CN102565124A - 脉冲红外热波技术定量测量方法 - Google Patents

Abstract

脉冲红外热波技术定量测量方法，包括如下步骤：步骤1：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，同时使用红外热像装置连续观测和记录被测物体表面的温场变化，通过计算机控制和采集系统进行时序热波信号的采集处理得到被测物体表面的热图序列；步骤2：根据获得的热图序列提取缺陷区域及无缺陷区域降温数据，并比较其对数温度-对数时间曲线；步骤3：以对数温度-对数时间曲线中缺陷与无缺陷区域曲线的分离时刻点或其前面时刻选定为t₁，两曲线最大温差时刻作为t₂，并提取这两个时刻对应温度值或辐射能量值ΔT(0，t₁)和ΔT(0，t₂)；步骤4：利用公式(4)

当缺陷区域界面热反射系数R、被测物体热扩散系数α和缺陷深度L三个参数已知其中两个时，能够求解出第三个。

Description

脉冲红外热波技术定量测量方法

技术领域

本发明涉及无损探伤检测技术领域，特别是涉及一种脉冲红外热波技术，利用脉冲红外热波技术在特定条件下测量缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的方法。

背景技术

脉冲红外热波无损检测技术是二十世纪九十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，通过主动对被检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。本发明涉及一种利用反射式脉冲热成像法在特定条件下测量缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的方法。

脉冲热成像法可实现缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数等参数的定量测量。其中，缺陷深度或者被测件厚度测量的相关测量方法较多。大部分深度测量方法都是通过获得温度时间曲线中的某特征时间进行计算，比如对比度峰值时刻方法、对比度一阶微分峰值时刻方法、对数分离时刻法，以及二阶温度-时间对数曲线的峰值时刻方法。US6542849对温度时间曲线中的相对线性较好区域进行拟合获得其斜率，根据降温理论公式可直接得到缺陷深度。

通过测量试件本底材料与缺陷界面热反射系数可间接测量缺陷蓄热系数，而目前对蓄热系数的测量方法都是直接测量或者是测量多层结构材料的整体表观蓄热系数。脉冲热波技术用于测量缺陷界面热反射系数的方法较少，陶宁等人利用脉冲红外热波技术测量固体材料表面下缺陷的蓄热系数，其方法需要缺陷和本底界面的热反射系数及缺陷深度为已知的试件作为参考进行蓄热系数测量，参考曲线的引入可能带来额外误差，同时在脉冲红外热波技术的大部分定量测量应用中不存在参数已知的参考曲线，该方法不适用。

热扩散系数测量方法主要有稳态法和非稳态法，非稳态法由于其速度快，相对应用较多。非稳态法中对被测件进行加热的手段和方式较多，比如激光、闪光灯等热源以脉冲式或锁相方法进行热激励。脉冲闪光灯加热法中有两种模式：反射式和透射式。对于深度方向(或与热波平行方向)热扩散系数的测量，目前主要采用透射式脉冲方法进行测量，而反射式脉冲法还未见用于热扩散系数测量。

发明内容

由于脉冲红外热波技术的大部分定量测量应用中，不存在参考曲线，比如平板类试件，因此以前的需要缺陷和本底界面的热反射系数及缺陷深度为已知的试件作为参考进行蓄热系数测量的专利在很多时候不能适用。在部分应用中，存在参考曲线，比如蜂窝结构，但是这种情况下参考曲线处对应参数的准确值较难确定，以往的专利计算容易带来额外误差。

另外以往的专利中仅涉及到热反射系数，也就是求蓄热系数，并没有涉及其方法测量热扩散系数和深度的精度和适应性问题。而且脉冲红外热波的定量应用主要是测厚，而求热反射系数的应用较少。

针对上述问题，本发明提供一种新的定量测量方法，利用脉冲红外热波技术在特定条件下测量缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的方法。

