CN104535615B

CN104535615B - 一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法及系统

Info

Publication number: CN104535615B
Application number: CN201510022666.1A
Authority: CN
Inventors: 何赟泽; 杨瑞珍; 周中吉
Original assignee: WUXI DOUBLE HORSE DRILLING TOOLS Co Ltd
Current assignee: WUXI DOUBLE HORSE DRILLING TOOLS CO., LTD.
Priority date: 2015-01-18
Filing date: 2015-01-18
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2035-01-18
Also published as: CN104535615A

Abstract

本发明公开了一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法及系统。系统可在脉冲、锁相、调频、调相等模式下工作，产生不同的调制信号，通过调制高频交流信号生成不同的激励信号，以对被检对象进行感应加热，同时记录被检对象表面随时间变化的温度信息作为检测数据。采用或产生特定信号作为参考信号，对检测数据与参考信号实施互相关算法，实现脉冲压缩，得到检测数据与参考信号在不同时刻的同相、正交、幅值和相位等匹配信息。从匹配信息中提取特征值，增强检测信噪比，提高内部缺陷检测能力，抑制表面发射率变化，实现被检对象的层析成像。该方法及系统可应用于航空航天、新材料、石油化工、核电、铁路、汽车、特种设备、机械、冶金、土木建筑等领域的装备无损检测、材料表征评估、产品质量控制和结构健康监测。

Description

一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法及系统

技术领域

本发明属于装备无损检测、材料表征评估、结构健康监测和产品质量控制等技术领域，特别是涉及一种涡流热成像检测方法及系统。

背景技术

随着现代科学和工业技术的发展，无损检测技术已成为保证产品质量和设备运行安全的必要手段。目前具有代表性的无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测以及热成像检测。

热成像检测技术采用热源对被检对象进行加热，采用热像仪观察和记录被检对象表面的温度变化信息，并通过热波理论和信号处理方法对变化的温度进行分析，以对被检对象表面及内部的缺陷（裂纹、分层等）进行检测和评估。热成像检测技术采用的热源多种多样，有闪光灯、热水、热风、超声波、涡流、激光等方式。

涡流加热，也叫做感应加热，是一种高效、节能、节材、环保和安全的新型加热技术。将导电材料置于高频交变电磁场中，根据法拉第电磁感应定律，导电材料中将产生涡流。根据焦耳定律，部分涡流将转化为热能，继而加热导电材料。

采用涡流加热方式的热成像检测技术叫做涡流热成像检测技术，也叫做电磁感应热成像检测技术。涡流热成像检测技术具有非接触、非破坏、无需耦合、检测面积大、速度快等优点，可以检测导电类材料，如碳纤维复合材料、金属基复合材料、金属及其合金，也可以检测含有导电材料的工件，如涂覆在金属基底上的涂层系统。

目前涡流热成像检测技术存在以下不足：1）温度信号随检测深度的增大快速衰减，信噪比降低，对内部缺陷的检测效果差；2）无法对被检对象实现层析成像；3）被检对象表面的发射率变化影响缺陷检测效果。

专利CN201310566622公开了一种脉冲涡流热成像缺陷自动检测与识别方法。然而，现有专利和文献均没有涉及采用互相关算法的涡流热成像缺陷检测和层析成像方法及系统。

发明内容

本发明目的是针对上述不足，提供一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法及系统。系统可工作在脉冲、锁相、调频、调相等模式下，通过调制高频交流信号生成不同的激励信号，以对被检对象进行感应加热，同时记录被检对象表面随时间变化的温度信息作为检测数据。采用或产生特定信号作为参考信号，对检测数据与参考信号实施互相关算法，实现脉冲压缩，得到检测数据与参考信号在不同时刻的同相、正交、幅值和相位等匹配信息。从匹配信息中提取特征值，增强信噪比，提高内部缺陷检测能力，抑制表面发射率变化，实现被检对象的层析成像。

一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像系统，主要包括：

1)控制器，用于触发高频电流产生模块、调制信号产生模块和热像仪同时工作，并选择脉冲、锁相、调频、调相等工作模式；

2)高频电流产生模块，用于产生连续的高频交流信号；

3)调制信号产生模块，用于产生矩形波信号、正（余）弦波信号、频率调制信号或相位调制信号等调制信号；

4)热像仪，用于记录被检对象表面随时间变化的温度信息，并把检测数据传输给计算机；

5)调制模块，用于幅度调制高频交流信号和调制信号产生激励信号；

6)驱动模块，用于把激励信号功率放大并施加到加热线圈；

7)加热线圈，用于产生交变电磁场，加热被检对象；

8)被检对象，被检测的对象，可以为导电材料，如碳纤维复合材料、金属基复合材料，可以为含有导电材料的工件；

9)计算机，用于存储、显示、处理和分析数据；

10)互相关算法，用于设定参考信号，并计算参考信号与检测信号在不同时刻的匹配信息。主要包含希尔伯特变换、快速傅里叶变换、复共轭运算、乘法运算、逆快速傅里叶变换等模块。

