本发明属于超声检测，具体涉及一种圆柱形构件亚表面缺陷检测装置及方法。
背景技术：
1、圆柱形构件作为主要的支撑传动零件，广泛应用于工业生产的各个领域，如发动机曲轴、转动主轴头端、滚子轴承等。然而圆柱形构件在服役过程中由于承受循环载荷、交变应力等影响，极易产生隐藏在表面以下的亚表面缺陷。例如在极高循环疲劳状态时，滚子轴承疲劳裂纹萌生位置会从表面过渡到表面下夹杂物或孔隙，从而形成隐藏在表面之下的亚表面缺陷。亚表面缺陷的存在不利于关键结构的强度、性能和寿命。如果未能被及时检出，亚表面缺陷导致的应力集中会使得缺陷进一步扩张，最终将导致工件表面剥落，零部件失效。
2、目前针对亚表面缺陷的检测技术有x射线检测、红外热成像检测、电磁涡流检测、巴克豪森噪声检测、超声检测。其中x射线检测的扫查范围小，仅适用于小型构件，且x射线作为辐射源，对操作人员身体健康有潜在危害；除此之外，x射线检测设备通常价格昂贵，使用成本相对较高；红外热成像检测对裂纹检测精度低，而圆柱形构件中的亚表面缺陷通常仅为几毫米，红外热成像检测无法对亚表面缺陷深度进行准确测量；电磁涡流检测仅适合金属材料，对性质相近的缺陷检测存在困难，深度分辨率通常较低，对小尺寸的缺陷不容易检测到；巴克豪森噪声检测常用于检测应力、组织相变，而对缺陷检测使用较少。传统超声检测不适用于高温或高压环境，且应用时需要耦合介质，对于粗糙表面可能会出现信号失真，对于圆柱形构件，传统压电超声传感器无法完全与曲型表面贴合。
3、激光超声是一种非接触式、高精度、无损伤的新型超声检测技术，相比于空气耦合超声等方法具有更高的空间和时间分辨率。由于固体中的激光超声具有无接触、无需耦合剂、多模式同时激发、宽频带等特点，在材料缺陷检测中具有广泛的应用前景。在激光超声的各类波形中，激光超声激发的瑞利波能够沿曲面传播，通过瑞利波的波速，能够准确计算出缺陷的位置，因此激光超声技术对亚表面缺陷的定位具有很高的精度。不仅如此，激光超声具有很好的空间灵活性，仅需调整激励激光与探测激光两者之间的相对位置便可对复杂结构的零部件进行无损检测。由于圆柱形构件的曲型表面引起的几何色散，瑞利波在沿表面传播的过程中波形不断变化，致使通过计算缺陷反射波抵达时间得到的深度和位置精度下降。与此同时，亚表面缺陷的宽度是评价亚表面缺陷扩张程度的一个重要尺寸信息，对于后续修复维护具有指导意义，但现有技术中，未见有对亚表面进行缺陷宽度检测的报道。
4、由于圆柱形构件的曲型表面所引起的几何色散，瑞利波在沿其表面传播的过程中波形不断变化，致使通过计算缺陷反射波抵达时间得到的深度和位置精度下降。然而通过优化探测激光与激励激光的相对角度，使得采集到的瑞利波呈现单极性，这能够减少亚表面缺陷处各种转换波的影响，有效提高检测精度。
技术实现思路
1、本发明针对上述问题提供了一种圆柱形构件亚表面缺陷检测装置及方法。
2、为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
3、一种圆柱形构件亚表面缺陷检测装置，包括电动旋转平台、三爪卡盘、一号直线模组和二号直线模组，所述三爪卡盘安装在电动旋转平台上，所述三爪卡盘用于对待测工件进行固定，所述一号直线模组和二号直线模组靠近电动旋转平台设置，所述一号直线模组和二号直线模组相互抵接且相互垂直，在所述一号直线模组的滑块上安装有一号电动伸缩杆，在所述一号电动伸缩杆的上端固定设置有二号电动伸缩杆，所述二号电动伸缩杆垂直于一号直线模组，且平行于二号直线模组，在所述二号电动伸缩杆的活动端固定设置有脉冲激光聚焦探头，在所述二号直线模组的滑块