CN106546628A - 一种基于温度场层析成像的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度场层析成像的无损检测方法，具体按照以下步骤实施：首先将检测过程看做有温度热源的热传导过程，得到温度场刚度系数矩阵，然后根据被检测零部件的不同选择制作不同的隔热防护装置模型；其次，获取被检测零部件裸露部分的表面温度，根据被检测零部件的大小来选择确定需获取的表面温度的不同点数，利用温度场刚度系数矩阵采用广义矢量采样模式匹配法重构图像，再次，通过重新获得的温度场图像获得零部件内部物质是否具有均匀性的信息，最后通过比对分析，进而确定被检测零部件内部是否完好或存在缺陷，本发明解决了现有技术中存在的无损检测具有局限性且不确定性的问题。

Description

一种基于温度场层析成像的无损检测方法

技术领域

本发明属于工业无损检测技术领域，具体涉及一种基于温度场层析成像的无损检测方法。

背景技术

无损检测技术作为近代发展起来的一种检测技术，在许多工业领域有着广泛的应用。例如在航空、动力、能源、机械、化工等各个工业部门一直发挥着重要的作用。无损检测技术的发展采用大大的提高了这些工业技术领域的产品质量以及保证了生产的安全性，并获得了经济效益和社会效益的显著提高。在近年随着电子、机械、计算机等先进技术的发展，无损检测技术的应用领域得到了更广泛的扩展，越来越多的影响了人们日常生活、安全生产等各个方面。有科学家曾说过，无损检测技术的先进程度在一定程度上反映了这个国家的工业发展水平，由此可见无损检测技术的重要性。

现代意义上的无损检测随着各种先进技术的进步而得到不断的发展，如材料科学、物理科学、电子技术、测试技术、计算机技术的发展都极大的推动了无损检测技术类型和精度的不断发展。现代无损检测技术应用到了产品的整个制造及服役的过程，对于产品质量的改进、使用过程中的可靠性及安全性都起到了关键的作用。另外随着现代制造业的不断发展，对新材料的应用也不断提出新的要求，其中无损检测技术在其中起到了极大的促进作用，新材料的应用及新工艺的设计变的更加有效。无损检测技术在工业生产等各方面的广泛应用以及在其中起到的极大的生产经济效益和社会效益，在一定程度上反映出了这个国家的制造业水平的高低，得到了各国或研究部门的高度重视。

由于无损检测是以不损伤目标部件为前提，通过目标部件内部结构的缺陷类型的存在而引起的部件表面对光、热、声、电、磁等不同的变化反映，进而来定性的分析研究目标部件内部或者表面缺陷的有无与类型的一种技术手段。所以在面对不同目标部件在检测过程中，各种检测方法都有着一定的局限性，也有着一定的不确定性；所以在对重要零部件的检测需要以不同的方法来相互验证以提高检测的可靠性。因此探索一种新的无损检测方法有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于温度场层析成像的无损检测方法，解决了现有技术中存在的无损检测具有局限性且不确定性的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于温度场层析成像的无损检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、首先将检测过程看做有温度热源的热传导过程，根据热源与温度场的关系由具有适当边界条件的拉普拉斯方程决定进而得到温度场刚度系数矩阵；

步骤2、根据被检测部件的外形轮廓，用隔热材料制造与外部环境隔离的隔热装置模型，避免被检测过程中被检测部件与外部环境直接接触，受到外界温度因素的影响，以提高检测的准确性；

步骤3、获取被检测零部件裸露部分的表面温度，根据被检测零部件的大小来选择确定需获取的表面温度的不同点数，利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵采用广义矢量采样模式匹配法重构图像；

步骤4、通过步骤3图像重构后获取被检测零部件内部的温度场图像，从而获得零部件内部物质是否具有均匀性的信息；

步骤5、通过对步骤4得到的被检测零部件的温度场图像进行比对分析，进而确定被检测零部件内部是否完好或存在缺陷，如果零部件内部没有缺陷，则被检测零部件内部的温度场则为稳定、没有突然的起伏现象；相反，如果被检测零部件内部存在砂眼、裂纹的缺陷，则获得的温度场会出现突变的现象。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、经典的热传导理论具有适当边界条件的拉普拉斯方程如下：

