CN104407015A - 一种管状工件的红外检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管状工件的红外检测装置和方法。其中的装置包括：冷水箱、热水箱、水管、第一电磁阀、第二电磁阀、水泵和热像仪；冷水箱的一端通过水管和第一电磁阀分别与热水箱的一端和待测管状工件的一端相连，其另一端通过水管和第二电磁阀分别与热水箱的另一端和待测管状工件的另一端相连；第一电磁阀和第二电磁阀控制冷水路和热水路的周期性切换；水泵设置在待测管状工件与第一电磁阀或第二电磁阀之间的水管上，用于驱动水管中的水流沿水管流动；热像仪，用于实时采集待测管状工件的表面温场的变化数据。通过使用本发明所提供的装置和方法，可以有效地检测深层缺陷；而且更进一步的，还可以一次性完成对管状工件的360°检测。

Description

一种管状工件的红外检测装置和方法

技术领域

本发明涉及红外热成像无损检测技术，特别涉及一种管状工件的红外检测装置和方法。

背景技术

主动式红外热成像无损检测技术是二十世纪九十年代后期发展起来的一种无损检测技术，该技术以热波理论为理论依据，通过主动对物体施加可控热激励(例如，光、超声等)，使物体内部的异性结构信息以表面温场变化的差异的形式表现出来，其中的锁相热成像就是通过对被检物施加周期调制的热激励，使缺陷部位产生周期性的热响应，并将红外热像技术与数字锁相信号处理技术相结合，通过利用检测信号与激励信号之间的差异，分析材料或构件存在的缺陷及损伤特征，即计算材料或构件表面各点温度变化相位图和幅值图确定缺陷的特征。

锁相红外无损检测技术是国内外近十几年发展起来的新型无损检测手段。法国Cedip公司开发了红外锁相系统“Cedip JADEⅢ”，该系统包括硬件系统和软件系统。德国斯图加特大学G.Busse教授提出以调制超声波作为激励源，运用数字锁相处理方法提取表面温度信号的幅值和相位信息，判定缺陷，即超声激励红外锁相热成像。英国帝国理工大学，搭建了光锁相热成像系统，尝试检测复合材料分层缺陷。此外，美国韦恩州立大学，加拿大LAVAL大学以及意大利、俄罗斯等国家都有关于该技术的相关研究报道。国内，哈尔滨工业大学搭建了超声激励锁相热成像实验系统，研究金属微裂纹的检测。首都师范大学搭建了光锁相热成像系统，用于电路板、金属材料和复合材料的检测。此外，北京航空航天大学、民航科学技术研究院、西工工业大学等单位也相继引进或搭建了锁相热成像实验系统。

然而，现有技术中的锁相热成像技术中，主要都是利用光、超声作为热激励源，但是，由于此类激励源的热量穿透深度有限，因此很难检测深层缺陷。另外，现有技术中的红外检测方法都只能对试件单面进行热激励，因此待检测物多为平面板状试件，而如果待检测物为管状工件，则需要进行多次检测实验后才能完成检测，而不能一次性完成对管状工件的360°检测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种管状工件的红外检测装置和方法，从而可以有效地检测深层缺陷；而且更进一步的，还可以一次性完成对管状工件的360°检测。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种管状工件的红外检测装置，该装置包括：冷水箱、热水箱、水管、第一电磁阀、第二电磁阀、水泵和热像仪；

其中，所述冷水箱，用于存储冷水；所述冷水箱的一端通过水管和第一电磁阀分别与热水箱的一端和待测管状工件的一端相连；所述冷水箱的另一端通过水管和第二电磁阀分别与热水箱的另一端和待测管状工件的另一端相连；

所述热水箱，用于存储热水；所述热水箱的一端还通过水管和第一电磁阀与所述待测管状工件的一端相连；所述热水箱的另一端还通过水管和第二电磁阀与所述待测管状工件的另一端相连；

