CN103245668A - 一种激光扫描热波成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光扫描热波成像方法，采用高功率激光束，由光束偏转装置控制对样品的表面进行快速扫描，实现脉冲热激励。利用脉冲激励的快速降温周期进行移相热波无损检测，探测近样品表面的缺陷。再利用激光重复扫描积累的热能在退温时的长周期进行常规热波无损检测，探测样品深部的缺陷。这样通过在激光扫描热激励和去激励过程采用不同的热波检测方法，实现对样品从浅表层到内部深层缺陷的同时探测。

Description

一种激光扫描热波成像方法

技术领域

本发明涉及一种热激励红外热波层析成像无损检测方法，系统采用高功率激光束对被测物体高速扫描，激发的热波用于同时检测样品近表面和内部的缺陷，属于红外无损检测的技术领域。

背景技术

热波层析成像无损检测基本原理是首先采用热激励源对被测物体表面进行加热，使其与被测物体内部的温度形成热势差，从而热能从表面向物体内部流动。如果物体内部的热学特性具有非均匀性，比如断裂或空隙等缺陷，热流的传播将会受到影响，使得部分热流被反射回到物体的表面，因此被测物体的表面温度分布会随时间发生相应的变化。利用红外摄像仪连续采集来自被测物体的热辐射，通过分析这些随时间变化的红外图像可以得到热波被反射的时间和强度，因此可以得知被测物体内部的缺陷及结构。

随着新材料、新能源、高速铁路、核工业及航空航天等工业的快速发展，对无损检测技术的要求日益增加。热波检测技术应用广泛，从小的方面讲，可对半导体材料包括太阳能电池的测试、集成电路的封装测试、半导体光源的封装导热性能的测试、以及金属及其他非透明薄膜的测量等。从大的方面讲，可对飞机和航天器的外壳的内部粘合状况及腐蚀程度，水下舰只的外壳、气体和液体的输送管线，火车轨道及轮盘，锅炉锅体，汽车外壳及漆层质量等进行评估，从而及时发现隐患以避免事故。

相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，红外热波成像技术具有独特的优势。而且这个技术尤其对复合材料的检测十分有效。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。通常复合材料是采用多层纤维胶合的方式或蜂窝夹层结构，具有高强度和重量轻的优点。由于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虽然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，超声波技术的使用是十分困难的。

在热波层析成像时，根据样品的特性有两种热激励方式。对于比较薄的样品、特别是高导热率的材料，例如半导体晶片及太阳能硅片等，热激励的时间必须很短，否则热波的回波到达表面时热激励还没结束，影响检测。而对于比较厚或导热率差的样品，热波的变化缓慢，对热激励的能量要求高，所以通常采用恒定的热激励源，如大功率红外灯等，加热的时间很长，热源取消后再进行图像采集，采样速率可以很慢。

对快速变化热波信号的检测需要解决两个问题，高能量短脉冲热激励和高速图像采集。针对高能量短脉冲热激励的问题，目前国外市场上的产品都采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如其总能量有限，每次测试的面积不能太大；光束发散，不能远距离作用；闪光脉冲周期极短，而且不可调，过高的峰值功率会造成样品的损坏；灯管的使用寿命有限，设备体积庞大、不易移动等。针对高速图像采集的问题，目前只有采用具有高帧频功能的热像仪，这种热像仪十分昂贵，而且输出的图像分辨率随着帧频的提高大幅度下降。

中国发明专利申请（申请号2013101306946）描述了一种采用激光移相扫描热激励的热波层析成像方法，可以解决浅层缺陷的检测。该项技术提供了快速热波无损检测所必需的短脉冲热激励与高速采样，特别适合于比较薄的、特别是高导热率样品的近表面附近缺陷的检测。但是该方法并不适用于检测样品内部较深的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对上述热波无损检测技术的不足，提供一种热波无损检测方法，结合高速激光步进扫描热激励与长周期热激励，同时实现检测被测物体近表面和体内深层的缺陷。

所述激光扫描热波成像方法采用的系统如图1所示，主要包括数据处理与控制单元20、高功率激光器21、红外热像仪22、激光扫描振镜25等。激光器输出光束27通过光学组件26成为扇状线形激光束30并在被测物体28表面进行一维扫描，激发的热波信号由红外热像仪22采集并送到数据处理与控制单元20。数据处理与控制单元20同时控制振镜25和红外热像仪22，使得激光束30的行扫描频率与红外热像仪22的行频同步，但有一个相对时差，而且这个相对时差随着每帧图像的扫描在逐步递增，这样在每帧图像上所有像素的热波信号和该像素所对应的热激励之间保持同一延迟量，而每帧图像之间这个延迟量在逐步递增，直至到达一个帧频周期。将这一系列热波图像排列起来，对所有图像中同一位置像素的热波信号进行拟合，就可以得到热波随时间的变化。这时的采样周期为每帧图像的延迟递增量，这个增量越小，等效的采样频率越高。