上设置有旋转底座，在所述旋转底座上转动安装有三号电动伸缩杆，在所述三号电动伸缩杆的上端固定设置有四号电动伸缩杆，在所述四号电动伸缩杆的活动端固定安装有连续激光聚焦探头，所述电动旋转平台、一号直线模组、二号直线模组、一号电动伸缩杆、二号电动伸缩杆、三号电动伸缩杆和四号电动伸缩杆均与pc端连接，所述pc端还与脉冲激光器的控制端以及双波混合干涉仪的输出端连接，所述脉冲激光器与脉冲激光聚焦探头连接，用于发射脉冲激光，所述双波混合干涉仪与连续激光聚焦探头连接，用于将连续激光聚焦探头接收到的激光超声信号转化为电信号并传递至pc端。
4、进一步，在所述旋转底座上固定安装有旋转电机，在所述旋转电机的输出轴上固定连接有蜗杆，所述蜗杆啮合连接有蜗轮，所述蜗轮固定连接在三号电动伸缩杆的缸体上。
5、一种圆柱形构件亚表面缺陷检测方法，包括以下步骤：
6、步骤1，安装待测工件，以一号直线模组和二号直线模组的相交点为原点建立平面直角坐标系 x- y，所述一号直线模组位于 y轴上，所述二号直线模组位于 x轴上，设一号电动伸缩杆在 x- y坐标系中的坐标为（0， y），三号电动伸缩杆在 x- y坐标系中的坐标为（ x，0），待测工件在 x- y坐标系中的坐标为（ x0， y0）；
7、步骤2，调整脉冲激光聚焦探头位置，调整连续激光聚焦探头的位置及角度，使连续激光聚焦探头接收到的激光超声信号达到最优；
8、步骤3，通过电动旋转平台、一号电动伸缩杆和三号电动伸缩杆的配合，对待测工件进行逐层扫查，同步记录待测工件旋转角度、测量高度以及对应的激光超声信号；
9、步骤4，使用pc端对所采集到的激光超声信号进行分析，通过激光超声信号中瑞利波正峰值的变化情况判断待测工件是否存在亚表面缺陷，通过与之相对应的待测工件旋转角度和测量高度对亚表面缺陷的位置进行标定，通过计算激光超声信号中瑞利波的深度特征值对亚表面缺陷深度进行标定，提取激光超声信号中瑞利波的正峰值和负峰值，计算亚表面缺陷宽度；
10、步骤5，输出待测工件的亚表面缺陷信息，具体包括：是否存在亚表面缺陷，亚表面缺陷在待测工件上的位置、亚表面缺陷深度以及亚表面缺陷宽度。
11、进一步，所述步骤2，具体包括以下步骤：
12、步骤2.1，调节一号电动伸缩杆和三号电动伸缩杆的伸缩长度，使脉冲激光聚焦探头和连续激光聚焦探头与待测工件的上端面处于同一水平高度，即：
13、；
14、其中为三爪卡盘上端面的高度，为待测工件上端面到三爪卡盘上端面之间的距离，为脉冲激光聚焦探头和连续激光聚焦探头的高度；
15、步骤2.2，调节一号电动伸缩杆和三号电动伸缩杆的伸缩长度，使脉冲激光聚焦探头和连续激光聚焦探头下降2mm；
16、步骤2.3，通过一号直线模组调整一号电动伸缩杆的位置，移动一号电动伸缩杆至坐标点（0， y0），使脉冲激光聚焦探头正对待测工件；
17、步骤2.4，调节二号电动伸缩杆的伸缩长度，使得脉冲激光聚焦探头发射出的脉冲激光在待测工件表面形成大小为4mm×0.5mm的线光斑，所述线光斑与待测工件轴线相平行；
18、步骤2.5，调整连续激光聚焦探头的位置及角度，具体为：
19、步骤2.5.1，通过二号直线模组将三号电动伸缩杆移动至坐标原点处；
20、步骤2.5.2，通过旋转电机对四号电动伸缩杆的角度进行调整，使连续激光聚焦探头朝向待测工件所在坐标点（ x0， y0），此时坐标点（ x0， y0），坐标点（ x，0）和坐标点（ x0，0）之间构成直角三角形，坐标点（ x，0）为三号电动伸缩杆的坐标，为使连续激光聚焦探头朝向待测工件轴心，四号电动伸缩杆与二号直线模组之间的夹角满足：
