CN103149240A - 自动跟踪热波成像无损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热激励红外成像在线无损检测系统，用于检测各种金属与非金属材料的内部缺陷及结构。其系统包括红外热成像仪，热激励源，可见光摄像机，自动精密控制云台，控制系统及数据处理器。具有自动跟踪锁定被测物体的功能，特别适用于处于非静止状态物体的红外热波无损检测。

Description

自动跟踪热波成像无损检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热激励红外热波成像在线无损检测系统，用于检测各种金属与非金属材料的内部缺陷及结构，系统具有自动跟踪被测物体的能力，特别适用于检测处于非静止状态的物体，属于红外无损检测的技术领域。

背景技术

随着新材料、新技术的快速发展，对各种新型无损损检测技术的需求也快速的增长。例如在航空航天领域，复合材料的运用已成为现代航空航天领域装备先进性的重要标志之一。随着各种特殊金属材料和复合材料在机身、机翼、涡轮叶片、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及机身结构等部位的应用，对无损检测的要求逐步增加。同样在新能源领域的复合材料应用也在快速成长，如风力发电机的叶片目前主要都是由玻璃纤维填充树脂材料制成的。

复合材料结构通常采用蜂窝结构和多层粘胶的方式，具有高强度和重量轻的优点，但同时在制造和使用的过程中经常会产生内部缺陷，如分层、脱粘、裂缝等，大大影响了材料的强度和使用寿命。对复合材料的无损检测可以采用传统的超声探伤技术，但该技术要求探头接触被测物体，逐点扫描，费时费力，对于结构复杂的材料如蜂窝状板材的检测更是困难。因此红外热波成像无损检测技术对复合材料的检测显得具有很大的优势，如可以远距离非接触、大面积快速检测。具有主动热激励源的热波成像技术的基本原理是对样品采用能量束进行预加热，然后动态地监测样品表面温度，根据热扩散过程中表面温度随时间所发生的变化可推导出内部缺陷的存在及形态。该技术是于近年来发展迅速的一种新型无损检测方法，其特点是非接触式，对样品表面没有要求，不损伤样品，还可以直接实行远距离探测，对检测周围环境没有特殊要求，设备轻便、可移动，特别适合现场应用和在线、在役检测，对于及时发现各种材料内部隐患，减少或避免重大事故的发生，具有重要的应用价值。

由于需要对被测物体连续采集图像，然后分析每个像素随时间的变化特性，因此要求被测物体在这些连续的图像中处于静止状态。

图1是热波成像无损检测基本原理示意图。激光束40投射到被测物体43上对被检测区域42加热，红外摄像仪44接收来自所述被加热区域42的热辐射41并连续成像，通过分析红外图像随时间的变化可以得知被测物的内部结构及缺陷。这就要求所述被测物43在测试过程中处于静止状态，否则图像中每个像素相对于被测物体43上的部位将会随着时间发生变化，从而无法分析出被测物体上表面温度随时间的变化。因此目前的热波无损检测系统都要求被测物体处于静止状态。复合材料通常导热率低，且材料的厚度比较大，在几毫米到几十毫米范围，因此检测的时间周期比较长，通常可达数分钟以上。很多被测物体在这个时间内会发生移动。特别是户外在役的情况，如安装在风力发电机上的叶片，即使是在制动的情况下也会受到风力的影响而产生移动，这会严重地影响到对被测物体的有效检测。

发明内容

本发明的目的就是针对此类热波无损检测技术的不足，提供一种热波成像自动跟踪装置及方法，在样品发生移动的情况下仍可以跟踪锁住样品的位置进行热波成像检测。

按照本发明提供的技术方案，其系统包括红外热成像仪，热激励源，可见光摄像机，自动精密控制云台，控制系统及数据处理器。上述热激励源用来对被测物体进行非接触加热。它们通常是各种能够投射的能量源，特别是各种光束，比如高能量闪光灯、大功率红外灯及高功率激光器等。闪光灯具有瞬间释放很高能量的特点，适合于一些较薄或导热快的样品，而激光器具有指向性好，可以远距离传递的优点。为了叙述方便，本说明书在叙述时将以主要以激光器来代表热激励源。

所述红外摄像仪用于采集样品的热波图像，其检测的敏感波段通常在2-12微米范围。可见光摄像机则是用于被测物体的光学图像与红外图像进行的对比，以利于缺陷的定位及对被测体进行跟踪。红外摄像仪、可见光摄像机及激光器安装在自动控制云台上，红外摄像仪和可见光摄像机的视场与激光器的光斑预先对准重合，保持相对位置固定，当云台调整的时候它们整体一起移动，自动云台控制系统及数据处理器用于计算被测物体的位置并实时进行调整。