一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，包括如下步骤：

1)采用控制器使高频电流产生模块、调制信号产生模块和热像仪同时开始工作，并设定系统工作模式，设定高频交流信号、调制信号等的参数；

2)高频电流产生模块产生连续的高频交流信号；

3)调制信号产生模块产生矩形波信号、正（余）弦波信号、频率调制信号或相位调制信号等调制信号；

4)调制模块把高频交流信号和调制信号进行幅度调制产生激励信号；

5)驱动模块把激励信号功率放大并施加到加热线圈；

6)加热线圈产生交变电磁场，并在被检对象中感应出涡流，加热被检对象；

7)热像仪记录被检对象表面随时间变化的温度信息，作为检测数据，并把检测数据传输给计算机；

8)选取或产生特定信号作为同相参考信号；

9)通过希尔伯特变换产生与同相参考信号相位相差90度的正交参考信号；

10)把同相参考信号和正交参考信号进行快速傅里叶变换和复共轭运算，得到频域同相参考信号和频域正交参考信号；

11)把检测数据中某一像素点的温度变化作为检测信号，进行快速傅里叶变换，得到频域检测信号；

12)把频域检测信号与频域同相参考信号进行乘法运算之后，再进行逆快速傅里叶变换和实部运算得到同相信息；

13)把频域检测信号与频域正交参考信号进行乘法运算之后，再进行逆快速傅里叶变换和实部运算得到正交信息；

14)通过同相信息和正交信息计算得到互相关之后的幅值和相位信息；

15)把检测数据中所有像素点的温度信号重复步骤11)～14)，得到所有像素点的同相、正交、幅值和相位等信息；

16)从所有像素点的同相、正交、幅值和相位信息中提取合适的特征值，实现内部缺陷检测，抑制发射率变化，实现层析成像；

17)把检测数据中所有像素点的同相、正交、幅值和相位等信息与无缺陷区域检测信号的同相、正交、幅值和相位等信息分别进行差分处理，可以增强缺陷检测和层析成像效果。

附图说明

图1示出了一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像系统的示意图。

图2示出了三种工作模式下单周期的调制信号、激励信号和检测信号的示意图。

图3示出了脉冲工作模式下单周期的检测信号和三个短时脉冲参考信号示意图。

图4示出了脉冲工作模式下渐变式多周期的调制信号、激励信号和检测信号的示意图。

图5示出了本发明配置在移动反射检测方式。

图6示出了本发明配置在静态穿透检测方式和移动穿透检测方式。

注：图2、图3和图4中横坐标和纵坐标的数值均采用了归一化处理，并不代表真实的大小。

附图标记说明：1-控制器；2-高频电流产生模块；3-调制信号产生模块；4-热像仪；5-调制模块；6-驱动模块；7-加热线圈；8-被检对象；9-缺陷；10-计算机；11-希尔伯特变换；12-快速傅里叶变换；13-复共轭运算；14-乘法运算；15-逆快速傅里叶变换；16-实部运算；17-同相；18-正交；19-幅值；20-相位；21-高频交流信号；22-调制信号；23-激励信号；24-同相参考信号；25-正交参考信号；26-无缺陷区域检测信号；27-检测信号；28-频域同相参考信号；29-频域正交参考信号；30-频域检测信号；31-检测数据；32、33和34-三个短时脉冲。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

图1是一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像系统示意图，主要包含：控制器1、高频电流产生模块2、调制信号产生模块3、热像仪4、调制模块5、驱动模块6、加热线圈7、被检对象8、缺陷9、计算机10、希尔伯特变换11、快速傅里叶变换12、复共轭运算13、乘法运算14、逆快速傅里叶变换15、实部运算16、同相17、正交18、幅值19、相位20、高频交流信号21、调制信号22、激励信号23、同相参考信号24、正交参考信号25、无缺陷区域检测信号26、检测信号27、频域同相参考信号28、频域正交参考信号29、频域检测信号30、检测数据31等。需要说明的是，控制器1、高频电流产生模块2、调制信号产生模块3、调制模块5等可以是实物，也可以是运行在计算机10上的软件。热像仪4也可以更换为其它温度传感器。

基于一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像系统的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法的具体实施步骤如下：

1)采用控制器1使高频电流产生模块2、调制信号产生模块3和热像仪4同时开始工作，并选择脉冲、锁相、调频、调相等工作模式，设定高频交流信号21、调制信号22等的参数；

