CN104145184A - 用于通过热流热成像法检查样品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于通过热流热成像法无损的、非接触的并且形成图像来检查样品的方法，其中所述检查包括评价样品表面下的任何热流速度转变的存在和/或深度距离值，其中所述样品被至少一个激发源的热脉冲激发，并且源于那里的热流被至少一个红外传感器以热图像的图像序列捕获，并且其中，通过信号和图像处理来评价从所述图像序列获得的热图像，并且以时间和空间分辨率描述热流。所述方法包括：通过来自所述激发源的热脉冲相互独立地至少两次激发样品，其中第二次激发以及任何随后的激发相对于前一次激发被延迟一个时延，由此被捕获的序列的起点发生在一个图像序列内的两个图像之间的时间内的另一个限定的时间点；通过红外传感器以独立的图像序列检测由所述样品的至少两次激发过程产生的相应的整个热流过程，所述图像序列含有所述激发以及来自样品的热应答信号，将所有被捕获的图像序列组合为一个总的图像序列，其中所有的图像以相对于脉冲状激发的时间点在时间上是正确的顺序排列，并且以本质上已知的方式从所述总的图像序列中提取来自所述样品表面的热流速度转变的深度距离的指示。在那里，所述热流速度转变可以是层状材料的一个较宽层，或者是基底中或低于工件表面的缺陷。
Description
本发明涉及用于通过热流热成像法(thermography)无损、非接触的、形成图像来检查样品的方法，其中，所述检查包括评价样品表面下的任何热流速度转变的存在和/或深度距离值，其中所述样品被至少一个激发源的热脉冲激发，并且源于那里的热流被至少一个红外传感器以图像序列捕获，并且其中，通过信号和图像处理来评价从所述图像序列获得的热图像，并且以时间和空间分辨率描述热流。
无损的非接触的测量层状材料的物理热特性可以例如借助于点状激光激发以及多个点状探测器进行(RU 2343465 C1)。其中，激光光束以及探测器将沿着待检测材料的表面移动，以确保表面覆盖测量。然而，这种方法也不适合与工业制造保持同步。
此外，已知的用于评价层状材料的层结构的无损方法例如利用超声、磁场和涡流的方法，当前的热流热成像法在最近几年中已经被建立，以用于成像测量方法。采用该方法执行的步骤基于评价传输通过待检材料的热作为透射或反射时的表面温度的函数。产生的热流被单能量脉冲或者周期性地重复的能量脉冲激发，并且随后通过红外传感器以图像序列捕获。从像素相关的转变的分析中提取特征值(例如通过傅立叶变换或者同步相关)，所述特征值描述了热波通过层系统的时间行为，并且与由其它损坏性的或接触的方法评价的层厚度值相关("Theory and Practice of Infrared 5Technology for Non-destructive Testing"，Xavier P.V.Maldague，John Wiles&Sons，Inc.，2001)。在这种方法中作为脉冲状激发，可以分别使用闪光(EP 1 203224 B1)或者短时间应用加热或冷却气体(DE 10 2006 043 339 B4)。
在过去的几年中已经建立了热流热成像法，作为一种非接触的并且无损的检查方法。根据该方法，样品被至少一个源激发以产生热流。直接来自样品的热辐射被至少一个红外传感器以图像序列捕获，并且传递到计算单元。在计算单元中可以产生各种类型的最终图像，由此分别重新获得热图像或者幅度或相位图像(Theory and Practice of Infrared Technology forNondestructive Testing，Xavier P.V.Maldague-John Wiley&Sons，Incl.，2001)。