所述自动跟踪热波成像无损检测方法包括以下步骤：

a.调整云台位置，使得激光器与红外热成像仪对准被测物体的待测部位，打开激光器开始对样品加热；

b.通过不断监测可见光摄像机图像，根据被测物体的光学特征，例如边缘等判断被测物体位置的偏移量；

c.根据偏移量调整自动控制云台的偏转角度来补偿使得被测物体在图像中的位置保持不变。

本发明的优点在于可以对处于非静止状态的被测物体进行热波检测，这对于在使用现场的在线检测具有很重要的实用意义。例如对风力发电机叶片的在线检测，由于叶片基材的导热性很低，且厚度很大，检测所需时间比较长。在检测的过程中，即使处于制动的状态，由于风力的影响叶片会发生缓慢转动。所以本发明装置特别适用于此类的应用。

附图说明

图1为本发明系统的在线检测示意图。

图2为本发明一种实施方式示意图。

图3为本发明第二种实施方式示意图。

图4为本发明系统样品检测过程的流程图。

图5为一种用于本发明实施例的光束偏转装置。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2所示，本发明系统包括激光发生器29、激光投射头27、红外摄像仪25、可见光摄像机26、可水平转动与俯仰调节的云台23、云台控制器31、数据采集处理器32等。其中激光投射头27、红外摄像仪25和可见光摄像机26组成系统光学检测模块24，并通过所述云台23连接在支撑架21上。

如图2所示，所述激光发生器29用来对被测物体进行加热，激光束通过光纤28传送到系统光学检测模块24，光束经过整形后从激光投射头27投射到被测物体上。所述红外摄像仪25用于接收从被测物体辐射出的红外信号，并将图像传到数据采集处理器32。

所述可见光摄像机26用于观测被测物体的位置，确定可见光图像和红外图像的相对位置。在测试过程中，如果被测物体发生移动，可以通过可见光摄像机26的图像发现并加以计算，根据偏转量大小由云台控制器31通过电缆30来控制调整云台23的水平转动和俯仰角度，以保持被测物体在红外摄像仪的视场中的位置不变。

所述激光器29可选用功率较大，如在100W到1000W左右，的红外波长或其它能被被测物体最佳吸收的波长范围。可以是连续或是脉冲的。当然如前所述，其它形式的能量辐射源也是可以作为热激励源的，如微波、超声波、闪光灯、红外灯，等等。

所述红外摄像仪25可以是制冷型或非制冷型的，工作波长在中红外区，一般在2-12微米，对应被测物体加热升温后的最大辐射范围。

采用上述结构的红外热波成像无损检测系统对被测物体进行检测时的流程图如图3所示，具体采用如下几个步骤：

a.首先调整云台23的偏转角度，使得激光器27与红外热成像仪25及可见光摄像机26同时对准被测物体的待测部位，打开激光器29开始对样品加热；

b.数据采集处理器32采集红外摄像仪25的图像并进行处理；

c.数据采集处理器32采集可见光摄像机26的图像并进行处理，通过判断被测物体的特征图形，如边缘或表面形貌特征等来确定被测物体的位置和移动量；

d.数据采集处理器32通过云台控制器不断地调整自动控制云台23的角度来补偿被测物体的位置偏移。

实施例2

所述实施例1中的设计方案具有跟踪范围大的优点，但其光学检测模块24的体积和重量都较大，使得云台自动跟踪系统变得比较复杂和庞大。对于被测物体的移动范围较小的情况，即被测部位不会移出摄像仪的成像范围时，红外摄像仪和可见光摄像机可以处于非跟踪状态，此时系统可以省去自动跟踪云台而得到很大简化。由于热激励源的功率有限，激光束仍需要跟踪，但光束的偏转从机械上来说是很容易实现的。

如图4所示，系统省去了自动跟踪云台及其控制器，采用了激光束偏转装置29，在数据采集处理器32的控制下激光束33的出射方向可以发生偏转，使得加热部位保持在被测物体的相同区域。

所述激光束偏转装置50有很多方法可以实现，最常见的是二维扫描振镜。在偏转角度较小的情况下，图5所示是一个简单的设计。所述激光束偏转装置50包括两个透镜，相距略为两个透镜焦距相加。准直的入射光束51先经过透镜53，再经过54后成为准直光束52，所述透镜54可以在垂直光轴方向的平面中移动，当透镜54的光心偏离光轴55时，光束52将发生相应的偏转。

