基于激光三維掃描的裂紋可視化表征方法

焦 婷，寧 寧，樊俊鈴，秦紀仇

(1.中國飛機強度研究所 六室 ， 西安 710065；2.上海恩眠機電科技有限公司 技術中心，上海 200240)

疲勞裂紋是飛機結構中的典型損傷[1]，會造成飛機結構強度降低，承載能力下降，對飛機結構完整性產生嚴重威脅。如果不能及時準確地發現裂紋并檢測其擴展情況，飛行安全會受到嚴重威脅[2-3]。對機體主要承載結構和重要部件進行裂紋檢測是增加飛機安全性和可靠性，降低飛機維修成本和運行成本的一種重要手段[4]。

隨著計算機技術的發展，許多學者嘗試使用新技術檢測和表征裂紋。TAO等[5]采用卷積神經網絡自動識別金屬表面裂紋；盧鵬[6]采用高分辨率CT成像獲得了三維裂紋在彎曲載荷作用下的擴展行為及其形態。

近年來激光三維掃描技術發展迅速，該技術利用激光測距原理，通過高速激光掃描測量方法，可以在高分辨率下大面積獲取被測對象表面的高精度三維坐標數據以及大量空間點位信息，快速建立物體的高精度、高分辨率三維模型[7-9]。其具有快速、高精度、數字化、自動化、實時性強等特點，在目標識別、分類和高精度三維成像及測量方面有著獨特的技術優勢[10-11]。將激光三維掃描技術用于裂紋表征，不僅可以獲得裂紋特征信息，而且可以在三維模型中表征裂紋特征和裂紋形貌，提高后續的分析效率。

因為裂紋是縫狀損傷，寬度約為幾十微米，存在局部裂紋與結構尺寸之間的跨尺度效應，所以研究三維激光成像技術表征裂紋特征的精度非常必要。

筆者將激光三維掃描技術應用于裂紋表征，通過對4種代表不同目視可檢難易程度的典型裂紋特征進行參數化表征，并對典型裂紋特征試樣進行激光三維掃描，建立了激光三維掃描識別能力與飛機典型疲勞裂紋特征的對應關系。

1 激光三維掃描儀

試驗設備為工業級手持式激光三維掃描儀。掃描儀主要由光學成像部分、機械傳輸部分和電力部分組成，掃描儀的核心器件是完成光電轉換功能的電荷耦合器件(CCD)，又稱感光接收頭。掃描儀通過自身攜帶的光源照射被掃描對象，產生反射光或透射光，光學系統接收這些光線將其聚焦到CCD上，由CCD將光信號轉換，生成電信號，然后進行模/數轉換成數字圖像信號，再通過一系列處理生成目標模型，具體過程如下。

(1) 掃描儀的兩組相機可以分別獲得投影到被掃描對象上的激光，該激光隨對象形狀變化發生變形，由于這兩組相機事先經過準確標定，故可以通過計算獲得激光所投影的線狀三維信息。

(2) 掃描儀根據固定在被測物體表面的視覺標記點來確定掃描儀在掃描過程中的空間位置，這些空間位置被用于空間位置轉換。

(3) 利用第一步獲得的線狀三維信息和第二步所確定的掃描儀空間相對位置，移動掃描儀，不斷獲取激光所經過位置的三維信息，從而形成連續的三維數據。

掃描儀每米的掃描精度最高可達0.02 mm，掃描速率可到1 350 000次·s-1，最大掃描面幅為1440 mm×860 mm(長×寬)，景深為925 mm，工作溫度為-10～40 ℃。攝像頭分辨率是掃描儀精度的主要影響因素，另外軟件算法、硬件穩定性和操作環境(人員水平、溫度、震動等)也會對精度產生影響。

2 含裂紋試樣及其裂紋特征表征

2.1 典型裂紋特征試樣

鉚釘/螺栓連接是飛機結構中最常見的連接形式，由于孔邊應力集中，鉚釘/螺栓孔邊是最容易出現疲勞裂紋的部位，也是飛機結構的危險部位。因此，選用板材中心孔邊裂紋試樣作為激光三維掃描識別對象。

