CN103630543A - 一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法，属于无损探伤检测技术领域。对待测试件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待测试件材料的性质设置。首先需选取具有所有常见缺陷类型的一个标准试件进行实验。提取热扩散特征，并建立缺陷判断判据，实现不同缺陷类型的判断；当涂层结构改变，比如涂层材料、涂层厚度等，应参照重新构建脱粘缺陷判据。

Description

一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法，属于无损探伤检测技术领域。 

背景技术

由于吸波涂层具有厚度薄、涂覆面积较大，使用环境恶劣，对使用性能要求高的特点；在成型过程中有可能产生气孔和界面脱粘等缺陷，为保证大面积涂层质量必须进行涂层无损检测。目前，检测吸波涂层质量的方法只有目视和敲击等，急需寻找一种快速且可靠的检测方法。因此，吸波涂层无损检测技术是一项空白。 

脉冲热成像技术是二十世纪九十年代后发展起来的常用红外热波无损检测技术之一。该技术以热波理论为理论依据，通过主动对被检测物体施加脉冲形式的可控热激励、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诊断。 

脉冲红外热波技术中，为了更有效的分析热图序列中是否存在缺陷，数据重建技术是一种常用方法，且广泛应用。其他方法，比如增强图像信噪比和图像对比度，神经网络和脉冲相位热图分析方法等也是常应用的方法，但是目前还没有较好的可应用于吸波涂层结构检测的缺陷判断方法。 

发明内容

本发明的目的是为了提出一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的。 

本发明是一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法，首先选取一个标准试件的热图序列中提取出热扩散特征值，并基于这些特征值实现其它实验热图序列中缺陷信号的自动识别。所选取的标准试件具有吸波涂层常见缺陷类型； 

步骤为： 

步骤1：使用脉冲闪光灯作为热源对标准试件进行热激励，同时使用红外热像装置获得其表面的原始热图序列T(x,y,t)，其中T为温度，x、y为标准试件的横纵坐标位置，t为时间，并将原始热图序列T(x,y,t)存储在通用存储器中；标准试件的缺陷有表面损伤、内部气孔和脱粘； 

步骤2：对所获得原始热图序列T(x,y,t)进行对数温度-对数时间多项式曲线拟合，并获得其一阶微分热图序列v(x,y,t)，其中v为T的一阶微分值； 

步骤3：分析一阶微分热图序列v(x,y,t)，确定疑似缺陷区域，如果该疑似缺陷区域在原始热图序列T(x,y,t)的首帧就表现出热异常，则表明其为表面损伤，也可结合其表面状况验证；否则，比较该疑似缺陷区域中心点和正常区域某参考点的一阶微分曲线，如果疑似缺陷区域中心点极大峰值时刻小于正常区域极大峰值时刻的70%，可以确认该疑似缺陷区域为内部气孔；如果疑似缺陷区域中心点极大峰值时刻与正常区域极大峰值时刻的比值为0.7-1，则认为该疑似缺陷区域为脱粘区域，则进行下一步； 

步骤4：选取n个（n>=10）脱粘区域，提取各脱粘缺陷区域的一阶微分曲线的极大峰值时刻，分别记为t_a1,t_a2…t_an，选取m个（m>=10）正常区域，提取 各正常区域的一阶微分曲线的极大峰值时刻，分别记为t_b1,t_b2…t_bm； 

步骤5：记各脱粘区域对应一阶微分曲线极大峰值时刻的平均值为t₁，记极大峰值后的极小峰值时刻的平均值为t₂，t₁和t₂两个时刻对应的一阶微分值分别为v₁和v₂，并得到v₁-v₂的差值，n个脱粘区域对应的一阶微分差值分别记为v_a1,v_a2…v_an，m个正常区域对应的一阶微分差值分别记为v_b1,v_b2…v_bm； 

步骤6：以v作为横坐标，t作为纵坐标，计算(v_a1,t_a1),(v_a2,t_a2)…(v_an,t_an)n个点的几何中心点，并记为(v_ca,t_ca)，计算(v_b1,t_b1),(v_b2,t_b2)…(v_bm,t_bm)m个点的几何中心点，并记为(v_cb,t_cb)； 

步骤7：计算序列(v_a1,t_a1),(v_a2,t_a2)…(v_an,t_an)各点到中心点(v_ca,t_ca)距离的均方差并记为d_a，计算序列(v_b1,t_b1),(v_b2,t_b2)…(v_bm,t_bm)各点到中心点(v_cb,t_cb)距离的均方差并记为d_b，记两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的距离为d₀； 

步骤8：选取(v,t)坐标平面中一直线作为脱粘缺陷和正常区域的分隔线，该直线即该分隔线与两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线垂直，且该分隔线与两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线的交点到中心点(v_ca,t_ca)的距离为：