在DE 10 2001 120 808.2中描述了用于通过热成像法检测接合点连接的方法，其中提供了成像的、时间和局部高分辨率，这在出自这种热薄层的接合点连接(例如阻抗焊点或者激光焊缝)的两种参数检查中是可量测的。从而，例如在阻抗焊点中待检的焊接镜头可以从其附近的环境(焊接粘合剂)中区分出来。在本文中，假设激发源的强度变化、材料表面的状态和特性以及材料的厚度不应该影响测量结果。因此，最终的图像将被使用，该图像不分别代表通过待检焊接的热流的绝对值或其速度，而是代表热流的相应的局部速度差。这种最终图像能够例如通过红外同步热成像法产生，其中产生了所谓的相位图像(Theory and Practice of Infrared Technology forNondestructive Testing，Xavier P.V.Maldague，John Wiley&Sons，Inc.，2001)。这种相位图像显示出热波在材料组件中的传播时间(run time)。从而，待检的材料连接的不同图像点之间的热传导差异变为可见的。
其中，分别通过高分辨率相机和相应的物镜可以几乎任意地扩展测量系统的几何分辨率。然而，最大的时间分辨率被相机系统固定地定义。当利用所有当前可利用的解码器元件时(全图像模式)，由现代探测器矩阵可实现的图像重复速度处于每秒钟100-200幅图像的范围内。这对于解析较薄层或出自形成所谓的热薄层的热快材料的层的热应答信号是不够的。
当前，试图通过大大限制敏感探测器的表面(局部图像模式)例如16×16像素来实现，然而其结果是几何分辨率损失，并且尽管如此也不能确保足够的时间分辨率。现代层状材料几乎由这种所谓的热薄层组成。因此，以高的时间和局部分辨率检查层状材料的整个层结构是异常经济的，并且具有技术上的重要性。
从这开始，本发明的目的是提供一种用于通过热流热成像法无损的非接触的并且形成图像来检查样品的方法，其中所述检查由以高的时间和局部分辨率评价来自样品表面的任何热流速度转变的深度距离值构成，其中可以在工业条件下灵活地、快速地并且有力地重建/检查热材料参数。
为此，本发明的方法包括通过来自激发源的热脉冲相互独立地至少两次激发样品，其中，第二次激发以及任何随后的激发相对于前一次激发被延迟一个时延，由此被捕获序列的起点发生在一个图像序列中的两个图像之间的时间内的另一个限定的时间点；通过红外传感器以独立的图像序列检测由样品的至少两次激发过程产生的相应的整个热流过程，所述独立的图像序列含有激发过程以及来自样品的热应答信号，将所有被捕获的图像序列组合为一个总的图像序列，其中所有的图像按相对于脉冲状激发的时间点在时间上是正确的顺序排列，并且以本质上已知的方式从总的图像序列中提取来自样品表面的热流速度转变的深度距离的指示。
根据本发明的一个特定实施方式，通过至少一个脉冲状激发源激发所述样品。所述激发相互独立地发生至少两次。层状材料的相应的整个热流过程被至少一个红外传感器以独立的图像序列检测。每个图像序列其中包含激发步骤以及层状材料的待评价的每层的热应答信号，直到热平衡的时间点。此外，相对于脉冲状激发的时间点以延迟Δt捕获每个图像序列，使得每个被捕获的图像序列的起点处于一个图像序列中的两个图像之间的时间t0内的另一个限定的时间点t0。从而，确保了被检表面透射或者反射时的强度函数的大体上任意的按时间扫描。此后，所有被捕获的图像序列被组合成一个总的图像序列，其中，所有的图像按相对于脉冲状激发的时间点在时间上是正确的顺序排列。例如，这可以被实现，从而来自总的图像序列的像素相关的强度曲线因此被平滑。随后，总的图像序列被用于重建层状材料的整个层结构的至少一层。为此，从总的图像序列的相应热流过程中以增加的局部(完整图像模式)和时间分辨率提取与像素相关的参数。从中计算的相应的层厚度值d随后被组合为覆盖整个区域的图像。
根据本发明的方法的一个优选实施方式，来自样品表面的热流速度转变的深度距离的指示包括传播时间参数τ，该参数与样品的表面区域以像素相关的方式相关，所述参数为用于评价缺陷位置的一个有利起点。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，总的图像序列被校正，使得像素相关的强度曲线包括在待评价的区域中的严格单调行为。该总的图像序列被校正，使得总的图像序列的像素相关的强度曲线包括待检区域内的严格单调行为，并且从而可以以明确的方式进行数学处理。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，任何图像序列扩展到相对于在样品激发期间应用的热的损耗达到平衡条件时的时间点，以覆盖全部的热流过程。