CN106404835B - 一种红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法，属于红外成像无损检测领域。计算机的两个信号输出端分别与红外热像仪以及函数发生器的信号输入端连接，函数发生器的两个信号输出端分别与第一激光器电源和第二激光器电源的信号输入端连接，第一激光器电源和第二激光器电源的电流输出端分别与第一激光器和第二激光器的电流输入端连接，第一激光器和第二激光器的激光输出端分别与第一准直镜及第二准直镜的激光输入端连接，移动台设置在第一准直镜和第二准直镜的前方。本发明通过双束相干激光相干相消原理对被检测试件微小缺陷检测，克服了传统检测方法对微小缺陷检测不敏感的劣势，利用相干激励加载方式极大提高了红外热波检测材料缺陷的信噪比。

Description

一种红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法

技术领域

本发明涉及一种红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法，属于红外成像无损检测领域。

背景技术

随着航空航天、微电子、核电等领域的迅猛发展，一系列具有较高力学性能或者电学性能的薄层新材料不断涌现，这些材料被广泛地应用于国民经济各个领域。由于对产品性能要求的逐步提高，薄层材料在加工工艺过程中的质量保证愈发受到消费者的关注。不合理的加工工艺过程容易使产品内部产生多种不同缺陷，比如由于产品残余应力未消除而造成的微裂纹、复合材料预浸树脂时造成的气孔及鼓包、电子元器件焊接时的脱焊现象等都极大的影响产品的使用性能与安全性能。红外热波无损检测技术作为一种主动式红外检测技术，由于其具有非接触、直观、探测面积大及无损伤等优点，广泛地应用于各种薄层材料缺陷检测领域。

目前针对红外热波无损检测技术的研究主要集中在主动激励热信号加载方式及热辐射信号提取算法的相关研究领域。根据主动激励热信号加载方式的不同，主要可以分为，红外脉冲法热波无损检测技术、红外锁相法热波无损检测技术及红外热波雷达无损检测技术等。但目前以上方法都存在激励热流对试件检测信噪比低、对微裂纹、脱粘、鼓包等微小缺陷检测不敏感等问题。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法，以解决目前常用红外热成像无损检测技术/系统（脉冲法、锁相法及热波雷达法）存在的试件检测信噪比低、对微裂纹、脱粘、鼓包等微小缺陷检测不敏感的问题。

本发明提出了一种基于相干热波激励方式的红外热成像检测系统及方法。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明的一种红外相干热波成像系统，其组成包括计算机、以太网线、第一BNC数据线、第一激光器电源、第一激光器电源线、第一激光器、第一光纤、第一准直镜、移动台、第二准直镜、第二光纤、第二激光器、第二激光器电源线、第二激光器电源、第二BNC数据线、函数发生器、USB数据线和红外热像仪；

所述的计算机设有两个信号输出端，计算机的其中一个所述的信号输出端通过以太网线与红外热像仪的信号输入端连接，计算机的另一个信号输出端通过USB数据线与函数发生器的信号输入端连接，所述的函数发生器设有两个信号输出端，函数发生器的其中一个所述的信号输出端通过第一BNC数据线与第一激光器电源的信号输入端连接，函数发生器的另一个信号输出端通过第二BNC数据线与第二激光器电源的信号输入端连接，所述的第一激光器电源的电流输出端通过第一激光器电源线与第一激光器的电流输入端连接，所述的第二激光器电源的电流输出端通过第二激光器电源线与第二激光器的电流输入端连接，所述的第一激光器的激光输出端通过第一光纤与第一准直镜的激光输入端连接，所述的第二激光器的激光输出端通过第二光纤与第二准直镜的激光输入端连接，所述的移动台设置在第一准直镜和第二准直镜的前方。

进一步的，所述的第一激光器和第二激光器皆为808nm半导体激光器；所述的第一激光器电源和第二激光器电源皆为808nm半导体激光器电源。

本发明的一种基于红外相干热波成像系统的检测方法，所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件装夹固定在移动台上（移动台10可以控制被检测试件9上下及水平方向的移动）；

