基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测装置和方法

技术领域

本发明涉及飞机蒙皮监测技术领域，特别涉及一种基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测装置和方法。

背景技术

飞机蒙皮的油漆层的性能完好性对飞行安全有着至关重要的作用。激光除漆作为一项新兴的高效快速的清洗技术，较传统的除漆方式有着效率高，损伤小，污染少等各种优势，在工业中得到广泛应用。为保证除漆的质量与精度，需对清洗过程进行实时监测反馈，及时了解当前的去除情况，以实现闭环控制。目前主要的监测方法是通过探测激光清洗烧蚀过程中各自效应所产生的信号，以此实时反演清洗进展。其中激光诱导击穿光谱(LIBS)检测和声信号检测借由其高效，准确，实时等优点受到了国内外学者的青睐

2001年，Bregar

现有技术主要集中于对单层油漆清洗监测，而飞机蒙皮属于多层油漆机构，其光声信号更为复杂多样，现有技术无法完成飞机蒙皮的油漆清洗监测。

激光击穿空气释放的冲击波在传输过程中衰减成声波。该声波的频率与激光的参数相关，及特定的激光参数下会有特定的声波频率。同时由于油漆的漆层的材料对声波的吸收和反射的不同，以及去除过程中会在油漆表面形成凹坑对声波进行漫反射等影响，导致去除过程中的声波强度会随着除漆阶段的不同参数变化。根据特定的声波频率，再对比其振幅强度的变化就可以推断出此时激光的去除情况，因此声信号频率监测法也可以实时的反应除漆情况。

参考文献:

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发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测装置和方法。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测装置，包括：脉冲激光器、分光镜、功率计、聚光透镜、三维平台、声信号探测装置、电脑；

激光器发出激光后通过一个2:8分光镜，将激光分为两束，功率较低的一束激光打入功率计，以实时监控激光功率；功率较高的激光束通过焦距为150mm的聚光透镜后汇聚于放在三维平台上的样品表面。声信号探测装置得到除漆时的声波。

通过电脑实时控制三维平台移动，并且能够通过声信号探测装置，实时接收样品表面作用点的声波信号，在电脑上实时得到声波信号的曲线图。

进一步地，激光器发出激光的频率为1Hz,功率密度为3.82J/cm

一种基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1，将要监测的面分为：面漆、底漆和金属基底；

步骤2，声信号探测装置监测除漆情况；

步骤3，激光器清洗面漆时声信号曲线光滑且很微弱，没有特征频率的信号；清洗底漆时的声信号强度增大；将底漆去除露出基底时，声信号强度开始减弱且整体变得平坦没有明显尖峰；清洗至基底时，声信号强度随着作用脉冲数增加，信号越来越低。

步骤4，采用3kHz、4kHz和7.5kHz的声波强度作为探测漆层的信号，激光清洗面漆时，是第一个激光脉冲，此时三个频率的声波强度都很小；第2至15个激光脉冲是清洗底漆，此时信号迅速增加，且保持在稳定的范围；第16个脉冲之后开始减弱，到约第20个脉冲作用时，声信号频率强度减小至稳定状态，此时对应于底漆的彻底清洗和辐照基底过程。

步骤5，根据声信号的强度分布和频域分布来实现分层监测，得到除漆的结果。

作为优选，声信号探测装置设置1kHz-8kHz范围内的声信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

能够实时监测飞机蒙皮的多层油漆机构除漆，延迟低，误差小，准确性高。当信号给出此时油漆已经去除完毕后，即可立刻更换点位以防止激光过度辐损伤基底。在监测过程中具有实时性和准确性。

附图说明

图1是本发明实施例激光清洗飞机蒙皮实时监测装置结构图；

图2是本发明实施例1-20个激光脉冲对应的声音强度信号图；

图3是本发明实施例声信号频域分布随脉冲数目的变化图；(a)1个脉冲，(b)2个脉冲，(c)8个脉冲，(d)15个脉冲，(e)16个脉冲，(f)18个脉冲，(g)20个脉冲；

图4是本发明实施例不同频率声信号所对应的强度随脉冲数的变化图；

图5是本发明实施例激光烧蚀油漆产生等离子体的声波频谱图；

图6是本发明实施例声波射线仿真结果图，其中射线的条束数多少来表征强度的大小。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一、基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测装置