式中，为模型中的温度分布函数，σ为模型内的导热参数，为给定边界条件上的温度，J_n为给定边界上热源，在无热源的地方J_n为零；

步骤(1.2)、对于步骤(1.1)中的拉普拉斯方程，采用变分方法分离，得到相应的泛函数为：

步骤(1.3)、对于步骤(1.2)中的泛函数按格林(Green)定理写为：

步骤(1.4)、将第二类边界条件带入步骤(1.3)中的公式中，则式(3)中第二项写为：

因此考虑边界条件后泛函数写为：

步骤(1.5)、由于第二类边界条件包含在泛函中，式(5)只需满足第一类边界条件，所以，式(1)中温度场的拉普拉斯方程边值问题的等价变分问题如下：

步骤(1.6)、有限元法既通过有限单元的划分和分片插值的方法找出基函数，并以此构成有限元的子空间，将变分问题转化为有限元子空间中的多元函数极值问题，再通过对有限单元的分析获得被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵：

或

SΦ＝T

式中，

T＝[T₁ T₂ Λ T_n]^T。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤(3.1)、在被检测零部件用热源加热后，根据零部件形状、材料确定加热时间，在被检测零部件达到热平衡前使用红外热像仪获取被检测零部件需测量表面的温度值，并用广义矢量采样匹配法进行温度场的逆运算；

步骤(3.2)、广义矢量采样匹配法在迭代解中包含目标函数，并用范数对矩阵方程进行归一化处理，广义矢量采样匹配法的目标函数是导热系数分布的函数：

导热常数经过k次迭代运算后，将计算所得的结果内部特征与进行模拟所得到的初始特征温度的内积来判定目标函数是否收敛，在上式中～为范数的归一化处理：

在式中，||T||为2范数，n为温度测量值，

在导热系数函数时，广义矢量采样匹配法所得到的就是所求的导热系数分布，在迭代过程中，内积向1.0无穷靠近时，广义矢量采样匹配法所得到的解是稳定的，迭代温度与模拟初始温度几乎是相等的，则用广义矢量采样匹配法利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵逆向重构被检测零部件内部温度场的图像。

本发明的有益效果是，一种基于温度场层析成像的无损检测方法，利用各种介质导热参数的不同，通过测量物体表面的温度值来计算物体内部导热常数的空间分布，进而通过广义矢量匹配算法通过计算机成像技术来重构被测物体内部的温度场，进而分析物体内部缺陷，达到无损检测的目的。

附图说明

图1是本发明一种基于温度场层析成像的无损检测方法中温度场重构无损检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于温度场层析成像的无损检测方法，利用各种材料不同的热传导特性来完成无损检测过程。在图1中被测部件分为三中情况：均匀物质内部无缺陷、非均匀物质内部隔热性缺陷、非均匀物质内部导热性缺陷。在被测部件下放置稳定热源，则在部件上部表面会由于被测部件内部情况的不同而温度出现偏差。通过测量得到的物体表面温度值来计算部件内部温度场刚度系数矩阵的空间分布，在用广义矢量模式匹配算法来进行层析成像的反问题求解，通过PC完成图像重建、图像显示等过程，利用重建的图像与原始图像进行对比来分析部件内部缺陷情况。