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，使用了层状材料的周期性激发，其中相应的独立图像序列的成像起点相对于周期性激发的起点位移到另一个时间限定点。其中，相应的独立图像序列的成像起点相对于周期性激发的起点位移。从而，通过同步相关(lock-in-correlation)使得以空间和时间高分辨率分析像素相关的强度曲线成为可能，从中提取描述热波通过层系统的时间行为的特征值。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，在相同的时间部分中执行独立的图像序列的延迟。根据本发明的一个优选实施方式，独立的图像序列的延迟Δt位于相同的时间部分中。这允许均匀建立总的图像序列，所述总的图像序列被用于重建层状材料的整个层结构的至少一层。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，独立的图像序列的时间延迟Δt的等同部分的长度被定义为一个图像序列中的两个图像之间的时间t0除以独立被捕获的图像序列的数目n的商。从而，检查的时间分辨率的增加按比例地与被捕获的图像序列的数目连在一起。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，每个被捕获的图像序列的图像强度被校正，使得所有被捕获的图像序列具有相同的强度偏移。这确保了局部地从相同位置但从不同的图像序列中得出的强度值被组合成相应的像素相关的强度曲线，该曲线在待评价的区域中具有严格单调行为，并且因此能够被明确地进行数学处理。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，被捕获的图像序列之一被用于校正其余的被捕获的图像序列的图像强度的参考序列。从而，确保了对于所有被捕获的图像序列所述图像序列的强度相同。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，第一次被捕获的图像序列充当用于校正其余的被捕获的图像序列的图像强度的参考序列。从而，可以使用已经被校正的其余的图像序列，用于进一步的处理。
根据本发明的方法的另一个方面，所述样品包括层状材料，所述层状材料包括底层和至少一层附加层，其中从总的图像序列的相应热流过程中提取与像素有关的传播时间参数，并且从传播时间参数中计算来自层状结构表面的热流速度转变的相应的深度距离值，所述距离值被放在一起形成覆盖样品的层状结构的表面区域的图像。
本发明的方法在层状材料结构上的应用仅为本发明的方法的许多种可能的应用之一。在层状材料结构的情况下，至少两层中的一层和相邻层之间的界面组成在层之一中的热流速度和在其它层中的热流速度之间的热流速度转变。由于存在两层，热流速度按照定义在两层中是不同的。因此，可以通过分析导致激发期间拍摄的热图像以及输入样品中的热的损耗来确定该热流速度转变的深度距离。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，基于层状材料的物理模型进行层状材料的整个层结构的至少一层的重建，其中通过使层状材料的相应热应答信号与先前为具有适当长度的不同传播时间计算的脉冲应答信号相关来提取总的图像序列的相应的与像素相关的热流过程的传播时间参数，并且其中，当层状结构的对应层的扩散率数值已知时，从被测的传播时间参数中计算所有层的厚度值。本发明的方法的这种有利实施方式包括一种省时并且准确的方法，涉及如何评价边界表面或层状结构的至少两层之间的界面的深度距离。