本发明的一种脉冲红外热波技术定量测量方法，包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，同时使用红外热像装置连续观测和记录被测物体表面的温场变化，通过计算机控制和采集系统进行时序热波信号的采集处理得到被测物体表面的热图序列；

步骤2：根据获得的热图序列提取缺陷区域及无缺陷区域降温数据，并比较其对数温度-对数时间曲线；

步骤3：以对数温度-对数时间曲线中缺陷与无缺陷区域曲线的分离时刻点或其前面时刻选定为t₁，两曲线最大温差时刻作为t₂，并提取这两个时刻缺陷区域曲线上对应温度值或辐射能量值ΔT(0，t₁)和ΔT(0，t₂)；

步骤4：利用公式(4) $\frac{\mathrm{\ΔT}\left(t_1\right)}{\mathrm{\ΔT}\left(t_2\right)}=\frac{\sqrt{t_2}}{\sqrt{t_1}}\·\frac{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_1}\right)}{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_2}\right)},$ 当缺陷区域界面热反射系数R、被测物体热扩散系数α和缺陷深度L三个参数已知其中两个时，能够求解出第三个，其中n为脉冲传播到两种材料界面发生的n次反射：

a、当缺陷区域界面热反射系数R和热扩散系数α为已知时，利用公式(4)直接求解而获得缺陷深度L；

b、当缺陷深度L和热扩散系数α为已知时，利用公式(4)直接求解而获得缺陷区域界面热反射系数R；

c、当缺陷区域界面热反射系数R和缺陷深度L为已知时，利用公式(4)直接求解而获得被测材料的热扩散系数α；

步骤5：为了减小噪声对上述结果的影响，固定t₁值并将t₂分别设为最大温差时刻之前若干帧的时刻值，重复步骤4进行计算，取平均值作为最终测量结果。

其中，步骤2中当试件中不存在无缺陷区域时，根据降温曲线中前几个数据进行线性拟合而自动获得无缺陷降温数据。

其中，步骤4b中的t₂由步骤3中直接读出，或当缺陷深度L和热扩散系数α已知时，由公式t＝2L²/α计算而得。

其中，当采集频率为60Hz时，t₁固定为分离时刻前第2帧时刻。其中，步骤4b中当被测基体材料的蓄热系数e₁已知时，利用公式(3)

计算获得缺陷材料的蓄热系数e₂。

其中，步骤5中当采集频率为60Hz时，t₂分别设为最大温差时刻前10帧的时刻值。

本发明不需要参考曲线，仅对待计算的温度-时间曲线进行处理即可在特定条件下实现缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的测量，即：这三个参数中任意两个参数为已知时，可测量另外一个参数。测量更为简便，应用更广，准确度也更高。

附图说明

图1为脉冲红外热波技术原理图

图2a为实施例中被测物体材料的俯视图；

图2b为实施例中被测物体材料的剖视图；

图3为实施例中热像仪记录的被测物体表面5个不同位置的对数温度-对数时间曲线。

附图标记说明

脉冲加热装置-1；被测物体-2；表面-21；红外热像装置-3；计算机控制和采集系统-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：

${k\frac{{\∂}^{2}T(x,t)}{{\∂x}^2}-\mathrm{\ρc}\frac{\∂T(x,t)}{\∂t}=-\mathrm{q\δ}\left(t\right)\mathrm{\δ}\left(x\right)|}_{\underset{t=0}{x=0}}---\left(1\right)$

其中，T(x，t)是t时刻x处的温度值或辐射能量值，x＝0即被测物体表面处，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/(ρc)，蓄热系数

对某一特定介质，一般情况下α和e可视为常数。

当物体表面下有缺陷时，比如一定厚度的不锈钢材料，其某一表面加工不同深度的平底洞模拟真实缺陷，并在每个孔中注入不同材料时，热传导方程(1)的解为：

$\mathrm{\ΔT}(0,t)=\frac{q}{e_1\sqrt{\mathrm{\πt}}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{\mathrm{\αt}}\right)]---\left(2\right)$