所述第一电磁阀和第二电磁阀，用于周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路的周期性切换；

所述水泵，设置在待测管状工件与第一电磁阀或第二电磁阀之间的水管上，用于驱动水管中的水流沿水管流动；

所述热像仪，用于实时采集待测管状工件的表面温场的变化数据。

较佳的，所述装置中还进一步包括：两个红外反射镜；

所述热像仪和两个红外反射镜分别设置在待测管状工件的相对两侧；

所述两个红外反射镜的反射面与所述热像仪相对且两个红外反射镜的反射面之间的夹角为120°。

本发明还提供了一种基于上述的管状工件的红外检测装置的管状工件的红外检测方法，该方法包括：

将待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置连接；

启动水泵，使得水在待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置组成的回路中循环流动；

通过第一电磁阀和第二电磁阀周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路进行周期性切换，并计算热激励频率；

热像仪采集并存储待测管状工件在预设采集时间段内的表面温场的变化数据，并记录所述热像仪的采集频率；

根据所采集的表面温场的变化数据、热激励频率和采集频率，确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

较佳的，所述预设采集时间段为N个热激励周期，其中，N为正整数。

较佳的，所述N的取值为10或者大于10。

较佳的，所述表面温场的变化数据为待测管状工件表面温场变化的热图序列。

较佳的，所述根据所采集的表面温场的变化数据、热激励频率和采集频率，确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状包括：

对所采集的表面温场的变化数据进行时频变换，得到各点的幅值序列和相位序列；

从所述幅值序列和相位序列中选取频率大小为热激励频率f_lock-in的信号的幅度图和相位图，根据所选取的幅度图和相位图确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

较佳的，所述时频变换为积分法或快速傅立叶变换。

如上可见，在上述的管状工件的红外检测装置和方法中，由于待测管状工件的两端通过两个电磁阀分别与冷、热水箱的两端相连，形成了两条闭合管路：冷水路和热水路，而水泵则可以为两条闭合回路中的水循环提供动力，通过电磁阀则可以控制冷、热水路之间的周期性切换，因而可以在待测管状工件内部形成周期性的冷激励和热激励，且切换周期的时间长度(即切换频率)可调。由于所采用的是内部热激励(即冷、热水流是从待测管状工件的内部通过)，而不是使用设置在待测管状工件之外的热激励源，因此可以有效地检测深层缺陷，并有效地减少由于待测管状工件表面的反射所造成的能量损失；同时，由于水的热容大，因此热激励的效果更好，所得到的热图对比度也更高。

另外，由于本发明中的热像仪和两个红外反射镜分别设置在待测管状工件的相对两侧，且两个红外反射镜的反射面之间的夹角为120°，因此通过热像仪即可一次性完成对待测管状工件的360°全方位检测，能够同时呈现待测管状工件360°的热图像，解决了现有技术中在检测管状工件时需要进行多次检测的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例中的管状工件的红外检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的管状工件的红外检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施例提供了一种管状工件的红外检测装置和方法。

图1为本发明实施例中的管状工件的红外检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的管状工件的红外检测装置主要包括：冷水箱11、热水箱12、水管13、第一电磁阀14、第二电磁阀15、水泵16和热像仪17。

其中，所述冷水箱11，用于存储冷水；所述冷水箱11的一端通过水管和第一电磁阀14分别与热水箱12的一端和待测管状工件19的一端相连；所述冷水箱11的另一端通过水管和第二电磁阀15分别与热水箱12的另一端和待测管状工件19的另一端相连；

所述热水箱12，用于存储热水；所述热水箱12的一端还通过水管和第一电磁阀14与所述待测管状工件19的一端相连；所述热水箱12的另一端还通过水管和第二电磁阀15与所述待测管状工件19的另一端相连；

所述第一电磁阀14和第二电磁阀15，用于周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路的周期性切换；

所述水泵16，设置在待测管状工件19与第一电磁阀14或第二电磁阀15之间的水管上，用于驱动水管中的水流沿水管流动；

所述热像仪17，用于实时采集待测管状工件的表面温场的变化数据。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述管状工件的红外检测装置中还可进一步包括：两个红外反射镜18。