利用激光线形光束连续扫描，使得能量在被测物体表面被吸收后再扩散到体内，产生快速的热激励-冷却的过程。采用上述步进热波采样方法，可以检测到被测物体近表面的缺陷。

上述这种连续扫描使得被测物体的温度逐步上升，当到达一定温度后，停止激光扫描，被测物体的内部由于积累了较多的能量，因此温度下降缓慢，此时通过采集缓变的热波图像，可以实现对被测物体内部较深缺陷的检测。

附图说明

图1为单脉冲热波成像技术原理图。

图2为激光扫描热波成像技术原理图。

图3为本发明方法所采用的系统原理图。

图4为本发明方法所采用的光学成像部分原理图。

图5为激光连续扫描所产生的热波信号随时间的变化。

图6为背景修正的激光连续扫描所产生的热波信号。

图7为本发明方法实施方式示意图。

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。

图1所示的是常规单脉冲热波层析成像技术的原理。在高能量脉冲热激励后，被测物体表面温度快速升高，然后开始下降，红外摄像仪连续采集热波图像34，记录被测物体表面温度的下降过程。这一系列热波图像34代表不同时刻的物体表面温度，将热波图像34中的热波信号值35取出用曲线36拟合，得到样品表面热波的变化趋势。经过对曲线36进一步数据处理，可以得到被测物体内部缺陷的信息。为了准确拟合曲线，需要采集一定密度的热波信号值35。在常规的热波成像系统中，图像采集速度受限于帧频。对一些热传导速度很快的样品，表面温度下降快速，或者缺陷位于浅表层，热波信号从热激励到反射回来的时间间隔很短，使用常规的帧频采样显然是不够快的。

中国发明专利申请（申请号2013101306946）描述了一种激光步进扫描热波成像方法，有效地解决了热波采样帧频不高的限制。该方法的基本原理如图2所示，与上述常规热波层析成像技术采用的一次热激励、连续采集多帧图像的方法不同，所述激光移相扫描热波成像技术采取重复热激励，每次热激励的升温曲线37和降温曲线39基本是相同的。每次热激励后的热波图像38的采集会有一个延迟量，这个延迟量每隔至少一帧都会逐步递增，最后得到一系列图像38。将这一系列图像38上的每个像素点的热波信号拟合起来，就可得到该点热波随时间变化的曲线39。

图3所示的是本发明方法所采用的激光移相扫描热波无损检测系统方框图，包括数据处理单元20、高功率激光器21、红外摄像仪22、扫描控制单元24、振镜25、红外滤波片23、透镜26等。透镜26将激光器光束整成扇状一字形激光线束30，在被测物体28上的检测区29进行扫描。所激发的热波信号由红外摄像仪22接收并送到数据处理元20；滤光片23用于滤去热波信号以外的波长，特别是激励光束的波长。扫描控制单元24控制激光束30和红外摄像仪22的扫描，使得两者的帧扫描速率一致，但有一个递增的延迟量。

图4所示的是所述激光移相扫描热波无损检测系统成像部分的光路图，红外摄像仪22的镜头43将检测区29投影到红外摄像仪22的红外焦平面探测器40上，线激光束30投影在红外焦平面探测器40的影像位置42上，红外焦平面探测器40的当前读出行41相应于检测区29的位置46。激光束影像位置42与当前读出行41之间的行距除以行扫描频率，为热波信号相对于热激励的延迟时间。例如对一个帧频为30Hz的红外摄像仪，帧频周期为33ms，如果当前读出行41和激光束30的影像位置42的差距为1/3帧，则读出的热波信号相对于激发时刻的延迟为11ms。

当激光线束30在被测物体28表面连续扫描时，热能扩散到被测物体28内部并不断地积累，因此被测物体28的温度会逐步上升，如图5所示，曲线62表示的是激光扫描的加热过程，曲线60表示的是降温过程，而曲线61代表被测物体28的平均温度的上升。平均温度曲线61的变化相当于同等功率的连续激光器静止所照射产生的温升。由于每次激光束扫描后温度都在不断地升高，如果不进行修正，拟合出的曲线60将有误差。因此在数据处理时必须用背景温度曲线61对测到的热波信号进行修正，以得到正确的热波曲线60。