步骤二：开启所述的红外相干热波成像系统中的计算机、第一激光器电源、第一激光器、第二激光器、第二激光器电源、函数发生器及红外热像仪；

步骤三：分别设置第一激光器第二激光器的峰值功率为30W，调整所述的第一准直镜或第二准直镜的位置，以实现激光光路的校准，同时保证两束打在所述的被检测试件上的激光光斑在移动中始终保持相同距离；

步骤四：通过实时观察计算机的显示器，调整所述的红外热像仪焦距，使红外热像仪对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：计算机控制函数发生器产生两个调制信号，所述的两个调制信号具有相同幅值与频率，相位差180°，进而控制第一激光器和第二激光器，以实现相干激励主动式热激励加载；

步骤六：在所述的第一准直镜和第二准直镜的光源照射被检测试件的同时，计算机通过以太网线对红外热像仪采集的图像序列进行记录，并通过计算机的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件表面缺陷识别与判定；

步骤七：通过上下、左右平移移动台带动被检测试件一同移动，实现第一激光器和第二激光器的横向与纵向扫描，并重复步骤六和步骤七，最终完成对被检测试件9热波成像检测。

进一步的，步骤一中，所述的被检测试件的表面材料为反光度低的材料。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）本发明通过双束相干激光相干相消原理对被检测试件表面微小缺陷检测，克服了传统检测方法对微小缺陷检测不敏感的劣势；

（2）本发明通过利用相干激励加载方式极大提高了红外热波检测材料缺陷效果（可以较容易地检测出径深比小于2的微小缺陷），并具有对被检测试件表面的微裂纹、脱粘、鼓包等微小缺陷检测敏感度高的优点 。

综上，本发明适用于航空航天、微电子、汽车、核电等多领域的薄层材料缺陷检测与定量评价。

附图说明

图1为本发明的一种红外相干热波成像系统的结构示意图。

图中：1-计算机、2-以太网线、3-第一BNC数据线、4-第一激光器电源、5-第一激光器电源线、6-第一激光器、7-第一光纤、8-第一准直镜、9-被检测试件、10-移动台、11-第二准直镜、12-第二光纤、13-第二激光器、14-第二激光器电源线、15-第二激光器电源、16-第二BNC数据线、17-函数发生器、18-USB数据线、19-红外热像仪。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种红外相干热波成像系统，其组成包括计算机1、以太网线2、第一BNC数据线3、第一激光器电源4、第一激光器电源线5、第一激光器6、第一光纤7、第一准直镜8、移动台10、第二准直镜11、第二光纤12、第二激光器13、第二激光器电源线14、第二激光器电源15、第二BNC数据线16、函数发生器17、USB数据线18和红外热像仪19；

所述的计算机1设有两个信号输出端，计算机1的其中一个所述的信号输出端通过以太网线2与红外热像仪19的信号输入端连接，计算机1的另一个信号输出端通过USB数据线18与函数发生器17的信号输入端连接，所述的函数发生器17设有两个信号输出端，函数发生器17的其中一个所述的信号输出端通过第一BNC数据线3与第一激光器电源4的信号输入端连接，函数发生器17的另一个信号输出端通过第二BNC数据线16与第二激光器电源15的信号输入端连接，所述的第一激光器电源4的电流输出端通过第一激光器电源线5与第一激光器6的电流输入端连接，所述的第二激光器电源15的电流输出端通过第二激光器电源线14与第二激光器13的电流输入端连接，所述的第一激光器6的激光输出端通过第一光纤7与第一准直镜8的激光输入端连接，所述的第二激光器13的激光输出端通过第二光纤12与第二准直镜11的激光输入端连接，所述的移动台10设置在第一准直镜8和第二准直镜11的前方。

本实施方式中的移动台10可以控制被检测试件9上下及水平移动；红外热像仪19的型号为FLIR SC 7000，响应波长为3.6~5.2μm。

具体实施方式二：如图1所示，根据具体实施方式一所述的一种红外相干热波成像系统，所述的第一激光器6和第二激光器13皆为808nm半导体激光器；所述的第一激光器电源4和第二激光器电源15皆为808nm半导体激光器电源。