记该分隔线为y=kv+b，其中斜率为

截距b可由两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线公式及分隔线与中心点(v_ca,t_ca)的距离求得； 

步骤9：对于一个待测试件，在相同实验参数和条件下重复步骤1-2，由步骤3判断热异常区域是否为表面损伤或气孔，否则的话，重复步骤4-5提取其极大峰值时刻t以及t₁和t₂时刻时一阶微分差值v。如果t>kv+b，则该区域为正常区域，否则为脱粘区域。 

对待测试件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待测试件材料的性质设置。 

所述步骤1中首先需选取具有所有常见缺陷类型的一个标准试件进行实验。提取热扩散特征，并按照步骤3-8建立缺陷判断判据，实现不同缺陷类型的判断； 

当涂层结构改变，比如涂层材料、涂层厚度等，应参照步骤3-8重新构建脱粘缺陷判据。 

本发明的意义在于提出了一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法。通过本发明可以实现吸波涂层红外热波检测的缺陷性质的判别，为吸波涂层研制和生产提供检测技术保障。 

附图说明

图1为涂层结构及缺陷示意图 

图2为脉冲红外热波技术检测原理图； 

图3为实施例中吸波涂层标准试件的结构示意图； 

图4为原始热图序列首帧热图； 

图5为7.5秒时一阶微分热图； 

图6为实验对数一阶微分曲线； 

图7为脱粘区域t_a和正常区域t_b与v关系图及分隔线示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

实施例 

对于涂层结构，可简单用图1表示，图中从左到右描述了涂层结构三种主 要的缺陷形式：表面损伤、内部气孔和涂层与基底间脱粘。 

图2为本发明脉冲红外热波技术用于吸波涂层检测的原理图，同时也是应用本发明方法的实际系统的结构示意图。 

下面将结合实施例来说明脉冲热成像法用于检测吸波涂层的过程。该实施例中使用了一个吸波涂层标准试件，其结构如图3所示，涂层厚度设计为1mm，实际略大于1mm。 

参考图3，高能闪光灯对被测物体表面施加可见光能量，被测物体表面在闪光灯能量作用下温度升高，瞬间达到峰值，由于被检物体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。红外热像仪实时记录被测物体的表面温场的变化，计算机采集红外热像仪得到的热图数据，得到被检测物体表面温场的原始热图序列。首先分析原始热图序列的首帧结果，其结果显示在图4中，由该图可以看出其有较多表面损伤，结合其表面状况，可以确认这些较黑区域均为表面损伤。对原始热图序列进行对数温度-对数时间5阶多项式拟合，并得到一阶微分序列。调整图像对比度，播放一阶微分序列，由于被测试件中缺陷区域仅占较小面积，在灰度图中较易分辨出正常区域，如图5所示。图中相比正常区域有较大灰度差异的区域可初步确认为缺陷,选取4个不同区域，其对应一阶微分曲线如图6所示。图6中两处区域的极大峰值时刻远小于正常区域的，其位置表面状况无异常，表明这两处对应区域存在内部气孔缺陷，且其所处深度不一样，峰值靠前的区域其对应深度更小。 

对于另外两条曲线，其极大峰值和极小峰值均有一定差异，这种差异造成的原因有：深度差异；曲线拟合过程等。但是其与理论模拟相吻合的是正常区域其值和脱粘区域有一定差异。在正常区域随机选取12个点，在6个较大脱粘区域（左边两列）中各选取3个点共18个点，分别提取这些点的一阶微分曲线中 的极大峰值时间，脱粘区域和正常区域的值分别存为t_a1,t_a2…t_a18和t_b1,t_b2…t_b12；计算t₁和t₂分别为100帧和400帧时刻，提取这些曲线在t₁和t₂时刻一阶微分差值，其差值分别记为v_a1,v_a2…v_a18和v_b1,v_b2…v_b12。以v作为横坐标，t作为纵坐标，所存的所有值显示在图7中。图中两个‘+’字分别代表脱粘区域和正常区域的几何中心点，按照步骤7所述计算两个区域各点到其对应中心点的距离均方差，其值分别为：0.2869和0.3514。由步骤7和8所描述的方法，可得到脱粘区域和正常区域的分隔线t=kv+b，其斜率为1.3940,截距为1.3397。该分隔线也在图7中画出，由该图可以看出，本发明所构建的脱粘区域和正常区域的分隔线能较好的分隔所选取的标准试件中的各脱粘缺陷和正常区域。 

