CN102221339A - 脉冲红外热波技术测厚方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲红外热波技术测厚度或缺陷深度的方法，包括如下步骤：(1)使用脉冲加热设备对被测物体进行加热，同时使用红外热像装置获得被测物体表面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；(2)对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应时间的

从而获得新的曲线f；(3)对f求一阶微分，并获得其峰值时间t_apst；(4)由公式

则求出L，其中α为热扩散系数，L为被测物体厚度或缺陷深度。本发明通过上述技术方案，可以测量出被测件厚度或缺陷深度，不需要参考曲线，且仅需进行一次微分处理即可，处理方法更为简单。

Description

脉冲红外热波技术测厚方法

技术领域

本发明涉及无损探伤检测技术领域，特别是涉及一种红外热波技术，利用脉冲红外热波技术测量被测试件厚度或者缺陷深度的方法。

背景技术

脉冲红外热波无损检测技术是二十世纪八十年代后发展起来的一种无损检测技术。此方法以热波理论为理论依据，通过主动对被测测物体施加脉冲热激励、并采用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温场变化，并通过现代计算机技术及图像信息处理技术进行时序热波信号的探测、采集、数据处理和分析，以实现对物体内部缺陷或损伤的定量诊断。

缺陷深度或者被测件厚度测量是脉冲红外热波无损检测技术定量测量的一个重要应用，一般都是通过获得温度时间曲线中的某特征时间进行计算。US5711603采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的微分峰值时刻作为特征时间，该专利需要首先选取一个参考区域，这在某些应用中较难实现，且引入了误差。对比度峰值方法采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的峰值时刻作为特征时间，但该峰值时刻受缺陷尺寸等因素影响较大，且同样需要参考区域。S.M.Shepard采用二阶温度-时间对数曲线的峰值时间作为特征时间，其优点是其对应的峰值时间比较靠前，受三维热扩散影响相对较小，但其缺点是二阶微分峰值时间受噪声影响较大。上述几种方法中缺陷深度或厚度和所获得的对应特征时间值有确定的理论关系式。对数分离点方法采用温度时间对数曲线中缺陷和非缺陷区域的分离时刻作为特征时间，该方法也需要参考曲线，同时较难准确确定分离点。US6542849对温度时间曲线中选取一段相对线性区域，并拟合获得其斜率，最后根据降温理论公式拟合得到缺陷深度。X.Maldague对温度时间曲线做傅里叶变换，减掉参考曲线后的零值时刻作为特征值。

现有技术中的各方法均需要参考曲线或者需要作二次微分，且不同方法都有自身的应用范围。

发明内容

针对上述方法需要参考曲线或者需要做二次微分的技术问题，本发明提供一种新的测厚方法，利用脉冲红外热波技术测量被测件的厚度或缺陷深度。

为解决上述技术问题，本发明的一种脉冲红外热波技术测厚度或缺陷深度的方法，包括如下步骤：

(1)使用脉冲加热设备对被测物体进行加热，同时使用红外热像装置获得被测物体表面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；

(2)对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应时间的

从而获得新的曲线f；

(3)对f求一阶微分，并获得其峰值时间t_apst；

(4)由公式

则求出L，其中α为热扩散系数，L为被测物体厚度或缺陷深度。

其中，所述热扩散系数α已知。

其中，所述热扩散系数α未知，采用与被测物体材料属性相同的且L已知的试件作为参考试件，对参考试件测量得到t_apst与L²的线性关系，根据该线性关系和被测物体的t_apst值求得L。

其中，所述加热设备为高能闪光灯，或其它脉冲热源。

本发明通过上述技术方案，可以测量出被测件厚度或缺陷深度，不需要参考曲线，且仅需进行一次微分处理即可，处理方法更为简单。

附图说明

图1为脉冲红外热波技术原理图；

图2为脉冲红外热波典型降温曲线；

图3为图2经过处理后所获得的变量f的曲线；

图4为图3一阶微分曲线；

图5为6个不同深度的楔形槽铝板所得到的t_apst与L²关系曲线。

附图标记说明

高能闪光灯-1；被测物体-2；红外热像仪-3；计算机-4。

具体实施方式

为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

本发明的理论基础是基于脉冲平面热源激励下的一维热传导方程求解问题，对半无穷大均匀介质，受平行于介质表面的均匀脉冲热源作用时，热传导方程可简化为：

其中，T(x，t)是t时刻x处的温度，qδ(t)δ(x)是脉冲热源函数，q为常数，是在单位面积上施加的热量，k(W/m·K)是热传导率。密度ρ(kg/m³)与比热c的乘积是介质材料的体热容。热扩散系数为α＝k/(pc)。对某一特定介质，一般情况下α可视为常数。

当物体表面下有缺陷或者被测件较薄时，热传导方程的解为：

$\mathrm{\ΔT}(0,t)=\frac{q}{e\sqrt{\mathrm{\πt}}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{\mathrm{\αt}}\right)],---\left(2\right)$

其中，e为被测件的蓄热系数，n为脉冲传播到两种材料界面发生的n次反射，L为被测件厚度(或缺陷深度)。公式两端乘以对应时间的并定义新的变量f：

$f\left(t\right)=\mathrm{\ΔT}(0,t)\·\sqrt{t}=\frac{q}{e\sqrt{\mathrm{\π}}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{\mathrm{\αt}}\right)]---\left(3\right)$