21、；
22、步骤2.5.3，对四号电动伸缩杆的伸缩长度进行调整，使得连续激光聚焦探头发射出的连续激光在待测工件表面形成直径为2mm的圆形光斑；
23、步骤2.5.4，控制脉冲激光器通过脉冲激光聚焦探头发射脉冲激光，在待测工件表面激发激光超声波，连续激光聚焦探头采集激光超声信号，通过双波混合干涉仪将激光超声信号转化为电信号并传递至pc端，pc端储存激光超声信号并记录对应的三号电动伸缩杆坐标；
24、步骤2.5.5，通过二号直线模组将三号电动伸缩杆沿 x轴正方向步进，重复步骤2.5.2至步骤2.5.5，直至，其中为二号直线模组长度， m为三号电动伸缩杆的直线步进数；
25、步骤2.5.6，pc端分析所有采集到的激光超声信号，提取激光超声信号中瑞利波的正峰值和负峰值，标定取最大值时三号电动伸缩杆坐标（ x1，0）为最优检测位置，通过二号直线模组将三号电动伸缩杆移动至坐标点（ x1，0），重复步骤2.5.2和步骤2.5.3，完成连续激光聚焦探头位置及角度的调整。
26、再进一步，所述步骤3，具体包括以下步骤：
27、步骤3.1，通过电动旋转平台带动待测工件进行步进旋转，步进旋转角度，每次步进旋转之后均控制脉冲激光器通过脉冲激光聚焦探头发射脉冲激光，通过连续激光聚焦探头采集该位置的激光超声信号，通过双波混合干涉仪将激光超声信号转化为电信号并传递至pc端，pc端储存激光超声信号并记录对应的待测工件的旋转角度和测量高度，直至，其中 n为电动旋转平台的旋转步进数；
28、步骤3.2，对一号电动伸缩杆和三号电动伸缩杆同步进行步进缩短，步进缩短距离，并判断：
29、；
30、若不等式成立，则对待测工件的检测未完成，重复步骤3.1和3.2；
31、若不等式不成立，则完成待测工件亚表面缺陷的检测。
32、更进一步，所述步骤4，具体包括以下步骤：
33、步骤4.1，对待测工件无缺陷状态下的激光超声信号时域和频域信息进行标定；
34、步骤4.2，将步骤3采集到的激光超声信号与步骤4.1标定的激光超声信号进行峰值对比，分别标记出亚表面缺陷开始进入检测区域、完全进入检测区域、开始转出检测区域、完全转出检测区域时对应的旋转角度 α1、 α2、 α3、 α4，其中 α1为瑞利波正峰值最大值点， α2与 α3分别为瑞利波正峰值曲线中的两个负向峰值点， α4为瑞利波正峰值由最小值增大至步骤4.1标定的待测工件无缺陷状态下的瑞利波正峰值，检测区域为脉冲激光聚焦探头和连续激光聚焦探头之间的扇形区域，通过待测工件的旋转角度和测量高度对亚表面缺陷的周向位置进行标定；
35、步骤4.3，若通过峰值对比认定为该激光超声信号对应的位置存在亚表面缺陷，则通过pc端计算激光超声信号中瑞利波的深度特征值，对亚表面缺陷深度进行标定，具体为：
36、步骤4.3.1，对激光超声信号进行小波包分解，任意激光超声信号的小波包分解表示为：
37、；
38、；
39、式中： t为时间序列， i为频带阶次， j为小波分解层数， k为小波包分解参数，为小波包分解系数，为小波包函数；
40、步骤4.3.2，利用小波包分解，构建包含亚表面缺陷状态信息的激光超声信号时频矩阵 a：
41、；
42、式中：，， n为激光超声信号的采样点数；
43、步骤4.3.3，对激光超声信号时频矩阵 a进行奇异值分解，表达式为：
44、；
45、其中， t为矩阵转置算子， u为的正交矩阵， v为的正交矩阵，为的对角矩阵：
46、；
47、其中，为激光超声信号时频矩阵 a的秩的特征值，为激光超声信号时频矩阵 a的秩，计算激光超声信号中瑞利波的深度特征值：
48、；