按照目視可檢程度由容易到困難，制備4種典型中心孔邊裂紋特征試樣，1#試樣裂紋為人工裂紋，2#試樣裂紋為易于目視可見裂紋，3#試樣裂紋為目視可見裂紋，4#試樣裂紋為目視勉強可見裂紋。4種典型中心孔邊裂紋試樣照片如圖1所示，裂紋特征由方框圈出。

圖1 4種典型中心孔邊裂紋特征試樣照片

2.2 典型裂紋特征表征

裂紋目視可檢難易程度與裂紋尺寸、光照條件和可接近條件等有關[12]。三維激光掃描是通過激光對物體進行精確測量，不受光照條件影響，且4種試樣均為板件，無遮擋，可視為條件一致。因此，筆者開展基于激光三維掃描技術的表面裂紋特征識別，提取裂紋長度、裂紋寬度和裂紋兩側高度差作為重構參數來表征裂紋可視化識別特征。

裂紋長度是指從裂紋萌生點到裂紋尖端的距離。使用游標卡尺測量裂紋長度，精度為0.01 mm。裂紋寬度是指裂紋局部張開的尺寸。在裂紋閉合情況下，基于可視化表征，以裂紋顏色明顯變化界限之間的距離作為裂紋寬度。裂紋寬度的光學顯微鏡測量結果如圖2所示。裂紋顏色改變主要是由于裂紋發生塑性變形，而塑性變形尺寸受裂紋尖端塑性區尺寸影響。自然裂紋的裂紋長度增加，裂紋尖端應力強度因子增大，塑性區尺寸增大，裂紋寬度增大。

圖2 裂紋寬度的光學顯微鏡測量結果

因為2#試樣裂紋長度較長，所以，測量了2#試樣靠近中心孔和靠近試樣邊緣兩個位置的裂紋寬度。裂紋作為分界線將試樣局部表面分為兩部分，試樣承載形式和裂紋擴展過程中能量釋放會造成裂紋發生錯位，使裂紋兩側產生高度差。2#試樣在裂紋長度方向上不同位置處的裂紋兩側高度差明顯不同，因此，使用光學顯微鏡對2#試樣測量了靠近中心孔和靠近試樣邊緣兩個位置的裂紋兩側高度差進行測量。其結果如圖3所示。在由光學顯微鏡生成的景深圖上，在裂紋兩側分別選擇5個均勻對稱分布的測量點，測量垂直于裂紋表面方向的高度值，對兩側高度值取平均值，再對平均值作差，即為裂紋兩側高度差。光學顯微鏡采用光柵刻度尺校準測量，裂紋寬度和裂紋兩側高度差的測量精度為0.001 mm。

圖3 裂紋兩側高度差的光學顯微鏡測量結果

裂紋長度和裂紋寬度代表結構表面平面內兩個垂直方向的裂紋特征重構參數，裂紋兩側高度差代表垂直于裂紋表面方向的裂紋特征重構參數，三個重構參數共同組成了裂紋特征在結構表面三維方向的特征尺寸。

4種典型中心孔邊裂紋特征試樣的裂紋長度測量結果如圖4所示。4種典型中心孔邊裂紋特征試樣的裂紋寬度和裂紋兩側高度差測量結果如圖5所示。

圖4 1#4#試樣裂紋長度測量結果

圖5 1#4#試樣裂紋寬度和裂紋兩側高度差測量結果

4種裂紋特征的裂紋寬度隨著目視可檢困難程度增加而減小，寬度為0.198 mm的人工裂紋(1#試樣)容易目視識別。自然裂紋的裂紋兩側高度差隨著目視可檢困難程度增加而減小，易于目視可見裂紋(2#試樣)在靠近邊緣位置的裂紋兩側高度差為0.244 mm，容易目視識別。目視勉強可見裂紋(4#試樣)的裂紋寬度和裂紋兩側高度差最小，分別為0.011 mm和0.005 mm，并且裂紋長度也最小，為3.56 mm，目視可檢難度最大。裂紋長度、裂紋寬度和裂紋兩側高度差這三個重構參數尺寸與裂紋目視可檢難易程度的對應關系證明了選用參數的合理性。