式中，热反射系数R定义为：

$R=\frac{e_1-e_2}{e_1+e_2}---\left(3\right)$

其中，e₁为被测基体材料(比如不锈钢)的蓄热系数，e₂为缺陷材料(比如不锈钢平底洞内所注入材料)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为缺陷深度。

对于实验数据，公式(2)中参数q的准确值较难确定，它受所使用的闪光灯能量、试件表面热吸收系数和热辐射系数等的影响。因而，较难利用公式(2)直接求解未知参数R、L或α。为了消掉未知参数q，本发明对待计算的某一降温曲线，取两个不同时刻t₁，t₂，并提取这两个时刻对应的温度ΔT(0，t₁)和ΔT(0，t₂)。t₁时刻对应公式(2)除以t₂时刻对应公式(2)，可得到：

$\frac{\mathrm{\ΔT}\left(t_1\right)}{\mathrm{\ΔT}\left(t_2\right)}=\frac{\sqrt{t_2}}{\sqrt{t_1}}\·\frac{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_1}\right)}{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_2}\right)}---\left(4\right)$

式中，有三个参数：缺陷深度L、热反射系数R和热扩散系数α。在特定条件下，即当这三个参数中任意两个参数为已知时，可通过公式(4)直接计算得到另外一个参数。对于大部分测厚应用，缺陷界面均为空气界面，即R＝1，或者当R为已知时，如果热扩散系数α已知，此时可通过公式(4)直接求出缺陷深度L。

对于某些为非空气界面缺陷检测时，比如蜂窝结构积水积油等应用检测，蒙皮厚度也就是缺陷深度L和蒙皮(被测基体材料)的热扩散系数α已知，此时可通过公式(4)直接求出热反射系数R，还可以通过公式(3)间接求出缺陷材料的蓄热系数e₂。对于热扩散系数α测量，只需测量缺陷深度L，且热反射系数R为1或为已知时，可由公式(4)直接求出材料的热扩散系数α。

该方法中，t₁和t₂的选择决定该发明的准确度，这两个时刻的选择可参考对数温度-对数时间曲线。首先选取感兴趣缺陷区域和无缺陷区域温度曲线，通过其对数温度-对数时间曲线比较获得缺陷曲线相对于无缺陷曲线的大概分离时刻以及最大温度差时刻。如果不存在无缺陷参考曲线，比如测量平板厚度或热扩散系数，由热波理论，无缺陷区域对数温度-对数时间曲线应该为线性，且其斜率为-0.5。对于缺陷区域，热波在遇到缺陷界面前其降温过程和无缺陷区域一样，即该段对数温度-对数时间曲线应该和无缺陷曲线一致，因而可由缺陷区域降温曲线中前几个温度值进行线性拟合而获得无缺陷温度曲线。

分离时刻或其前面若干帧时刻可选定为t₁，由于所选定热源具有一定的脉冲宽度，脉冲触发后开始前几帧受脉冲宽度影响较大，比如当采集频率为60Hz时，t₁可固定为分离时刻前第2帧。而t₂的选择要保证该时刻要在分离点时刻以后，为减小三维热扩散的影响，最大温差时刻及其前面若干帧时刻可取为t₂。为了减小噪声对计算精度的影响，最终结果可取t₂为最大温差时刻及其前面若干帧(比如10帧)的计算结果平均值作为测量值。

图1为本发明脉冲热成像法的检测原理图，同时也是应用本发明方法的实际系统的结构示意图。如图所示，一个或多个脉冲加热装置1对被测物体2表面21进行加热，红外热像装置3对着被测物体2的表面21，以获得被测物体2表面21的热图数据。计算机控制和采集系统4与脉冲加热装置1及红外热像装置3均相连，以控制脉冲加热装置1的启闭，以及采集红外热像装置3得到的热图数据，得到被测物体2表面21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、热扩散系数或者缺陷界面热反射系数的过程。该实施例中的被测物体2使用了如图2a和2b中所示的热特性参数已知的不锈钢材料作为被测基体材料，内有4个距表面21深度为1.1mm的圆平底孔和4个深度约为2mm圆平底孔，在1.1mm和2mm圆平底孔中分别注入水、油、蜡或不注入，以作为缺陷材料。