通过上述处理后得到了脱粘缺陷的判据，对另外6个类似试件的实验结果进行处理，其涂层厚度基本相同。试件1到3所模拟的脱粘缺陷尺寸和图3所示一致，试件4到6采用正方形模拟缺陷，尺寸一致。对于每个试件所提取的数据点如表1所示，对于每个试件的三个φ7孔，每个孔均提取三个数据，其他的孔如果检测效果好则每个孔提取一个数据。没有提取数据的孔表示检测效果很差，热图中基本不可见。如果t>1.394v+1.3397，则表示该点对应正常区域，否则对应脱粘区域。表1结果表明对于较大的两个孔其判断准确率为100%，φ3孔的准确率只有58.33%，对于最小的孔由于其在热图中几乎不可见，因而，提取的数据有可能就是正常区域，判断结果完全错误。对于正常区域，其判错率仅为1.3%。因而，本发明所提出的方法对于脉冲红外热波技术通常的应用检测，也就是相对较大孔径的缺陷的判断准确率相对较高。 

表1.脱粘缺陷和正常区域判断结果 

	φ7	φ5	φ3	φ2	正常区域
						1-1试件	9/0	3/0			12/0
1-2试件	9/0	3/0			12/0
						1-3试件	9/0	3/0	3/0		15/1
1-4试件	9/0	3/0	3/2	3/3	12/0
						1-5试件	9/0	3/0	3/0	3/3	12/0
1-6试件	9/0	3/0	3/3	3/3	12/0

注：‘/’前数字为处理数据数，‘/’后数字为判断错误数。 

Claims (1)

1.一种利用脉冲红外热波检测吸波涂层缺陷的判定方法，其特征在于步骤为：

步骤1：使用脉冲闪光灯作为热源对标准试件进行热激励，同时使用红外热像装置获得其表面的原始热图序列T(x,y,t)，其中T为温度，x、y为标准试件的横纵坐标位置，t为时间，并将原始热图序列T(x,y,t)存储在通用存储器中；标准试件的缺陷有表面损伤、内部气孔和脱粘；

步骤2：对所获得原始热图序列T(x,y,t)进行对数温度-对数时间多项式曲线拟合，并获得其一阶微分热图序列v(x,y,t)，其中v为T的一阶微分值；

步骤3：分析一阶微分热图序列v(x,y,t)，确定疑似缺陷区域，如果该疑似缺陷区域在原始热图序列T(x,y,t)的首帧就表现出热异常，则表明其为表面损伤，也可结合其表面状况验证；否则，比较该疑似缺陷区域中心点和正常区域某参考点的一阶微分曲线，如果疑似缺陷区域中心点极大峰值时刻小于正常区域极大峰值时刻的70%，可以确认该疑似缺陷区域为内部气孔；如果疑似缺陷区域中心点极大峰值时刻与正常区域极大峰值时刻的比值为0.7-1，则认为该疑似缺陷区域为脱粘区域，则进行下一步；

步骤4：选取n个（n>=10）脱粘区域，提取各脱粘缺陷区域的一阶微分曲线的极大峰值时刻，分别记为t_a1,t_a2…t_an，选取m个（m>=10）正常区域，提取各正常区域的一阶微分曲线的极大峰值时刻，分别记为t_b1,t_b2…t_bm；

步骤5：记各脱粘区域对应一阶微分曲线极大峰值时刻的平均值为t₁，记极大峰值后的极小峰值时刻的平均值为t₂，t₁和t₂两个时刻对应的一阶微分值分别为v₁和v₂，并得到v₁-v₂的差值，n个脱粘区域对应的一阶微分差值分别记为v_a1,v_a2…v_an，m个正常区域对应的一阶微分差值分别记为v_b1,v_b2…v_bm；

步骤6：以v作为横坐标，t作为纵坐标，计算(v_a1,t_a1),(v_a2,t_a2)…(v_an,t_an)n个点的几何中心点，并记为(v_ca,t_ca)，计算(v_b1,t_b1),(v_b2,t_b2)…(v_bm,t_bm)m个点的几何中心点，并记为(v_cb,t_cb)；

步骤7：计算序列(v_a1,t_a1),(v_a2,t_a2)…(v_an,t_an)各点到中心点(v_ca,t_ca)距离的均方差并记为d_a，计算序列(v_b1,t_b1),(v_b2,t_b2)…(v_bm,t_bm)各点到中心点(v_cb,t_cb)距离的均方差并记为d_b，记两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的距离为d₀；

步骤8：选取(v,t)坐标平面中一直线作为脱粘缺陷和正常区域的分隔线，该直线即该分隔线与两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线垂直，且该分隔线与两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线的交点到中心点(v_ca,t_ca)的距离为：记该分隔线为y=kv+b，其中斜率为

截距b可由两个中心点(v_ca,t_ca)和(v_cb,t_cb)之间的连线公式及分隔线与中心点(v_ca,t_ca)的距离求得；

步骤9：对于一个待测试件，在相同实验参数和条件下重复步骤1-2，由步骤3判断热异常区域是否为表面损伤或气孔，否则的话，重复步骤4-5提取其极大峰值时刻t以及t₁和t₂时刻时一阶微分差值v；如果t>kv+b，则该区域为正常区域，否则为脱粘区域。

Images