49、则可以计算亚表面缺陷深度，为修正系数；
50、步骤4.4，通过pc端对角度范围 α2~ α3内的激光超声信号进行平均，提取激光超声信号中瑞利波的正峰值和负峰值，通过宽度特征值对亚表面缺陷宽度进行计算，表达式为：
51、。
52、与现有技术相比本发明具有以下优点：
53、本发明针对圆柱形构件亚表面缺陷的无损检测，考虑圆柱形构件非平整表面对激光超声瑞利波的影响，通过增加移动装置实现激光超声检测角度寻优，确定针对于不同曲率半径圆柱形构件的激光超声检测角度，降低了非平整表面对检测结果的影响；
54、本发明通过激光超声检测技术，实现了对圆柱形构件全方位的非接触检测，考虑到圆柱形构件的回转特性，特别地使用旋转待测工件的方式实现了360°的检测，具有快速、精准、自动化程度高的特点；
55、本发明通过提取激光超声信号中瑞利波的正峰值和负峰值构成宽度特征值，利用宽度特征值计算亚表面缺陷的宽度，不仅实现了亚表面缺陷宽度的测量，还可以减少激励激光功率变化对检测精度的影响。
1.一种圆柱形构件亚表面缺陷检测装置，其特征在于：包括电动旋转平台（1）、三爪卡盘（2）、一号直线模组（3）和二号直线模组（4），所述三爪卡盘（2）安装在电动旋转平台（1）上，所述三爪卡盘（2）用于对待测工件进行固定，所述一号直线模组（3）和二号直线模组（4）靠近电动旋转平台（1）设置，所述一号直线模组（3）和二号直线模组（4）相互抵接且相互垂直，在所述一号直线模组（3）的滑块上安装有一号电动伸缩杆（5），在所述一号电动伸缩杆（5）的上端固定设置有二号电动伸缩杆（6），所述二号电动伸缩杆（6）垂直于一号直线模组（3），且平行于二号直线模组（4），在所述二号电动伸缩杆（6）的活动端固定设置有脉冲激光聚焦探头（7），在所述二号直线模组（4）的滑块上设置有旋转底座（8），在所述旋转底座（8）上转动安装有三号电动伸缩杆（9），在所述三号电动伸缩杆（9）的上端固定设置有四号电动伸缩杆（10），在所述四号电动伸缩杆（10）的活动端固定安装有连续激光聚焦探头（11），所述电动旋转平台（1）、一号直线模组（3）、二号直线模组（4）、一号电动伸缩杆（5）、二号电动伸缩杆（6）、三号电动伸缩杆（9）和四号电动伸缩杆（10）均与pc端（12）连接，所述pc端（12）还与脉冲激光器（13）的控制端以及双波混合干涉仪（14）的输出端连接，所述脉冲激光器（13）与脉冲激光聚焦探头（7）连接，用于发射脉冲激光，所述双波混合干涉仪（14）与连续激光聚焦探头（11）连接，用于将连续激光聚焦探头（11）接收到的激光超声信号转化为电信号并传递至pc端（12）。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱形构件亚表面缺陷检测装置，其特征在于：在所述旋转底座（8）上固定安装有旋转电机（15），在所述旋转电机（15）的输出轴上固定连接有蜗杆（16），所述蜗杆（16）啮合连接有蜗轮（17），所述蜗轮（17）固定连接在三号电动伸缩杆（9）的缸体上。
3.基于权利要求1所述圆柱形构件亚表面缺陷检测装置的一种圆柱形构件亚表面缺陷检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种圆柱形构件亚表面缺陷检测方法，其特征在于：所述步骤2，具体包括以下步骤：
5.根据权利要求3所述的一种圆柱形构件亚表面缺陷检测方法，其特征在于：所述步骤3，具体包括以下步骤：
6.根据权利要求3所述的一种圆柱形构件亚表面缺陷检测方法，其特征在于：所述步骤4，具体包括以下步骤：
