CN103644854A - 一种基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光扫描热波成像技术的膜层厚度检测方法，采用高功率线状激光束对试件表面进行快速扫描，扫描方式可以是多次重复扫描，激光束的帧扫描与热像仪帧扫描之间有一个相对延迟量，并且延迟量在逐步改变，从而实现对试件的热波信号进行高速采集。将得到的被测试件的热波信号变化曲线与理论模型进行拟合，从而得到被测试件的厚度。本发明通过上述技术方案，采用激光扫描方式进行高帧频采集，实现对较薄膜层的厚度检测。

Description

一种基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于热波成像技术的膜厚测量方法，特别是激光扫描热波成像技术，属红外无损检测技术领域。 

背景技术

随着科学技术的快速发展，涂层及薄膜的应用越来越广泛，工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，比如要求在线、动态、非接触、实时的进行检测等等。这些都需要采用更先进的技术和检测手段。目前对膜层厚度的检测所使用的方法主要包括探针法和光学法，但这些方法不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求，如探针法属接触型的检测，不适用于很多应用场合，而光学法大多要求试件为透明介质，无法有效检测一些如涂层以及漆层的非透明试件，因此需要采用一些先进的检测技术。

热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是首先采用热激励源对试件表面进行加热，产生的热脉冲向试件内部传播，当热波在试件内遇到缺陷或者热阻抗发生变化的地方就会有一部分热能被反射回到试件的表面，在试件表面产生一定的温度分布，并且随时间变化。利用红外热像仪连续采集来自试件表面的温度随时间变化的信息，再通过现代图像信息处理技术对热波信号进行采集、数据处理和分析，从而实现对试件厚度的测量。相比传统的无损检测手段，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，比如非接触、大面积成像、对热学性质敏感等，因此能够满足现代工业很多对膜层厚度进行检测的要求。

对于较薄的膜层、特别是高导热率材料膜层的检测，因其热波信号变化很快，要求热激励的时间必须很短，否则热波的回波到达试件表面时热激励还没结束，影响检测精度。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、重复性不佳、光束发散、不能远距离作用，等等。而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而大幅度下降。上述种种现有技术的缺点限制了膜厚测量的精度。

发明内容

本发明的目的就是针对目前膜层厚度测量技术的不足，提出基于激光扫描热波成像技术的膜层厚度的测量方法。激光器具有输出功率稳定，能量分布均匀，故能很好地运用于膜厚的检测。本发明采用大功率连续激光器作为热激励源，由光束整形装置调整光斑的形状，由振镜控制对膜层的表面进行快速扫描，再通过红外热像仪记录其温度随时间变化曲线，再与理论模型进行拟合，进而推导出膜层厚度。

激光扫描热波成像技术可以有效地解决短脉冲热激励和高帧频采集两个问题。首先当连续输出的高功率激光在膜层表面快速扫描时，对于膜层任何一个固定点，其被激光照射的时间可以看成是一个短脉冲，激光扫描速度取决于试件热导率和膜层厚度。

本发明基于激光扫描热波成像技术，在膜层厚度检测时包括如下步骤：

a、采用线状激光束对膜层表面进行快速扫描，同时使用红外热像仪连续采集膜层表面温度的变化，得到膜层表面热图序列；

b、根据所采集的热图序列和激光束扫描的方向与速率，得到膜层表面各点的温度随时间变化曲线；

c、将该时间随温度变化曲线与膜层相应的理论模型进行拟合，得出各点的膜层厚度。

常用热像仪帧频在30-60Hz，帧频周期在17-33毫秒，这对于检测特别薄的膜层厚度是比较困难的，因为在这种情况下，热波变化速度非常快，在单个热激励周期中采样点不够多，不能获得准确的热图序列，拟合的效果不好。为此，对于特别薄的膜层，本发明采用多次重复扫描的方法来获得膜层表面各点温度热图序列，并且每次激光束的扫描起始时间有一个延迟。具体步骤如下：