实时监测装置如图1所示，532nm脉冲激光器1发出频率为1HZ,功率密度为3.82J/cm

二、基于声信号监测法的激光清洗飞机蒙皮实时监测方法

图2为激光能量密度为3.82J/cm

将声信号进行傅里叶变换后，得到第1-20个脉冲时，频率范围为1kHz-20kHz的频域分布变化图，如图3所示。面漆、底漆和基底频域的强度变化与时域强度变化趋势相似，时域信号增强时频域信号的整体强度也增强。通过对比图3发现，激光清洗面漆、底漆和作用至基底时的频谱有明显差异。分段来看，信号主要分布在1kHz-8kHz频率范围内，清洗面漆时(第1个脉冲)信号曲线光滑且很微弱，没有特征频率的信号，清洗底漆时(第2-15个脉冲)该范围内的信号增大，将底漆去除露出基底时(第16个脉冲)，信号开始减弱且整体变得平坦没有明显尖峰，清洗至基底时(第17-20个脉冲)，该范围内信号随着作用脉冲数增加，信号越来越低。8kHz-20kHz频率范围内与1kHz-8kHz范围内信号相比始终只有微弱信号，与1kHz-8kHz范围内信号变化趋势类似，从清洗面漆至底漆最后到基底过程中，该范围内信号先增大后降低。

选取声信号频率在3kHz、4kHz和7.5kHz的强度随脉冲作用的变化关系分析除漆过程，如图4所示。这三处频率强度随脉冲数目增加的变化趋势几乎一致。第2个脉冲强度迅速增大，且在第2-14个脉冲强度比较稳定，第16个脉冲之后开始减弱，到约第20个脉冲作用时，声信号频率强度减小至稳定状态。第16个脉冲作用时，激光通过热应力效应去除最后一层薄薄的底漆，故第16个脉冲，在这几个频率处的强度均开始降低。第16个脉冲作用后，在激光辐照区域，漆层逐渐减少最后被清洗干净，故这几个频率处的强度逐渐减弱直至趋于稳定。入射激光光强呈高斯分布，光斑中心激光能量高，边缘的能量弱，除漆过程中光斑中间漆层清洗干净所需的脉冲数目较少，边缘的漆层则需要更多的激光脉冲作用，随着漆层越来越少，频率强度越来越低，当激光完全作用于金属基底上时，强度趋于稳定。

理论分析

光击穿空气产生等离子体释放冲击波，其传播衰减后变成声波。单个激光声信号的数学模型是：

式中:P

图5可以看出，在激光产生的声波主要集中于0～10kHz，其中包含了本实施例中可用于标定的声波频段3、4、7.5kHz，证明此波段有明显的幅度变化正是因为激光等离子产生的声波也主要集中于此波段。

同时再使用Comcol5.5软件对除漆过程中的声波射线进行仿真，通过设定激光等离子体在漆层正上方爆炸，并向四周发射出5000条声波射线，接触到漆层后会有一定比例的吸收和漫反射。同时随着脉冲次数的增加，漆层中会出现凹坑增加了声波的漫反射。最后接收等离子体正上方的声波射线条数。

图6下方是3个典型的去除过程的仿真图。第一发脉冲去除面漆时，漆层表面光滑平整，故对声波的吸收和反射也是均匀的，接受屏也只能接受部分声波；当第8发脉冲去除底漆时，由于面漆的去除，在漆层中已经形成了一个凹坑，声波在凹坑中会漫反射，同时底漆对声波的吸收较小，故基底部分的射线明显减少，同时大量的射线在凹坑中反射后正向射出，接受屏中接受了大量的射线；当第18发脉冲损伤基底时，基底的主要成分是铝为金属，对声波吸收较多，故透过漆层的射线数量增多，接收屏所接收到的射线数量减少。统计不同脉冲情况下的射线数量后得到图6上方的曲线图。可以看见第1发脉冲时，射线数较少；然后迅速增大，并维持一个稳定的趋势；直到第16发后底漆去除完毕，损伤基底时，射线数量又迅速下降。由于声波作为一种机械波，其叠加原理遵循线性叠加，声波射线的数量和总声波的振幅成正比，由此可得仿真结果与实验得到的声波振幅变化基本吻合。

因此，在1kHz-8kHz范围内的声信号与时域信号强度相比能表示激光清洗飞机蒙皮表面漆层的过程，验证了声信号用于激光分层清洗飞机蒙皮表面漆层的在线监测反馈的潜力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示，做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。