所述热像仪17和两个红外反射镜18分别设置在待测管状工件19的相对两侧；

所述两个红外反射镜18的反射面与所述热像仪17相对且两个红外反射镜18的反射面之间的夹角为120°。

根据上述管状工件的红外检测装置的具体结构可知，由于待测管状工件的两端通过两个电磁阀分别与冷、热水箱的两端相连，形成了两条闭合管路(可将待测管状工件与冷水箱组成的闭合管路称为冷水路，将待测管状工件与热水箱组成的闭合管路称为热水路)，而水泵则可以为两条闭合回路中的水循环提供动力，通过电磁阀则可以控制冷、热水路之间的周期性切换，从而可以在待测管状工件内部形成周期性的冷激励和热激励，且切换周期的时间长度(即切换频率)可调。此时，通过热像仪可以实时采集待测管状工件的表面温场的变化。由于在本发明的技术方案中，所采用的是内部热激励(即冷、热水流是从待测管状工件的内部通过)，而不是使用设置在待测管状工件之外的热激励源，因此可以有效地检测深层缺陷，并有效地减少由于待测管状工件表面的反射所造成的能量损失；同时，由于水的热容大，因此热激励的效果更好，所得到的热图对比度也更高。

另外，由于在本发明的上述管状工件的红外检测装置中，热像仪和两个红外反射镜分别设置在待测管状工件的相对两侧，且两个红外反射镜的反射面之间的夹角为120°，因此，只要设置好热像仪与两个红外反射镜之间的相对位置，即可使得热像仪不但可以采集到待测管状工件正面(即直接面对热像仪的一侧)的表面温场变化，而且还可以通过两个红外反射镜的反射面采集到待测管状工件背面(即背对热像仪的一侧)的表面温场变化，从而可以一次性完成对待测管状工件的360°检测，能够同时呈现待测管状工件360°的热图像，从而解决了现有技术中在检测管状工件时需要进行多次检测的技术问题。

另外，在本发明的较佳实施例中，如果待测管状工件的表面红外反射率比较高(例如，待测管状工件的表面为光滑金属表面)，则可对待测管状工件的表面进行表面处理，例如，喷涂可溶性黑漆等，以降低表面红外反射率，提高红外发射率。

另外，根据本发明提供的上述管状工件的红外检测装置，本发明还提供了相应的管状工件的红外检测方法。

图2为本发明实施例中的管状工件的红外检测方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的管状工件的红外检测方法可以包括如下所述的步骤：

步骤21，将待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置连接。

在本发明的具体实施例中，可以根据图1所示的结构图，将待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置连接，并将设置好热像仪与两个红外反射镜之间的相对位置，使得热像仪可以同时采集到待测管状工件360°的热图像。

较佳的，在本发明的具体实施例中，如果待测管状工件的表面红外反射率比较高(例如，待测管状工件的表面为光滑金属表面)，则可对待测管状工件的表面进行表面处理，例如，喷涂可溶性黑漆等，以降低表面红外反射率，提高红外发射率。

步骤22，启动水泵，使得水在待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置组成的回路中循环流动。

步骤23，通过第一电磁阀和第二电磁阀周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路进行周期性切换，并计算热激励频率f_lock-in。

在本发明的技术方案中，由于第一电磁阀和第二电磁阀可以开启或封闭与其连接的水管，因此，可以通过第一电磁阀和第二电磁阀对与其连接的水管进行周期性的开启或封闭操作，即可使得冷水路和热水路进行周期性切换。

例如，如果两个电磁阀在某一个周期的开始，关闭其与热水箱连接的水管，而同时开启电磁阀与冷水箱和待测管状工件连接的水管，此时，冷水箱中的冷水在水泵的驱动下可以流经待测管状工件，形成一个闭合的冷水路，冷水可以在该冷水路中循环流动；当该周期结束，另一个周期开始时，两个电磁阀可以都关闭其与冷水箱连接的水管，而同时开启电磁阀与热水箱和待测管状工件连接的水管，此时，热水箱中的热水在水泵的驱动下可以流经待测管状工件，形成一个闭合的热水路，热水可以在该热水路中循环流动。由此可知，通过使用上述的第一电磁阀和第二电磁阀周期性地开启或封闭与其连接的水管，即可控制冷水路和热水路进行周期性切换。

其中，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以将冷水路和热水路完成一次冷热切换的时间长度作为热激励周期为t，并根据该热激励周期计算得到热激励频率f_lock-in。

步骤24，热像仪采集并存储待测管状工件在预设采集时间段内的表面温场的变化数据，并记录所述热像仪的采集频率f。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述预设采集时间段可以是N个热激励周期(即N个冷热水循环周期)，其中，N为正整数。所述N的取值可以根据实际需要而预先设置，例如，可以设N的取值为10，或者是大于10的其它整数。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述表面温场的变化数据可以是待测管状工件表面温场变化的热图序列。热像仪在采集了待测管状工件表面温场变化的热图序列之后，还可将所采集到的热图序列存储在通用存储器中。