3 基于激光三維掃描的裂紋特征識別

由于含裂紋試樣掃描范圍為50 mm×50 mm(長×寬)，選用手持式激光三維掃描儀即能滿足掃描面幅和掃描效率的要求。首先利用標定板對手持式激光三維掃描儀進行標定；然后，在試樣上黏貼標記點，標記點不規則分布；最后采用7束平行藍色激光以精細掃描模式對4個試樣的裂紋特征進行激光三維掃描建模，每件試樣的激光三維掃描和建模時間約為10 min。

1#試樣人工裂紋特征激光三維掃描模型如圖6所示，人工裂紋的寬度比精度尺寸低一個量級，激光三維掃描能夠識別人工裂紋，但在鉚釘邊緣拼接處存在遺漏點云數據的情況。2#試樣易于目視可見裂紋特征激光三維掃描模型如圖7所示，易于目視可見裂紋的裂紋寬度與精度尺寸基本相當，而裂紋兩側高度差特征尺寸是精度尺寸的好幾倍，激光三維掃描能夠識別易于目視裂紋。3#試樣目視可見裂紋特征激光三維掃描模型如圖8所示，目視可見的裂紋寬度、裂紋兩側高度差特征尺寸與精度尺寸相當，激光三維掃描能夠識別目視可見裂紋形貌特征，并能根據裂紋形貌特征與劃痕區分開來。4#試樣目視勉強可見裂紋特征激光三維掃描模型如圖9所示，目視勉強可見裂紋的寬度和裂紋兩側高度差兩個特征參數尺寸都小于精度尺寸，無法識別。

圖6 1#試樣人工裂紋特征激光三維掃描模型

圖7 2#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

圖8 3#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

圖9 4#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

由此得出激光三維掃描技術對典型中心孔裂紋特征的識別能力排序(由易到難)為：人工裂紋≈易于目視裂紋>目視可見裂紋>目視勉強可見裂紋，與目視可檢難易程度排序一致。激光三維掃描識別技術對裂紋寬度和裂紋兩側高度差這兩個參數比較敏感，如果其中一個參數尺寸比掃描精度大幾倍，即使另一個參數尺寸與掃描精度相近，激光三維掃描也可精確識別裂紋特征并進行建模。

為了驗證激光三維掃描技術對裂紋特征的測量精度，在易于目視可見裂紋(2#試樣)激光三維掃描模型中，測量了靠近孔邊和靠近邊緣兩個位置的裂紋兩側高度差，并與光學顯微鏡測量結果進行對比，其結果如表1所示。由表1可以看出，激光三維掃描模型測量結果與光學顯微鏡測量結果的誤差在15%以內，進一步證明了激光三維掃描模型能夠精確識別裂紋特征。測量結果存在一定偏差的主要原因是兩種方法的測量位置無法保證完全一致。

表1 2#試樣裂紋兩側高度差測量結果對比 mm

4 結論

(1) 采用激光三維掃描技術對4種不同目視可見難易程度裂紋進行識別，證明裂紋長度、裂紋寬度和裂紋兩側高度差可作為表征局部裂紋特征的重構參數，定量表征目視可見程度。從裂紋細觀尺寸方面給出了目視勉強可見裂紋的識別條件，當目視裂紋寬度和裂紋兩側高度差均大于0.02 mm時，目視可觀察到裂紋。

(2) 激光三維掃描技術可提取不小于精度尺寸的裂紋特征尺寸，能夠識別人工裂紋、易于目視可見裂紋和目視可見裂紋，具有高精度裂紋損傷識別和可視化檢測能力。

(3) 激光三維掃描技術可用于檢測飛機結構裂紋擴展情況，能夠測量裂紋擴展長度，還能夠識別裂紋形貌和裂紋走向，并對裂紋進行精確定位。該方法為飛機結構裂紋可視化表征提供了一種新的技術手段。