根据本发明的方法的一个更优选的实施方式，基于层状材料的物理模型进行层状材料的整个层结构的一层的重建，即该层和下面的层之间的界面的重建，其中通过将层状材料的相应热应答信号与先前为具有适当长度的不同传播时间计算的脉冲应答信号相关来提取总的图像序列的相应的与像素相关的热流过程的传播时间参数，并且其中，在层状结构的对应层的扩散率数值已知时，从被测的传播时间参数中计算所有层的厚度值。其中，事先计算具有适当长度的各种传播时间τ的脉冲应答h(τ)。之后，利用层状材料的相应热应答信号均衡这些脉冲应答，使得可以从总的图像序列的相应的与像素相关的热流过程中提取层状材料的至少一层的最佳传播时间参数τ。以这种方式确保了快速的、灵活的并且准确的计算传播时间参数τ。之后，通过利用这些层的扩散率数值α的先前知识从被评价的传播时间参数τ计算相应的层厚度数值d。从而，能够省略用于计算所需的层厚度值d的评价参数的所谓的校准标准的非常广义的或者甚至不可能的定义。从而，确保了无校准的并且定量的重建层状材料的整个层结构的至少一层。
特别是，本发明涉及一种层状材料的整个层结构的无损的、非接触的并且成像的测量方法。从而，能够分别测量或者控制层状材料的各个层的如传播时间τ的参数以及例如厚度d或扩散率α的特性，并且能够在工业的序列生产过程中评价材料中的各种内部缺陷。
根据本发明的方法的另一个方面，所述样品包括基底或者工件，其包括接近基底表面的缺陷，该缺陷为从样品表面流入样品本体内的热所经历的热流速度转变，其中特定缺陷的存在和深度距离的指示为图像序列的相应图像中的热点，所述相应的图像取自离样品激发具有一定的时间距离处，与来自样品表面的缺陷的深度距离相关。
从以上说明中显而易见的是，本发明的方法可应用在其中样品或基底中的热流速度转变将被检测的情形中，其中热成像曲线的热流损耗曲线或强度曲线的时间变化改变得如此之快，使得全范围相机例如具有640×514像素全帧的相机不能记录热流图像中的强度变化。换句话说，本发明的方法可应用在相机的速度即每秒能够获取的帧数被减慢以捕获热流图像中的强度变化的情形中。例如，具有640×514像素全帧的相机具有每秒200帧的速度，而在检查层状结构或具有接近其表面的缺陷的基底的情形中，每秒2000帧的帧速度是需要的。在这些情况下，两个或更多个图像序列可以被交叉存取(interleave)，以相应地提高热流记录的时间分辨率。
参照附图解释说明了本发明的实施方式以及其它的特征、应用和优势。
图1示意性地示出了作为本发明的一个应用实例的、当由上层位于底层上而形成的层状材料发生反射时、用于捕获相应的整个热流过程的装置。
图2示意性地示出了捕获五个图像序列的计时，每个图像序列相对于前一个图像序列均具有延迟Δt。
图3示意性地示出了代表来自五个图像序列并且尚未被校正的图像点的强度值的曲线。
图4示意性地示出了代表源于五个图像序列的图像点的校正后的强度值的曲线。
图5示出了来自图像点的校正后的整个序列的特征曲线，用于评价两层材料的传播时间参数τ。
图6示意性地示出了作为本发明的方法的另一个应用实例的、当具有缺陷的基底发生反射时、用于捕获相应的整个热流过程的装置。
第一应用实例
在第一个实例中，形成了一个两层的材料1，从而上层2位于底层3上(图1A)。通过热成像系统检查材料1。闪光被用作激发源4，利用该激发源五重激发待检材料1。在每次脉冲状激发时，由红外传感器5以反射方式捕获独立的图像序列(图2)，其中捕获层状材料1的相应的像素相关的整个热流过程。相对于脉冲状激发的时间点以延迟Δt捕获每个图像序列，从而使第一图像序列的起始点紧接激发，以图像序列内的两个图像之间的时间t0的五分之一的延迟Δt捕获第二图像序列，并且以时间t0的五分之二的延迟Δt捕获第三图像序列，依此类推。在每个图像序列内，所有的图像相对于脉冲状激发的时间点以正确的时间序列被分类。其中，每个图像序列包含激发过程以及层状材料1的每个待检层的热应答信号，直到热平衡的时间点。
只要被捕获的图像序列的相应强度值未被校正(图3)，它们显示出表面强度的被评价的像素相关函数的增加的时间分辨率，但它们组成整个序列的像素相关的强度曲线，在待评价的区域中不包括严格单调的行为。因此，它们不能以明确的方式进行数学处理。在校正之后，第一图像序列在该实例中充当参考序列，所有被捕获的图像序列经历相同的强度偏移。因此，在待评价的区域中(在激发后)所有相应的被组合的像素相关的强度曲线是严格单调的(图4)。