2)高频电流产生模块2产生连续的高频交流信号21，频率范围通常为几十千至几兆赫兹；

3)调制信号产生模块3根据工作模式产生调制信号22。脉冲工作模式下，调制信号产生模块3产生矩形波调制信号；锁相模式下，调制信号产生模块3产生正（余）弦波调制信号；调频模式下，调制信号产生模块3产生频率调制信号；调相模式下，调制信号产生模块3产生相位调制信号。脉冲、锁相、调频工作模式下的矩形波、正弦波和线性调频等调制信号的波形分别如图2（A）、（B）和（C）所示；

4)调制模块5把高频交流信号21和调制信号22进行幅度调制，生成激励信号23，脉冲、锁相、调频等三种工作模式下的激励信号波形分别如图2（D）、（E）和（F）所示；

5)驱动模块6把激励信号23施加到靠近被检对象8的加热线圈7；

6)加热线圈7产生交变电磁场，并在被检对象8中产生感应涡流，继而加热含有缺陷9的被检对象8；

7)热像仪4记录被检对象8表面随时间变化的温度信息作为检测数据31，并把检测数据31传输给计算机10，脉冲、锁相、调频等三种工作模式下的检测信号27和无缺陷区域检测信号26的波形分别如图2（G）、（H）和（I）所示；

8)设定同相参考信号24：选取调制信号22或无缺陷区域检测信号26作为同相参考信号24，也可以选择某一像素点的温度变化或者几个像素点的平均温度变化作为同相参考信号24；

9)获得正交参考信号25：把同相参考信号24进行希尔伯特变换11产生与同相参考信号24相位相差90度的正交参考信号25；

10)把同相参考信号24、正交参考信号25分别进行快速傅里叶变换12和复共轭运算13，得到频域同相参考信号28和频域正交参考信号29；

11)把检测数据31中某一像素点的温度变化作为检测信号27，进行快速傅里叶变换12，得到频域检测信号30；

12)把频域检测信号30与频域同相参考信号28进行乘法运算14之后，进行逆傅里叶变换15和实部运算16，得到同相17；

13)把频域检测信号30与频域正交参考信号29进行乘法运算14之后，进行逆傅里叶变换15和实部运算16，得到正交18；

14)通过同相17和正交18计算得到幅值19和相位20：对同相17和正交18的平方和进行开根号得到幅值19；对正交18和同相17的商进行反正切运算得到相位20；

15)把检测数据31中所有像素点的温度变化依次作为检测信号27，重复步骤11)～14)，得到所有像素点的同相17、正交18、幅值19和相位20等信息；

16)从所有像素点的同相17、正交18、幅值19和相位20信息中提取合适的特征值。以幅值19为例，做出“幅值-延迟时间”曲线，提取幅值最大值、幅值最小值、最大值时间（幅值达到最大值的延迟时间）、最小值时间（幅值达到最小值的延迟时间）、过零点时间（幅值达到零点的延迟时间）、不同延迟时刻的幅值等特征值。由于相关法提高了能量聚集，这些特征值可以增强信噪比，提高内部缺陷的检测能力；最大值时间等以时间为单位的特征值的大小与缺陷深度相对应，可以评估缺陷深度，实现层析成像；相位20信息中提取的特征值可以抑制表面发射率变化；

17)把检测数据31中所有检测信号27的同相17、正交18、幅值19和相位20等信息与无缺陷区域检测信号26的同相17、正交18、幅值19和相位20等信息进行差分处理（减法运算）后得到新的特征值，可以进一步增强检测效果。

在上面的实施例中，分别选取了系统工作中产生的信号（调制信号22、无缺陷区域检测信号26等）作为同相参考信号24。为了提高信噪比，改进层析成像效果，可以采用截断相关方法，产生一系列具有不同延迟的短时脉冲作为参考信号。以脉冲工作模式为例，图3示出了脉冲工作模式下单周期的检测信号和三个短时脉冲参考信号示意图，三个短时脉冲（32、33、34）具有相同的脉冲宽度W，不同的延迟时间D。可调整延迟时间D来获得具有其它延迟时间的短时脉冲。采用一系列具有不同延迟时间D的短时脉冲分别作为同相参考信号24，按照上面的步骤，对检测信号27与同相参考信号24分别实施互相关算法，可得到不同延迟时间的同相17、正交18、幅值19和相位20等信息，对应被检对象8不同深度的信息。选取不同延迟时间的同相17、正交18、幅值19和相位20作为特征值进行成像，可以实现被检对象8的层析成像。该方案中，由于短时脉冲具有较小的脉冲宽度W，改进了脉冲压缩质量，提高了能量聚集，因此信噪比可以大幅提高。

在上面的实施例中，激励信号23是单周期形式。为进一步提高检测信噪比，可以采取多周期调制信号22与高频交流信号21进行幅度调制，产生多周期的激励信号23反复加热被检对象8。相应的，热像仪4记录的检测信号27、设定的同相参考信号24和正交参考信号25也对应是多周期性的。采用多周期信号后，该方案可以进一步改进检测效果。