对公式(3)求导，得到f′(t)曲线。考虑多次反射，f′(t)曲线的峰值时间可近似表达为：

$t_{\mathrm{apst}}=\frac{L^2}{2\mathrm{\α}}---\left(4\right)$

从而获得了缺陷深度或试件厚度与f的一阶微分峰值时间理论关系，通过f的一阶微分峰值时间可获得缺陷深度或被测件厚度L。从红外热波理论上来讲，测得的L都是热波在热传导过程中遇到的第一个界面，也就是缺陷深度，如果没有缺陷，则测的是厚度。

本发明的理论基础基于脉冲热成像法，假设利用理想脉冲热源在t＝0时刻作用于被测物体表面(x＝0)，且能量完全被表面吸收。在实际实验中，对被测物体加热时采用的加热设备可以是高能闪光灯或者其他脉冲式加热设备，为提高计算精度，应保证脉冲闪光灯作用时间足够短，热成像装置的采集频率宜设置较高。采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置。

图1为本发明脉冲红外热波技术用于测量缺陷深度或试件厚度检测的技术原理图，同时也是应用本发明方法的实际系统的结构示意图。

参考图1，多个高能闪光灯1对被测物体2表面施加可见光能量，被测物体2表面在高能闪光灯1能量作用下温度升高，瞬间达到峰值，由于被测物体2表面与物体内部的温度差，热量沿深度方向从物体表面向物体内部传导。红外热像仪3实时记录被测物体的表面温场的变化，计算机4采集红外热像仪3得到的热图数据，得到被测测物体2表面温场的热图序列。

下面将结合实施例来说明脉冲热成像法用于测量缺陷深度或试件厚度的过程。该实施例中使用了铝材料表面阳极化处理后制作的实际试件，内有6个距表面深度为2mm到7mm的楔形槽。

图2为采用图1中的系统测试上述实际试件后，得到的热图序列中的其中某一个深度的楔形槽对应表面的降温曲线，即温度时间曲线。对该降温曲线利用公式(3)进行处理，可获得图3所示的f曲线。原始降温曲线经过处理后所获得的f曲线为一升温曲线，不同属性材料或不同深度结构所对应的f曲线其变化率和饱和速率都不一样。

对图3求导获得图4所示一阶微分曲线，该曲线的峰值所对应时间可记为t_apst，该峰值时间与被测件厚度或缺陷深度关系为公式(4)。当热扩散系数α已知时，通过求t_apst，利用公式(4)可直接计算被测件厚度或缺陷深度。

当被测件热扩散系数未知时，可利用t_apst与测件厚度或缺陷深度L的平方成线性关系，并通过参考试件获得其线性关系式，从而计算出被测件厚度或缺陷深度。

具体的，采用与被测物体材料属性相同的试件作为参考试件，则该参考试件的热扩散系数α与被测物体相同，参考试件的厚度或缺陷深度L已知。对参考试件测量得到参考试件t_apst，从而得到参考试件t_apst与L²的关系。例如对实施例中的6个不同深度的楔形槽铝板测量，得到如图5中所示的t_apst与L²的关系曲线。根据该关系曲线和对被测物体测量得到的t_apst值，即可求得被测物体L²的值，进而求得L。

使用本发明提供的方法对热图序列处理后可以测量出被测件厚度或缺陷深度，不需要参考曲线，且仅需进行一次微分处理即可。

具体的，本发明采取的技术解决方案包括如下步骤：

1、使用脉冲加热设备对被测物体进行加热，同时使用红外热像装置获得被测物体表面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中。

2、对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应时间从而获得新的曲线f。

3、对f求一阶微分得到f’，并获得f’的峰值时间t_apst。

4、由公式

根据获得的t_apst则可以求出L。被测试件的热扩散系数已知，或利用t_apst与L²的线性关系并采用标准参考试件标定其线性关系，从而可实现测厚。

对被测物体激励时采用的加热设备可以是高能闪光灯或者其他脉冲式加热设备。宜采用脉冲作用时间较短的高能闪光灯或其它脉冲式加热设备，热成像装置的采集频率宜设置较高，采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种脉冲红外热波技术测厚方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用脉冲加热设备对被测物体进行加热，同时使用红外热像装置获得被测物体表面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；

(2)对热图序列中每个点的温度时间曲线乘上对应时间的

从而获得新的曲线f；

(3)对f求一阶微分得到f’，并获得f’的峰值时间t_apst；

(4)由公式则求出L，其中α为热扩散系数，L为被测物体厚度或缺陷深度。

2.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术测厚方法，其特征在于，所述热扩散系数α已知。

3.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术测厚方法，其特征在于，所述热扩散系数α未知，采用与被测物体材料属性相同的且L已知的试件作为参考试件，对参考试件根据步骤(1)-(3)测量得到参考试件的t_apst，从而得到参考试件t_apst与L²的线性关系，根据该线性关系和被测物体的t_apst值求得被测物体的L。

4.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术测厚方法，其特征在于，所述加热设备为高能闪光灯。

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