a、采用线状激光束对膜层表面进行快速扫描，同时使用红外热像仪连续采集膜层表面温度的变化，得到膜层表面热图序列；

b、重复至少一次上述扫描过程，并且每次扫描时改变激光帧扫描与热像仪帧扫描之间的时间延迟；

c、将采集的多个热波图像序列中的每帧图像按其延迟时间重新顺序排列，得到膜层表面各点的温度随时间的变化曲线；

d、将所述时间随温度变化曲线与膜层相应的理论模型进行拟合，得出各点的膜层厚度。

在实际应用中，每次扫描周期的试件基础温度有所增加，因此需要对热波图像序列进行基础温度的校正，以使得所有的扫描周期的温度变化曲线完全一致。

激光重复扫描时的延迟量每次增加的大小决定了等效采集帧频，这个增量越小，热像仪等效采集帧频就越高，重复扫描的次数要求越多，膜层厚度测量就越精确。

附图说明

图1为用于本发明方法的激光扫描热波成像系统方框图；

图2为试件表面不同点的热波信号随时间变化示意图； 

图3为不同厚度膜层的热波信号随时间变化曲线； 

图4为激光重复扫描的热波信号随时间变化曲线；

图5为经背景温度校正的激光重复扫描的热波信号随时间变化曲线；

图6为多次扫描采集的热图序经列重新排列后的热波信号随时间变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的特点能够更好地被理解，以下将结合具体附图和实施例对本发明做进一步说明。

当采用线状激光扫描进行热激励时，试件内部温度场可以近似为二维热传导方程的求解问题，通过试件表面温度场的变化可以导出膜层的厚度。对于无穷大均匀介质，平行于试件表面的线状均匀激光束扫描时，所激励的热波场可以简化成下面的热传导方程：

其中，是t时刻材料内距激光扫描起始点距离为x深度为z处的温度，z = 0表示试件表面处，q表示激光扫描热激励源函数，沿着x正向坐标以速度v扫描，其中q为常数，是单位面积上施加的热量，是热传导率。密度

与比热c的乘积是介质材料的体热容，被测物体材料热扩散系数为，对于特定试件，在一般情况下，热扩散系数可视为常数。上述热传导方程可以采用数值解，其结果比较冗繁，故不在此赘述。

图1所示为本发明所采用的激光扫描热波成像膜厚测量系统原理图。高功率连续激光器20输出的激光束23通过光束偏转装置22对试件25的表面进行扫描，激光束23具有线状光斑24，红外热像仪26记录试件表面温度变化，数据采集单元28采集红外热像仪26的热图数据，通过数据处理得到试件25表面温度场随时间变化的热图序列。光束整形装置21用于调节光斑24的形状，以适应不同膜层的测量。本发明可以采用单次扫描、热像仪多次采集，也可以是激光重复扫描、热像仪多次采集的方法。

在传统的闪光灯热激励的情况下，试件表面的热激励都发生在同一时刻，即试件表面所有点的温度同时出现温度峰值。而激光扫描时，试件表面热激励的时间不是同时的，图2所示的是在激光扫描方向上两个不同点的热波信号随时间变化曲线，图中曲线16代表激光扫描t1时刻后激光束所在位置的热波信号随时间变化的曲线，曲线17则为激光扫描t2时间后所在位置的。虽然温度峰值出现的时间不一致，但是温度峰值大小都是基本相同的。

当试件表面的膜层厚度不同时，激光扫描产生的热波信号将有不同的随时间变化曲线，图3所示的是根据前述理论模型数值计算得出的不同厚度膜层热波信号随时间的变化曲线，膜层厚度从10um-100um。可以看出不同厚度的膜层具有不同的温度曲线，反之根据曲线的变化就能够知道膜层厚度的大小。本发明方法就是将试件实测的时间随温度变化曲线与相应的理论模型进行拟合，得出被测试件的各点的膜层厚度。

对于较薄的膜层，热波信号的变化多发生在较短时间内。通过红外热像仪记录试件表面热图序列，其最短采集时间取决于红外热像仪帧频，常规热像仪帧频在30-60Hz，帧频周期在17-33毫秒，这对于检测较薄的膜层厚度是比较困难的，因为在这种情况下，热波传播速度非常快，热波信号可能在几百毫秒便消失，因为采样点少而不易得到准的温度时间曲线，从而无法准确测量出膜层厚度。为此通常采用具有高帧频功能的热像仪，但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。本发明采用的激光扫描热波成像方法能实现等效高帧频热波图像采集，从而能较准确地获得试件表面的温度时间曲线，并得到薄膜层的厚度。