在实施本发明专利时，高频交流信号21、调制信号22、激励信号23等信号的频率、幅度、周期、持续时间等参数是可以调整的。图4示出了脉冲工作模式下渐变式多周期的调制信号22、激励信号23和检测信号24。图4中，信号的三个周期T₁，T₂，T₃是逐渐减小的。采用渐变式多周期的信号可以改进信噪比，提高检测效果。

在上面的实施例中，系统配置在静态反射检测方式。即热像仪4、加热线圈7和被检对象8的相对位置是固定的，同时热像仪4和加热线圈7置于被检对象8的同侧。在检测大面积被检对象时，系统还可以配置为移动反射检测方式，即以移动装置控制被检对象8以一个固定的速度经过加热线圈7和热像仪4，如图5所示。或者，保持被检对象8位置不变，以移动装置控制加热线圈7和热像仪4以一个固定的速度经过被检对象8。

在上面的实施例中，系统配置在反射检测方式，即热像仪4和加热线圈7置于被检对象8的同侧。在检测厚度较小的被检对象8时，可以配置为穿透检测方式，即把热像仪4和加热线圈7分别置于被检对象8的两侧。如图6所示，该穿透检测方式亦可以配置为静态方式（图6（A））或移动方式（图6（B））。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明权利要求下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明前提下的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像系统，其特征在于，包括：控制器、高频电流产生模块、调制信号产生模块、热像仪、调制模块、驱动模块、加热线圈、计算机、互相关算法模块，系统工作在脉冲、锁相、调频或调相模式下，通过调制高频交流信号生成不同的激励信号，对被检对象进行感应加热，还设置有移动装置控制被检对象以一个固定的速度经过加热线圈和热像仪；或者，保持被检对象位置不变，以移动装置控制加热线圈和热像仪以一个固定的速度经过被检对象；同时记录被检对象表面随时间变化的温度信息作为检测数据；采用或产生特定信号作为参考信号，对检测数据与参考信号实施互相关算法，实现脉冲压缩，得到检测数据与参考信号在不同时刻的同相、正交、幅值和相位匹配信息；从匹配信息中提取特征值，增强检测信噪比，提高缺陷检测能力，抑制表面发射率变化，实现被检对象的层析成像，系统工作在脉冲、锁相、调频或调相模式下，并分别产生矩形波信号、正/余弦波信号、频率调制信号或相位调制信号，对高频交流信号进行调制之后感应加热被检对象，系统产生的调制信号的频率、幅值、周期参数是单周期或多周期，对参考信号与检测数据实施互相关算法之后得到特征值，以便对被检对象进行缺陷检测和层析成像。

2.应用于权利要求1所述系统的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用控制器使高频电流产生模块、调制信号产生模块和热像仪同时开始工作，并选择脉冲、锁相、调频、调相工作模式；

2)高频电流产生模块产生连续的高频交流信号；

3)调制信号产生模块产生矩形波信号、正/余弦波信号、频率调制信号或相位调制信号；

5)驱动模块把激励信号施加到加热线圈；

8)选取或产生特定信号作为同相参考信号；

14)通过同相和正交信息计算得到互相关之后的幅值和相位信息；

15)把检测数据中所有像素点的温度信号重复步骤11)～14)，得到所有像素点的同相、正交、幅值和相位信息；

16)从所有像素点的同相、正交、幅值和相位信息中提取合适的特征值，生成新的图像，实现内部缺陷检测，抑制发射率变化，实现层析成像；

17)把检测数据中所有像素点的同相、正交、幅值和相位信息与无缺陷区域检测信号的同相、正交、幅值和相位信息分别进行差分处理，增强检测效果。

3.根据权利要求2所述的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征是：把调制信号、无缺陷区域检测信号、某一像素点的温度变化或者几个像素点的平均温度变化作为同相参考信号，并通过希尔伯特变换得到正交参考信号。

4.根据权利要求2所述的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征是：参考信号与检测信号的互相关算法是通过希尔伯特变换、快速傅里叶变换、复共轭运算、乘法运算、逆快速傅里叶变换和实部运算实现的。

5.根据权利要求2所述的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征是：经过互相关算法得到的幅值和相位特征值改进信噪比、增强缺陷检测效果、评估缺陷深度和实现层析成像，相位特征值抑制表面发射率变化。

6.根据权利要求2所述的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征是：把一系列具有不同延迟时间的短时脉冲作为参考信号，并分别与检测信号进行互相关算法，实现被检对象的层析成像。

7.根据权利要求2所述的一种互相关涡流热成像缺陷检测和层析成像方法，其特征是：采用多周期调制信号与高频交流信号进行幅度调制，产生多周期或渐变式多周期的激励信号反复加热被检对象，经互相关之后提高检测信噪比。