根据一维热扩散方程，在强度为P₀的激光照射下，被测物体表面温度T随时间t的变化为：

T(t) = T₀ + aP₀/[√(C·r·K) ]·√(t)，

其中T₀是被测物体平衡温度，a为光学吸收常数，r为材料密度，C、K分别为热学常数。可以看出被测物体表面平均温度和热激励时间的平方根成正比，热激励的时间越长，温度上升的速度越缓慢。刚开始扫描时，温度上升比较快，这时的热激励升温与降温曲线的幅度会发生变化。当被测物体28的温升比较缓慢后，热激励升温与降温曲线基本重复性很好，这时采集一系列图像38，再从每个像素的热波信号中减去对应时间的背景温度。修正过的数据如图6所示。背景温度曲线61可以通过对连续采集的图像38的信号进行拟合获得，也可以由一个单独的红外探测器记录得到。

激光线束30在被测物体28表面连续扫描使得被测物体28储存的热能不断升高，这是一种长周期热激励方式。如图7所示，在t₀之前，激光线束30连续扫描被测物体28，被测物体28表面的温度呈周期性加热，平均温度持续上升，如曲线64表示。在这个时期，可以采用激光移相扫描热波成像技术进行高采样频率的图像采集，适合于探测近表面的缺陷。

于此同时，被测物体28的温度呈上升趋势，如曲线65所示。从t₀开始，激光停止扫描，被测物体28开始降温，由于热能在体内积蓄很多，热扩散过程相对缓慢，如曲线66所示，此时采用常规的帧频采样方式，可以对比较深层的缺陷进行检测。这种检测方式适合于一些厚的或热导率低的样品，特别是非金属，如塑料或各类纤维增强树脂材料。因此本发明的特征为，在激光扫描热激励过程和退激励过程采用不同的图像采集方法，实现对被测物体从浅表层到内部深层缺陷的同时进行探测。

Claims (8)

1.一种红外热波层析成像无损检测方法，包括以下步骤：

将被测物体置（28）放在红外热像仪（22）的视场中；

采用激光束（27）对所述被测物体（28）进行逐行扫描，扫描频率与所述红外热像仪（22）的焦平面探测器（40）的读出频率保持相关；

每隔至少一帧，改变所述激光束（27）的扫描与所述焦平面探测器（40）扫描之间的延迟量；

连续采集至少两帧热波图像（60），记录与每帧所述热波图像（60）相对应的所述延迟量；

对所述采集到的热波图像（60）进行背景温度（61）校正；

对一系列所述经背景温度校正的热波图像（62）进行热波层析分析。

2.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述背景温度61由激光束27扫描时的热波图像60拟合所得。

3.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述背景温度61的拟合公式正比于热激励时间的平方根。

4.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述背景温度61的拟合公式为多项式。

5.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述背景温度61由一单个元素红外检测器采集所得。

6.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述背景温度（61）校正方法包括从所述热波图像（60）的信号值中减去对应时间的所述背景温度（61）。

7.如权利要求1所述的红外热波层析成像无损检测方法，所述热波层析分析包括以下步骤：

将每帧所述热波图像（60）中对应同一个像素的热波信号取出，按时间顺序排列成一数列组；

所述数列组中相邻两个数值的时间间隔为相应两帧热波图像（60）采集时的延迟量的差；

对所述数列组与所述采用数值公式进行拟合并得到拟合曲线；

记录所述拟合曲线的最大值与最大值的位置；

对所述热波图像（6）中的每个像素进行上述分析；

将所述拟合曲线最大值组合成为一幅图像；

将所述拟合曲线最大值出现的时间值组合成为又一幅图像。

8.一种红外热波层析成像无损检测方法，包括以下步骤：

将被测物体置放在红外热像仪（22）的视场中；

采用激光束（27）对所述被测物体（28）进行逐行扫描，扫描频率与所述红外热像仪（22）的焦平面探测器（40）的读出频率保持一定的同步关系；

每隔至少一帧，改变所述激光束（27）的扫描与所述焦平面探测器（40）扫描之间的延迟量；

连续采集至少两帧热波图像（60），记录与每帧所述热波图像（60）相对应的所述延迟量；

对所述热波图像（60）用背景温度（61）进行校正；

对一系列所述热波图像（62）及相对应的所述延迟量进行热波层析分析，得到浅层缺陷信息;

持续扫描激光束（27）直到预设的时间后停止；

在物体温度下降期间，使用所述红外热像仪（22）连续采集不少于两帧系列热波图像（34）；

对所述系列热波图像（34）进行热波分析，得到所述被测物体（28）的深层缺陷信息。

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