本发明采用的激光扫描热波成像方法之一为激光重复扫描，每次扫描起始时间与热像仪帧频扫描起始之间有一个相对延迟时间，这个延迟时间要随每帧激光扫描逐步改变，直到接近一个帧频周期。对应于热像仪的每个像素点，从多次扫描采集的多个热图序列中取出对应的像素值，并按该延迟时间大小排列起来，就可以得到试件上各点热波信号随时间变化的曲线。延迟量的大小决定了等效图像采集帧频，从而大幅提高了热图采样频率。

为了进一步理解上述激光重复扫描热波成像技术的原理，图4所示为一个简单实例，其中激光束扫描了4次。对被测试件上的任意一点，每次扫描升温与降温过程基本重复，但有个背景温度在缓慢上升，这个背景温度可以通过理论公式或实际测量值进行修正，修正过的曲线如图5所示。每次扫描采集一幅图像，共得到4幅图像31-34，对应的4个采集点为31’-34’，每次扫描之间的延迟时间增加dT，dT小于热像仪26的帧频周期。将4次采集的图像顺序排列起来，得到图6中的热波信号随时间变化的曲线36，其中等效的采样频率为1/dT，相对于帧频得到了很大的提高。

本发明技术不仅可以应用于膜层厚度的测量，也可以用于检测膜层质量及附着质量，如热障涂层及油漆的检测。

具体的，本发明采取的膜厚测量方法包括如下步骤：

a、采用激光束23对被测试件25表面膜层进行扫描，同时使用红外热像仪26连续采集被测试件25表面温度的变化，得到被测试件25表面热波图像序列；

b、根据该热波图像序列得到被测试件25表面各点的热波信号随时间变化曲线；

c、将上述热波信号随时间变化曲线与相应被测试件25的理论模型进行拟合，得出被测试件的各点的膜层厚度。

如果采用重复扫描方式，则每次扫描时改变激光束帧扫描与热像仪帧扫描之间的时间延迟，得到被测试件表面的多个热波图像序列。将这多个热波图像序列对应于同一像素点的各个像素值取出，按相对于该像素点热激励的延迟时间重新顺序排列，得到被测试件表面各点的温度随时间变化曲线36。举个例子，如果激光束扫描4次，每次采集5帧图像，共20帧热波图像，即相对于热像仪的每个像素点共有20个像素值。这20个像素值相对于该像素点的热激励的延迟时间是不一样的，将这20个像素值按延迟时间顺序排列起来，就得到了一个新的具有20个采样点的热波随温度变化曲线。当然热激励共有4次，所以一个像素值的热激励的延迟时间是从最近的一次算起，同时需要消除不同时刻的背景温度的影响。

理论模型中的一些变量通常需要通过对标准试件的测量进行标定，标准试件与被测试件具有同样特性，而膜层的厚度通过其它手段事先测定好。

对于一些透明膜层，激光器27可以选用不同的波长，使得激光能量的吸收主要发生在膜层的表面。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性，在权利要求书的范围中对其进行修改、变化与等效，都将落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法，其特征在于包括如下步骤：

采用激光束（23）对被测试件（25）表面进行扫描，同时使用红外热像仪（26）连续采集所述被测试件（25）表面热波信号变化，得到热波图像序列；

根据所述热波图像序列得到被测试件表面各点的热波信号随时间变化曲线；

将所述热波信号随时间变化曲线与相应于被测试件（25）的理论模型进行拟合，得出被测试件（25）上各点的膜层厚度。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法，其特征在于，所述激光束（23）具有线状均匀光斑（24）。

3.一种基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法，其特征在于包括如下步骤：

采用激光束（23）对被测试件（25）表面进行扫描，同时使用红外热像仪（26）连续采集所述被测试件（25）表面热波信号变化，得到热波图像序列；

重复所述激光束（23）的扫描和热波图像序列的采集，并且每次扫描时改变所述激光束（23）帧扫描与所述热像仪（26）帧扫描之间的时间延迟；

将所采集的多个所述热波图像序列的像素值按相对于该像素点热激励的延迟时间重新顺序排列，得到被测试件表面各点的温度随时间变化曲线（36）；

将所述温度随时间变化曲线（36）与相应于被测试件（25）的理论模型进行拟合，得出被测试件（25）上各点的膜层厚度。

4.根据权利要求3所述的基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法，其特征在于，所述理论模型中的参数由已知厚度的标准试件进行标定。

5.根据权利要求3所述的基于激光扫描热波成像技术的膜厚检测方法，其特征在于，所述多个热波图像序列分别经过背景温度的校正。

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