参考图1和图2，脉冲加热装置1对被测物体2表面21施加可见光能量，被测物体2表面21在闪光灯能量作用下温度升高，瞬间达到峰值，由于被测物体2表面21与物体内部的温度差，热量沿深度方向从物体表面21向物体内部传导。红外热像装置3实时记录被测物体2的表面温场的变化，计算机控制和采集系统4采集红外热像装置3得到的热图数据，得到被测物体2表面温场的热图序列。当被测物体2内部暗藏其他物质或者缺陷深度不同时，根据热波理论，在两种材料的界面上会发生热波的反射，因此影响物体表面的温度分布和变化过程，表现在被测物体2表面21中的相应区域与内部无缺陷对应的表面区域具有不同的降温过程，如图3所示。

参考图3，提取待计算缺陷区域与无缺陷对数温度-对数时间曲线的分离时刻前第2帧时刻作为t₁，提取缺陷与无缺陷温差最大值位置处及以前10帧的时刻，分别作为多个t₂。把t₁和每一t₂以及该缺陷降温曲线对应时刻的温度值带入公式(4)，由于所测试件各参数均为已知，可把其中一个参数当作未知参数，参数的实际值与本发明所测值比较可验证本发明的有效性。图3中以注入水和不注入(空气孔)为例说明，其他缺陷与此类似。

当缺陷深度作为未知值时，本发明所测深度结果如表一所示；当缺陷界面热反射系数为未知时，其测量结果如表二所示，通过所测界面热反射系数，当被测基体材料蓄热系数已知时，还可间接测量缺陷蓄热系数；当材料热扩散系数为未知时，且测量热扩散系数时通常为空气界面，其测量结果如表三所示。由这三个表格可以看出，本发明所测值与理论值误差均在百分之五以内。

表一.缺陷深度测量结果

表二.热反射系数测量结果

表三.热扩散率测量结果(理论值4.8×10^-6)

本发明的一种脉冲热成像技术在特定条件下用于测量缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的方法。该方法特点是采用脉冲热源对被测物体进行加热，并使用热像仪在脉冲热源同侧记录被测物体表面温度场的变化。通过对物体表面的温场变化进行运算和处理，当被测物体缺陷深度、热扩散系数和缺陷界面热反射系数这三个参数中任意两个参数已知时，该方法可实现另一个参数的定量测量。

本发明的理论基础基于反射式脉冲热成像法，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。在实际应用中，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。

具体的，本发明的一种脉冲红外热波技术在特定条件下测量缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的方法，包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，所述脉冲加热装置优选为高能闪光灯，同时使用红外热像装置连续观测和记录被测物体表面的温场变化，通过计算机控制和采集系统进行时序热波信号的采集处理得到被测物体表面的热图序列；

步骤2：根据获得的热图序列提取缺陷区域及无缺陷区域降温数据，并比较其对数温度-对数时间曲线；

步骤3：以对数温度-对数时间曲线中缺陷与无缺陷区域曲线的分离时刻点选定为t₁，考虑到所选定热源具有一定的脉冲宽度，可选择分离时刻点前面若干帧时刻为t₁，比如当采集频率为60Hz时，t₁可固定为分离时刻前第2帧。两曲线最大温差时刻作为t₂，并提取这两个时刻缺陷区域曲线上对应的温度值或辐射能量值ΔT(0，t₁)和ΔT(0，t₂)；