具体步骤如下：

步骤1、首先将检测过程看做有温度热源的热传导过程，根据热源与温度场的关系由具有适当边界条件的拉普拉斯方程决定进而得到温度场刚度系数矩阵，具体为：

步骤(1.1)、经典的热传导理论具有适当边界条件的拉普拉斯方程如下：

式中，为模型中的温度分布函数，σ为模型内的导热参数，为给定边界条件上的温度，J_n为给定边界上热源，在无热源的地方J_n为零；

步骤(1.2)、对于步骤(1.1)中的拉普拉斯方程，采用变分方法分离，得到相应的泛函数为：

步骤(1.3)、对于步骤(1.2)中的泛函数按格林(Green)定理写为：

步骤(1.4)、将第二类边界条件带入步骤(1.3)中的公式中，则式(3)中第二项写为：

因此考虑边界条件后泛函数写为：

步骤(1.5)、由于第二类边界条件包含在泛函中，式(5)只需满足第一类边界条件，所以，式(1)中温度场的拉普拉斯方程边值问题的等价变分问题如下：

步骤(1.6)、有限元法既通过有限单元的划分和分片插值的方法找出基函数，并以此构成有限元的子空间，将变分问题转化为有限元子空间中的多元函数极值问题，再通过对有限单元的分析获得被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵：

或

SΦ＝T

式中，

T＝[T₁ T₂ Λ T_n]^T；

步骤2、根据被检测部件的外形轮廓，用隔热材料制造与外部环境隔离的隔热装置模型，避免被检测过程中被检测部件与外部环境直接接触，受到外界温度因素的影响，以提高检测的准确性；

步骤3、获取被检测零部件裸露部分的表面温度，根据被检测零部件的大小来选择确定需获取的表面温度的不同点数，利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵采用广义矢量采样模式匹配法重构图像，具体为：

步骤(3.1)、在被检测零部件用热源加热后，根据零部件形状、材料确定加热时间，在被检测零部件达到热平衡前使用红外热像仪获取被检测零部件需测量表面的温度值，并用广义矢量采样匹配法进行温度场的逆运算；

步骤(3.2)、广义矢量采样匹配法在迭代解中包含目标函数，并用范数对矩阵方程进行归一化处理，广义矢量采样匹配法的目标函数是导热系数分布的函数：

导热常数经过k次迭代运算后，将计算所得的结果内部特征与进行模拟所得到的初始特征温度的内积来判定目标函数是否收敛，在上式中～为范数的归一化处理：

在式中，||T||为2范数，n为温度测量值，

在导热系数函数时，广义矢量采样匹配法所得到的就是所求的导热系数分布，在迭代过程中，内积向1.0无穷靠近时，广义矢量采样匹配法所得到的解是稳定的，迭代温度与模拟初始温度几乎是相等的，则用广义矢量采样匹配法利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵逆向重构被检测零部件内部温度场的图像；

步骤4、通过步骤3图像重构后获取被检测零部件内部的温度场图像，从而获得零部件内部物质是否具有均匀性的信息；

步骤5、通过对步骤4得到的被检测零部件的温度场图像进行比对分析，进而确定被检测零部件内部是否完好或存在缺陷，如果零部件内部没有缺陷，则被检测零部件内部的温度场则为稳定、没有突然的起伏现象；相反，如果被检测零部件内部存在砂眼、裂纹的缺陷，则获得的温度场会出现突变的现象：

首先在被检测部件底部放置稳定的热源，由于被测部件表面温度容易受到环境的影响，所以在检测过程中需要在一个恒温的环境下测量检测，在被测部件周围应有隔热防护装置，根据部件的材料和大小来设置恒温热源的温度(以不损伤部件为前提)和热传导时间，在温度场达到一个稳定状态前，以温度传感器测量被检测部件的上表面温度传送到传感器控制阵列电路，利用通过ANSYS分析物体内部的热传导过程，以有限单元的剖分和分片差值的方法来找出基函数来构成有限元子空间，将热传导过程中的变分问题转化为多元函数的求值，以此来确定模型内部温度场刚度系数；根据信号采集系统得到的信号传递给计算机进行处理，在信号采集过程中由于得到的温度差别达到0.01℃，所以在信号采集环境非常重要，需要在一个安静恒温的环境下进行；成像系统收到信号采集系统传递的信号，然后对其进行相应的处理由于该过程是以较小的外部测量数据来推断未知的部件内部缺陷，属于一个不适定问题，为克服该问题的不适定性，成像的算法成为整个系统的核心部分，通过大量优化比较和试验选择了广义矢量匹配算法有着较高的辨识度，达到了较理想的效果。根据得到的图像来对部件进行系统定性的缺陷分析。

