维深度信息的像素图计算出晶粒的尺寸，是使用网格覆盖提取的晶粒轮廓区域，通过格点计数法来统计每个晶粒轮廓区域内红外图像素的数量，从而计算出晶粒尺寸。
9.金属构件晶粒组织电光原位无损检测系统，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测系统，其特征在于，还包括光学倍镜，光学倍镜固定设置在红外热像仪的镜头前方，且光学倍镜的光轴与红外热像仪的光轴重合设置。
...【技术特征摘要】
1.金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤s1的具体内容是，对于表面平整光滑且无污渍的构件可直接进行无损检测，对于低质量表面，需要对构件待测区域进行局部抛光，根据构件材料选择相应腐蚀剂对待测区域进行局部腐蚀、清洗，提升表面质量。
3.根据权利要求1所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤s2中所述的通过在金属构件表面待测区域的两端施加多脉冲交变电流来升温金属构件，其中多脉冲交变电流i(t)随时间t变化的函数关系表示为：a0为电流的初始振幅；τ为脉冲宽度；f为脉冲频率；pn(t)＝p1(t)、p2(t)、...、pn(t)为矩形脉冲函数，i为矩形脉冲值，[a，b]为矩形脉冲的宽度。
4.根据权利要求3所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，步骤s2中所述的通过结合热传导方程以及非线性回归模型建立被测金属构件参数与电流参数之间的关系，是令金属构件的热传导方程为：其中ρ为金属构件的密度，cp是金属构件的比热容，r是金属构件的热导率，t是温度分布，q是脉冲电流产生的单位体积热源，表示梯度；为建立热输入量与材料物理属性之间的关系，分别用k1、k2、k3来描述金属构件的材料密度ρ、比热容cp和热导率r，采用多元回归法建立热输入量与金属构件的材料物理属性之间的非线性回归模型：其中c0、cm、cmn、cnn均为回归系数；为热输入量的估算值；联立金属构件的热传导方程和热输入量与金属构件的材料物理属性之间的非线性回归模型，得到构件参数与电流参数之间的关系：r为金属构件的电阻；[t1，t2]表示单个周期内金属构件局部升温的持续时间。
5.根据权利要求4所述的金属构件晶粒组织电光原位无损检测方法，其特征在于，所述金属构件局部升温的单个周期持续时间不超过1毫秒，...
【专利技术属性】
技术研发人员：华林，董康，钱东升，王丰，秦训鹏，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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