步骤4：a、当缺陷区域界面热反射系数R和被测物体热扩散系数α为已知时，利用公式(4) $\frac{\mathrm{\ΔT}\left(t_1\right)}{\mathrm{\ΔT}\left(t_2\right)}=\frac{\sqrt{t_2}}{\sqrt{t_1}}\·\frac{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_1}\right)}{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_2}\right)}$ 直接求解而获得缺陷深度L；

b、当缺陷深度L和热扩散系数α为已知时，t₂由步骤3中对数温度-对数时间曲线直接读出，或可由t＝2L²/α计算而得。然后利用公式(4)直接求解而获得界面热反射系数R。当e₁已知时，可以利用公式(3)

而获得缺陷蓄热系数e₂；

c、当缺陷区域界面热反射系数R和缺陷深度L为已知时，可利用公式(4)直接求解而获得被测物体的热扩散系数α；

步骤5：当采集频率为60Hz时，将t₂分别设为最大温差时刻前10帧的时刻值，重复步骤4进行计算，取平均值作为最终测量结果。

由此当被测物体缺陷深度L、热扩散系数和缺陷蓄热系数e₂这三个参数中任意两个参数已知时，该方法可实现另一个参数的定量测量。

本发明不需要参考曲线，仅对待计算的温度-时间曲线进行处理即可在特定条件下实现缺陷深度、热扩散系数或缺陷界面热反射系数的测量，即：这三个参数中任意两个参数为已知时，可测量另外一个参数。测量更为简便，应用更广，准确度也更高。

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 (6)

1.一种脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，同时使用红外热像装置连续观测和记录被测物体表面的温场变化，通过计算机控制和采集系统进行时序热波信号的采集处理得到被测物体表面的热图序列；

步骤2：根据获得的热图序列提取缺陷区域及无缺陷区域降温数据，并比较其对数温度-对数时间曲线；

步骤3：以对数温度-对数时间曲线中缺陷与无缺陷区域曲线的分离时刻点或其前面时刻选定为t₁，两曲线最大温差时刻作为t₂，并提取这两个时刻缺陷区域曲线上对应温度值或辐射能量值ΔT(0，t₁)和ΔT(0，t₂)；

步骤4：利用公式(4) $\frac{\mathrm{\ΔT}\left(t_1\right)}{\mathrm{\ΔT}\left(t_2\right)}=\frac{\sqrt{t_2}}{\sqrt{t_1}}\·\frac{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_1}\right)}{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{{\mathrm{\αt}}_2}\right)},$ 当缺陷区域界面热反射系数R、被测物体热扩散系数α和缺陷深度L三个参数已知其中两个时，能够求解出第三个，其中n为脉冲传播到两种材料界面发生的n次反射：

a、当缺陷区域界面热反射系数R和热扩散系数α为已知时，利用公式(4)直接求解而获得缺陷深度L；

b、当缺陷深度L和热扩散系数α为已知时，利用公式(4)直接求解而获得缺陷区域界面热反射系数R；

c、当缺陷区域界面热反射系数R和缺陷深度L为已知时，利用公式(4)直接求解而获得被测材料的热扩散系数α；

步骤5：为了减小噪声对上述结果的影响，固定t₁值并将t₂分别设为最大温差时刻之前若干帧的时刻值，重复步骤4进行计算，取平均值作为最终测量结果。

2.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，步骤2中当试件中不存在无缺陷区域时，根据降温曲线中前几个数据进行线性拟合而自动获得无缺陷降温数据。

3.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，步骤4b中的t₂由步骤3中直接读出，或当缺陷深度L和热扩散系数α已知时，由公式t＝2L²/α计算而得。

4.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，当采集频率为60Hz时，t₁固定为分离时刻前第2帧时刻。

5.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，步骤4b中当被测基体材料的蓄热系数e₁已知时，利用公式(3)

计算获得缺陷材料的蓄热系数e₂。

6.如权利要求1所述的脉冲红外热波技术定量测量方法，其特征在于，步骤5中当采集频率为60Hz时，t₂分别设为最大温差时刻前10帧的时刻值。

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