在这个设计中红外摄像仪和可见光摄像机没有自动跟踪功能，实施例2中被测物体在红外及可见光图像中的位置可能发生偏移，因此数据采集处理器32需要同时采集和红外图像在时间上相对应的可见光图像，用来修正被测物体43在红外图像中的偏移。

采用上述结构的红外热波成像无损检测系统对被测物体进行检测时的流程采用如下几个步骤：

a.首先调整云台23的偏转角度，使得激光器27与红外热成像仪25及可见光摄像机26同时对准被测物体的待测部位，调整被测物体在红外摄像仪中的位置及大小，使得被测物体在有一定偏移时仍然处于摄像仪的视场范围以内。

b.数据采集处理器32采集红外摄像仪25的图像并进行处理；

c.数据采集处理器32采集可见光摄像机26的图像并进行处理，通过判断被测物体的特征图形，如边缘或表面形貌特征等来确定被测物体的位置和移动量；

d.数据采集处理器32通过激光偏转装置29不断地调整动激光束33的偏转方向使其保持在被测物体的检测部位。

e.在处理所采集的红外热波图像时，对照同时采集的可见光图像，从中找出被测物体的偏移量，并对红外热波图像的被测物体位置进行校正。

实施例2的显著优点是系统省去了自动跟踪云台，降低了成本，减轻了重量，提高了系统的稳定性。

Claims (9)

1.一种红外热波成像无损检测系统，包括偏转角度可调云台(23)与数据采集处理器(32)，其特征是：所述云台(23)上设有红外摄像仪(25)，可见光摄像机(26)，及热激励源(27)，所述红外摄像仪(25)与可见光摄像机(26)的视场与所述热激励源(27)的光束重合在被测物体(43)上；所述数据采集处理器(32)控制所述云台(23)的偏转，保持所述被测物体(43)在红外摄像仪(25)视场中的影像位置不变。

2.根据权利要求1所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是：所述热激励源(27)为激光器。

3.根据权利要求1所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是：所述热激励源(27)为闪光灯。

4.根据权利要求1所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是：所述热激励源(27)为红外卤素灯。

5.一种红外热波成像无损检测方法，包括如下步骤：

(a)调节可调云台(22、23)的位置与角度，预设红外热成像仪(25)及可见光摄像机(26)对准被测物体的待测部位，打开激光器(29)对被测物体的待测部位加热；

(b)数据采集处理器(32)连续采集红外摄像仪(25)的图像并进行数据处理及存储；

(c)数据采集处理器(32)同时采集可见光摄像机(26)的图像并进行实时处理，通过图像中被测物体的特征图形的在图像中的位置判断被测物体的偏移量；

(d)数据采集处理器(32)调节可调云台(22，23)的角度，使得被测物体的影像一直保持在红外图像中的固定位置。

6.一种红外热波成像无损检测系统，包括偏转角度可调云台(23)，数据采集处理器(32)，及激光器(29)，其特征是：所述云台(23)上设有红外摄像仪(25)与可见光摄像机(26)，所述红外摄像仪(25)与可见光摄像机(26)的视场重合于被测物体(43)上；所述激光器(29)的输出光束(33)通过光束偏转器(50)投射在所述被测物体(43)上；所述数据采集处理器(32)控制所述光束偏转器(50)的调整输出光束(33)出射角度，在所述被测物体(43)发生移动时，保持所述输出光束(33)投射在所述被测物体(43)上的位置不变。

7.根据权利要求6所述的光束偏转器(50)为二维可调转镜系统。

8.根据权利要求6所述的光束偏转器(50)由透镜(53)与透镜(54)组合完成，其特征是：所述透镜(53)，透镜(54)的距离基本为两个透镜焦距之和，透镜(54)可以在垂直光轴的平面内移动。

9.一种红外热波成像无损检测方法，包括如下步骤：

(a)设置可调节支架(21)使得红外热成像仪(25)及可见光摄像机(26)对准被测物体(43)的待测部位(42)上，打开激光器(29)，调节光束(33)的出射方向使得光束(33)照射在待测部位(42)上；

(b)数据采集处理器(32)连续采集红外摄像仪(25)的图像并进行数据处理及存储；

(c)数据采集处理器(32)采集可见光摄像机(26)的图像并进行实时处理及存储；

(d)数据采集处理器(32)通过分析图像中被测物体的光学特征的位置判断被测物体的偏移量；

(e)数据采集处理器(32)调节激光器(29)输出光束(33)的角度，使得其光斑一直保持着被测物体的预设位置上；

(f)通过比较可见光图像，修正红外图像中被测物体的位置。

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