具体实施方式三：如图1所示，一种基于具体实施方式一或二所述的一种红外相干热波成像系统的检测方法，所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件9装夹固定在移动台10上（移动台10可以控制被检测试件9上下及水平方向的移动）；本实施方式以被检测试件9的厚度为4 mm、尺寸为10cm×10cm的正方形块体为例，被检测试件9采用CFRP材料制成，检测试件9预制有微裂纹缺陷；

步骤二：开启所述的红外相干热波成像系统中的计算机1、第一激光器电源4、第一激光器6、第二激光器13、第二激光器电源15、函数发生器17及红外热像仪19；

步骤三：分别设置第一激光器第二激光器的峰值功率为30W，调整所述的第一准直镜8或第二准直镜11的位置，以实现激光光路的校准，同时保证两束打在所述的被检测试件9上的激光光斑在移动中始终保持相同距离；

步骤四：通过实时观察计算机1的显示器，调整所述的红外热像仪19焦距，使红外热像仪19对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：计算机1控制函数发生器17产生两个调制信号，所述的两个调制信号具有相同幅值与频率，相位差180°，进而控制第一激光器6和第二激光器13，以实现相干激励主动式热激励加载；

步骤六：在所述的第一准直镜8和第二准直镜11的光源照射被检测试件9的同时，计算机1通过以太网线2对红外热像仪19采集的图像序列进行记录，并通过计算机1的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件9表面缺陷识别与判定；

步骤七：通过上下、左右平移移动台10带动被检测试件9一同移动，实现第一激光器6和第二激光器13的横向与纵向扫描，并重复步骤六和步骤七，最终完成对被检测试件9热波成像检测。

本实施方式中，第一激光器6和第二激光器13频率的选择、两道激光光斑相距距离、被检测试件9的横向及纵向移动距离均根据被检测试件9表面材料材质与其结构参数而定。

具体实施方式四：步骤一中，所述的被检测试件9的表面材料为反光度低的材料。如黑色金属、碳纤维材料、铸铁等，若为反光度高的材料如钛合金、铝合金、不锈钢等，则必须对其表面进行喷涂哑光漆处理，以增加其对光的吸收。

工作原理：本发明的红外相干热波成像系统及基于该系统的检测方法，采用双束激光对被检测试件9进行主动式热激励加载，其中两束激光具有相同的光强和调制频率，但两者之间的初相位差180°。采用此种激励方式时，照射到被检测试件9上的光斑之间保持一定间距，其中间距大小与被测试样件9的材料属性有关。利用红外热像仪19进行热辐射信号测量。通过移动台10控制被检测试件9进行横向以及上下位置的移动，实现激光逐步扫描，进而完成整个被检测试件9的检测。本发明的基于红外相干热波成像系统的检测方法，是基于光热辐射测量Photo thermal radiometry, PTR的原理，采用计算机1控制函数发生器17产生两个相位差为180°的正弦信号，两个正弦信号分别控制第一激光器电源4和第二激光器电源15，使第一激光器6和第二激光器13产生两束相位差180°的激光光束，规律变化的光照射到被检测试件9后由于存在光热效应，被检测试件9出现温度涨落与红外辐射，光热辐射信号与被检测试件9光热特性参数与结构相关。当被检测试件9不存在缺陷时，则两束热流造成的交流温升会出现相干相消的状态，即在材料表面只会出现由于直流项造成的指数型温升，但如果两束光斑之间存在裂纹等微小缺陷时，则会对热流造成扰动，即不会出现相干相消的现象，此时裂纹处温升会扰动。信号被红外热像仪19接收，进而通过计算机1中的信号处理算法提取被检测试件9的光热特性，从而达到对被检测试件9缺陷的判定。

Claims (5)