本发明一种基于温度场层析成像的无损检测方法，是一种非接触式的检测方法，对被测零部件的影响更小；成本较低，对其他检测技术手段有相互补充的作用，提高了无损检测的可靠性；与其他检测方法相比安全可靠，对人体无害；扩大了无损检测的适用范围。

Claims (3)

1.一种基于温度场层析成像的无损检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、首先将检测过程看做有温度热源的热传导过程，根据热源与温度场的关系由具有适当边界条件的拉普拉斯方程决定进而得到温度场刚度系数矩阵；

步骤2、根据被检测部件的外形轮廓，用隔热材料制造与外部环境隔离的隔热装置模型，避免被检测过程中被检测部件与外部环境直接接触，受到外界温度因素的影响，以提高检测的准确性；

步骤3、获取被检测零部件裸露部分的表面温度，根据被检测零部件的大小来选择确定需获取的表面温度的不同点数，利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵采用广义矢量采样模式匹配法重构图像；

步骤4、通过所述步骤3图像重构后获取被检测零部件内部的温度场图像，从而获得零部件内部物质是否具有均匀性的信息；

步骤5、通过对所述步骤4得到的被检测零部件的温度场图像进行比对分析，进而确定被检测零部件内部是否完好或存在缺陷，如果零部件内部没有缺陷，则被检测零部件内部的温度场则为稳定、没有突然的起伏现象；相反，如果被检测零部件内部存在砂眼、裂纹的缺陷，则获得的温度场会出现突变的现象。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度场层析成像的无损检测方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、经典的热传导理论具有适当边界条件的拉普拉斯方程如下：

式中，为模型中的温度分布函数，σ为模型内的导热参数，为给定边界条件上的温度，J_n为给定边界上热源，在无热源的地方J_n为零；

步骤(1.2)、对于所述步骤(1.1)中的拉普拉斯方程，采用变分方法分离，得到相应的泛函数为：

步骤(1.3)、对于所述步骤(1.2)中的泛函数按格林(Green)定理写为：

步骤(1.4)、将第二类边界条件带入所述步骤(1.3)中的公式中，则式(3)中第二项写为：

因此考虑边界条件后泛函数写为：

步骤(1.5)、由于第二类边界条件包含在泛函中，式(5)只需满足第一类边界条件，所以，式(1)中温度场的拉普拉斯方程边值问题的等价变分问题如下：

步骤(1.6)、有限元法既通过有限单元的划分和分片插值的方法找出基函数，并以此构成有限元的子空间，将变分问题转化为有限元子空间中的多元函数极值问题，再通过对有限单元的分析获得被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵：

或

SΦ＝T

式中，

T＝[T₁ T₂ Λ T_n]^T。

3.根据权利要求1所述的一种基于温度场层析成像的无损检测方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤(3.1)、在被检测零部件用热源加热后，根据零部件形状、材料确定加热时间，在被检测零部件达到热平衡前使用红外热像仪获取被检测零部件需测量表面的温度值，并用广义矢量采样匹配法进行温度场的逆运算；

步骤(3.2)、广义矢量采样匹配法在迭代解中包含目标函数，并用范数对矩阵方程进行归一化处理，广义矢量采样匹配法的目标函数是导热系数分布的函数：

导热常数经过k次迭代运算后，将计算所得的结果内部特征与进行模拟所得到的初始特征温度的内积来判定目标函数是否收敛，在上式中～为范数的归一化处理：

$\tilde{T}=\frac{T}{\left|\right|T\left|\right|}---\left(8\right)$

在式中，||T||为2范数，n为温度测量值，

在导热系数函数时，广义矢量采样匹配法所得到的就是所求的导热系数分布，在迭代过程中，内积向1.0无穷靠近时，广义矢量采样匹配法所得到的解是稳定的，迭代温度与模拟初始温度几乎是相等的，则用广义矢量采样匹配法利用步骤1获得的被检测零部件内部的温度场刚度系数矩阵逆向重构被检测零部件内部温度场的图像。