步骤25，根据所采集的表面温场的变化数据、热激励频率和采集频率，确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

在本发明的技术方案中，可以通过多种方式来实现上述的步骤24。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行介绍。

例如，在本发明一个较佳实施例中，所述步骤25可以包括：

步骤251，对所采集的表面温场的变化数据进行时频变换，得到各点的幅值序列和相位序列；

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述时频变换可以是积分法或快速傅立叶变换(FFT)。

对检测工件表面温场变化的热图序列进行时频变换(如积分法、FFT)，得到各点的幅值序列和相位序列，

步骤252，从所述幅值序列和相位序列中选取频率大小为热激励频率f_lock-in的信号的幅度图和相位图，根据所选取的幅度图和相位图确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

通过上述的步骤21～25，即可实现使用上述管状工件的红外检测装置对待测管状工件进行红外检测。

综上可知，通过使用本发明中的管状工件的红外检测装置和方法，可以在待测管状工件内部形成周期性的冷激励和热激励，且切换周期的时间长度(即切换频率)可调；由于所采用的是内部热激励(即冷、热水流是从待测管状工件的内部通过)，而不是使用设置在待测管状工件之外的热激励源，因此可以有效地检测深层缺陷，并有效地减少由于待测管状工件表面的反射所造成的能量损失；同时，由于水的热容大，因此热激励的效果更好，所得到的热图对比度也更高。另外，由于本发明中的热像仪和两个红外反射镜分别设置在待测管状工件的相对两侧，且两个红外反射镜的反射面之间的夹角为120°，因此通过热像仪即可一次性完成对待测管状工件的360°全方位检测，能够同时呈现待测管状工件360°的热图像，解决了现有技术中在检测管状工件时需要进行多次检测的技术问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种管状工件的红外检测装置，其特征在于，该装置包括：冷水箱、热水箱、水管、第一电磁阀、第二电磁阀、水泵和热像仪；

其中，所述冷水箱，用于存储冷水；所述冷水箱的一端通过水管和第一电磁阀分别与热水箱的一端和待测管状工件的一端相连；所述冷水箱的另一端通过水管和第二电磁阀分别与热水箱的另一端和待测管状工件的另一端相连；

所述热水箱，用于存储热水；所述热水箱的一端还通过水管和第一电磁阀与所述待测管状工件的一端相连；所述热水箱的另一端还通过水管和第二电磁阀与所述待测管状工件的另一端相连；

所述第一电磁阀和第二电磁阀，用于周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路的周期性切换；

所述水泵，设置在待测管状工件与第一电磁阀或第二电磁阀之间的水管上，用于驱动水管中的水流沿水管流动；

所述热像仪，用于实时采集待测管状工件的表面温场的变化数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中还进一步包括：两个红外反射镜；

所述热像仪和两个红外反射镜分别设置在待测管状工件的相对两侧；

所述两个红外反射镜的反射面与所述热像仪相对且两个红外反射镜的反射面之间的夹角为120°。

3.一种基于如权利要求1所述的管状工件的红外检测装置的管状工件的红外检测方法，其特征在于，该方法包括：

将待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置连接；

启动水泵，使得水在待测管状工件与所述管状工件的红外检测装置组成的回路中循环流动；

通过第一电磁阀和第二电磁阀周期性地开启或封闭与其连接的水管，控制冷水路和热水路进行周期性切换，并计算热激励频率；

热像仪采集并存储待测管状工件在预设采集时间段内的表面温场的变化数据，并记录所述热像仪的采集频率；

根据所采集的表面温场的变化数据、热激励频率和采集频率，确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述预设采集时间段为N个热激励周期，其中，N为正整数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述N的取值为10或者大于10。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述表面温场的变化数据为待测管状工件表面温场变化的热图序列。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所采集的表面温场的变化数据、热激励频率和采集频率，确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状包括：

对所采集的表面温场的变化数据进行时频变换，得到各点的幅值序列和相位序列；

从所述幅值序列和相位序列中选取频率大小为热激励频率f_lock-in的信号的幅度图和相位图，根据所选取的幅度图和相位图确定待测管状工件中的缺陷的位置和形状。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述时频变换为积分法或快速傅立叶变换。