1.一种红外相干热波成像系统，其特征在于：其组成包括计算机（1）、以太网线（2）、第一BNC数据线（3）、第一激光器电源（4）、第一激光器电源线（5）、第一激光器（6）、第一光纤（7）、第一准直镜（8）、移动台（10）、第二准直镜（11）、第二光纤（12）、第二激光器（13）、第二激光器电源线（14）、第二激光器电源（15）、第二BNC数据线（16）、函数发生器（17）、USB数据线（18）和红外热像仪（19）；

所述的计算机（1）设有两个信号输出端，计算机（1）的其中一个所述的信号输出端通过以太网线（2）与红外热像仪（19）的信号输入端连接，计算机（1）的另一个信号输出端通过USB数据线（18）与函数发生器（17）的信号输入端连接，所述的函数发生器（17）设有两个信号输出端，函数发生器（17）的其中一个所述的信号输出端通过第一BNC数据线（3）与第一激光器电源（4）的信号输入端连接，函数发生器（17）的另一个信号输出端通过第二BNC数据线（16）与第二激光器电源（15）的信号输入端连接，所述的第一激光器电源（4）的电流输出端通过第一激光器电源线（5）与第一激光器（6）的电流输入端连接，所述的第二激光器电源（15）的电流输出端通过第二激光器电源线（14）与第二激光器（13）的电流输入端连接，所述的第一激光器（6）的激光输出端通过第一光纤（7）与第一准直镜（8）的激光输入端连接，所述的第二激光器（13）的激光输出端通过第二光纤（12）与第二准直镜（11）的激光输入端连接，所述的移动台（10）设置在第一准直镜（8）和第二准直镜（11）的前方；

其中，第一激光器（6）、第二激光器（13）具有相同的光强和调制频率，相位差180°；规律变化的光照射到被检测试件（9）后由于光热效应会出现温度涨落与红外辐射；当被检测试件（9）不存在缺陷时，两束热流造成的交流温升会相干相消，即出现指数型温升；当两束光斑之间存在缺陷时，会对热流造成扰动；红外热像仪（19）接收热流信号，由计算机（1）中的信号处理算法提取被检测试件（9）的光热特性，对被检测试件（9）的缺陷进行判定。

2.根据权利要求1所述的一种红外相干热波成像系统，其特征在于：所述的第一激光器（6）和第二激光器（13）皆为808nm半导体激光器；所述的第一激光器电源（4）和第二激光器电源（15）皆为808nm半导体激光器电源。

3.一种红外相干热波成像检测方法，其基于权利要求1或2所述的一种红外相干热波成像系统实现，其特征在于：所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件（9）装夹固定在移动台（10）上，移动台（10）控制被检测试件（9）上下及水平方向的移动；

步骤二：开启所述的红外相干热波成像系统中的计算机（1）、第一激光器电源（4）、第一激光器（6）、第二激光器（13）、第二激光器电源（15）、函数发生器（17）及红外热像仪（19）；

步骤三：分别设置第一激光器第二激光器的峰值功率为30W，调整所述的第一准直镜（8）或第二准直镜（11）的位置，以实现激光光路的校准，同时保证两束打在所述的被检测试件（9）上的激光光斑在移动中始终保持相同距离；

步骤四：通过实时观察计算机（1）的显示器，调整所述的红外热像仪（19）焦距，使红外热像仪（19）对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：计算机（1）控制函数发生器（17）产生两个调制信号，所述的两个调制信号具有相同幅值与频率，相位差180°，进而控制第一激光器（6）和第二激光器（13），以实现相干激励主动式热激励加载；

步骤六：在所述的第一准直镜（8）和第二准直镜（11）的光源照射被检测试件（9）的同时，计算机（1）通过以太网线（2）对红外热像仪（19）采集的图像序列进行记录，并通过计算机（1）的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件（9）表面缺陷识别与判定；

步骤七：通过上下、左右平移移动台（10）带动被检测试件（9）一同移动，实现第一激光器（6）和第二激光器（13）的横向与纵向扫描，并重复步骤六和步骤七，最终完成对被检测试件（9）热波成像检测。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：步骤一中，所述的被检测试件（9）的表面材料为反光度低的材料。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述的反光度低的材料为黑色金属、碳纤维材料或铸铁。