总的图像序列现在用于从层状材料1的物理模型以及激发源4的已知激发信号开始重建层状材料1的整个层结构。为此，用于具有适当长度的不同传播时间τ的整个系统的脉冲应答h(τ)事先从待检材料1的物理模型中计算出来，例如借助于逆拉普拉斯变换("Conduction of Heat in Solids，2ndEdition，Carslaw H.S.and Jaeger J.C.，Clearendon Press Oxford，1959，pages297 to 326)。此后，层状材料1的相应热应答信号进行数学平衡，例如采用最小二乘法(Taschenbuch der Mathematik，I.N.Bronstein，K.A.Semendjajew.，25thedition，B.G.Teubner Verlagsgesellschaft，Stuttgart，Leipzigand Verlag Nauka，oskau，1991)。从而，最佳的传播时间参数τupper和τbase可以从总的图像序列的强度曲线的相应区域中提取(图5)。其中，τupper为上层2的传播时间参数，并且τbase为两层材料1的底层2的传播时间参数。
随后，根据已知的评价方法计算待检层状材料的相应的层厚度数值dupper和dbase，同时利用扩散率数值αupper和αbase的先前知识(Theory andPractice of Infrared 5 Technology for Nondestructive Testing，Xavier P.V.Maldague，John Wiley&Sons，Inc.，2001，pages 527-536)作为d＝√ατ。
此后，这些数值被组合为覆盖整个区域的图像。总之，可以实现评价层状材料1的整个层结构。可以通过成像进行评价，具有高时间和空间分辨率，并且相对于两种参数是可量测的。从而，可以在工业条件下灵活、快速并且有力地进行免校准的并且定量的重建热材料参数。
第二应用实例
图6示出了本发明的方法应用到其中样品为具有缺陷11的基底10的情形，缺陷在此情形中通常为含有空气的气孔。基底可以是金属基底、半导体基底或者结构部件的顶表面，如具有高热流速度的金属活塞。由加热源(未示出)例如由如用箭头H所指示的闪光以脉冲方式加热基底10。如果基底以此方式被加热，则气孔11成为基底中从基底的表面12开始并且被引入基底内(在图6中为从顶部到底部)的热流的障碍。
由于热流速度从基底10到气孔11发生转变，气孔11成为热流的障碍。在气孔11处，热流再次被向上引导(如在图6中所看到的)并且产生了热点13，该热点的形状反映了气孔11的形状，增加了基底10中的热向侧面损耗的效应，如在图6中所看到的。气孔11下面的区域14(如在图6中所看到的)处于气孔的“阴影”中，并因此受热不同于基底的其余部分。
沿着箭头线P由相机15捕获热点13和基底表面的其余部分的图像。相机15产生了图像16，在该图像中由气孔11产生的热点13是清晰可见的。
由于当从气孔11反射的热流产生热点13时的时间实例取决于气孔11的上边界和基底10的表面12之间的距离，气孔11的图像出现在相对于激发闪光而被延迟气孔11和表面12之间的热流传播时间的图像中。因此，如同气孔11的各种缺陷处于基底的不同深度的情况将出现在图像中位于离激发闪光不同的时间距离处。通过以上述方式评价图像序列，不但能够通过将它们的相应图像离激发闪光的时延相关而核实基底10中任何气孔的存在，而且能够核实相应缺陷的深度位置。从以上说明很明显的是，本发明并非局限于作为实例被公开的两种情形中的应用。而是，本发明的方法可应用在其中相机的速度(帧/秒)不足以产生用于基于单个的图像序列定位任何热流速度转变的存在和/或深度位置所需的图像序列的所有情形中，诸如在层状结构中具有不同的流动速度特性的层之间的边界表面，或者在基底或工件中如同洞、气孔和切口的缺陷，例如用于车辆发动机的活塞。
Claims (13)
1.一种用于通过热流热成像法无损、非接触的并且形成图像来检查样品的方法，其中所述检查由评价样品表面下的任何热流速度转变的存在和/或深度距离值构成，其中所述样品被至少一个激发源的热脉冲激发，并且源于那里的热流被至少一个红外传感器以热图像的图像序列捕获，并且其中，通过信号和图像处理来评价从所述图像序列获得的热图像，并且以时间和空间分辨率描述热流，所述方法包括：
通过来自于所述激发源的热脉冲相互独立地至少两次激发所述样品，其中第二次激发以及任何随后的激发相对于前次激发被延迟一个时延，由此被捕获的序列的起点发生在位于图像序列中的两个图像之间的时间内的另一个限定的时间点；
通过红外传感器以含有所述激发以及来自所述样品的热应答信号的独立的图像序列检测由所述样品的至少两次激发过程产生的相应的整个热流过程；
将所有被捕获的图像序列组合成一个总的图像序列，其中所有的图像按相对于所述脉冲状激发的时间点在时间上是正确的顺序排列，并且以本身已知的方式从所述总的图像序列中提取来自所述样品表面的热流速度转变的深度距离的指示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述样品表面的热流速度转变的深度距离的指示包括传播时间参数，所述传播时间参数以像素相关的方式与所述样品的表面区域有关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述总的图像序列被校正，使得像素相关的强度曲线包括在待评价的区域中的严格单调行为。
4.根据权利要求1所述的方法，其中任何图像序列扩展到相对于在激发所述样品期间应用的热的损耗到达平衡条件时的时间点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中利用了层状材料的周期性激发，其中相应的独立图像序列的成像起点相对于所述周期性激发的起点位移至另一个限定的时间点。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中在相同的时间部分中执行所述独立图像序列的延迟。
7.根据权利要求1至6所述的方法，其中所述独立图像序列的延迟的时间等同部分的长度被定义为图像序列中的两个图像之间的时间除以独立被捕获的图像序列的数目n的商。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其中每个被捕获的图像序列的图像强度被校正，使得所有被捕获的图像序列具有相同的强度偏移。
9.根据权利要求1至8所述的方法，其中所述被捕获的图像序列之一被用作参考序列以校正其余的被捕获的图像序列的图像强度。
10.根据权利要求1至9所述的方法，其中所述第一次被捕获的图像序列作为参考序列用于校正其余的被捕获的图像序列的图像强度。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述样品包括层状材料结构，所述层状材料包括底层和至少一层附加层，其中从所述总的图像序列的相应热流过程中提取与像素有关的传播时间参数，并且从所述传播时间参数计算来自所述层状结构表面的热流速度转变的对应深度距离值，所述深度距离值被放在一起形成覆盖所述样品的层状结构的表面区域的图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所述层状材料的物理模型进行层状材料的整个层状结构的至少一层的重建，其中通过使所述层状材料的相应热应答信号与先前为具有适当长度的不同传播时间计算的脉冲应答信号相关而提取所述总的图像序列的相应的像素相关的热流过程的传播时间参数，并且其中，在已知所述层状结构的对应层的扩散率数值时，从检测的传播时间参数计算所有的层厚度值。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品包括基底或工件，包含接近所述基底表面的缺陷，所述缺陷为由热从所述样品表面流入所述样品本体内经历的热流速度转变，其中特定缺陷的存在和深度距离的指示为所述图像序列的相应图像中的热点，所述相应图像取自离所述样品的激发具有一定的时间距离处，与所述缺陷离所述样品表面的深度距离有关。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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