CN106768367A - 一种三维红外热波成像检测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维红外热成像检测系统与方法，属于检测领域。所述系统由808nm半导体激光器、系统框架、激光光纤、激光器准直镜架、激光器准直镜、相机滑动导轨、三维扫描仪滑动导轨、红外热像仪、以太网线、相机触发控制线、三维激光扫描仪、载物台、三维图像传输线、伺服电机一、伺服电机二、电机控制线一、电机控制线二、图像采集卡、USB控制线一、运动控制卡、USB控制线二、计算机、USB控制线三、数据采集卡、BNC线、激光器电源、电源线及光学平台组成。本发明的优点是：通过红外热波无损检测技术对复杂结构材料进行检测实现了缺陷的快速高效识别，将红外热波检测技术与三维激光扫描技术相结合实现了复杂结构材料的缺陷位置准确定位。
Description
技术领域
本发明属于红外热波成像检测领域，具体涉及一种基于红外热波成像与三维结构光学成像相结合的检测系统与方法，适用于航空航天、微电子、汽车、核电等多领域的非平面材料缺陷检测与定量评价。
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复杂结构外形材料不断涌现，复杂结构外形一方面提高了结构件整体的空间分布合理性，但另一方面则增加了试件出现缺陷的可能性。采用先进的检测方法对复杂结构进行检测时，复杂的结构不利于检测缺陷的定位与低信噪比问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维红外热波成像检测系统与方法，为了克服现有技术中常见缺陷检测方法存在的试件检测信噪比低及对复杂结构缺陷定位精度差的缺点，提出了一种基于红外热波无损检测技术和三维激光扫描技术相结合的新型无损检测系统与方法。
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，广泛地应用于各类材料缺陷检测领域。三维激光扫描技术又被称之为实景复制技术，可以快速的建立物体的三维影像模型。此技术突破了传统单点测量方法，具有高效率、高精度的独特特性。三维激光扫描技术提供扫描物体表面的三维点云数据进行三维重构。将红外热波无损检测技术与三维激光扫描技术相结合可以较为容易的解决缺陷的三维定位问题。
本发明的三维红外热成像检测方法，首先采用调制激光对试验样件进行主动式热激励加载。红外热像仪对试件热图像序列进行采集与记录，通过相关算法提取热波特征信息，进而获取带有缺陷特征的二维特征图像。采用三维激光扫描仪对试件进行扫描成像，获取试件的三维结构。最终采用图像融合技术将红外特征图像与三维结构图像进行融合，进而实现试件的缺陷定位。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种三维红外热成像检测系统，所述系统由808nm半导体激光器、系统框架、激光光纤、激光器准直镜架、激光器准直镜、相机滑动导轨、三维扫描仪滑动导轨、红外热像仪、以太网线、相机触发控制线、三维激光扫描仪、载物台、三维图像传输线、伺服电机一、伺服电机二、电机控制线一、电机控制线二、图像采集卡、USB控制线一、运动控制卡、USB控制线二、计算机、USB控制线三、数据采集卡、BNC线、激光器电源、电源线及光学平台组成；
所述系统框架固定在光学平台上表面，所述808nm半导体激光器、及激光器准直镜架、载物台、数据采集卡及激光器电源均设置在光学平台上表面，所述808nm半导体激光器通过激光光纤与激光器准直镜相连，所述激光器准直镜安装在激光器准直镜架上，所述计算机信号输出端通过USB控制线二与运动控制卡信号输入端相连，所述运动控制卡信号输出端通过电机控制线一及电机控制线二分别与伺服电机一及伺服电机二信号输入端相连，所述伺服电机一及伺服电机二固定在系统框架上，伺服电机一及伺服电机二信号输出端分别与三维扫描仪滑动导轨及相机滑动导轨一端传动连接，所述三维扫描仪滑动导轨及相机滑动导轨上分别设置有三维激光扫描仪及红外热像仪，所述计算机信号输入端通过USB控制线一与图像采集卡信号输出端连接，所述图像采集卡信号输入端通过三维图像传输线与三维激光扫描仪信号输出端连接，所述计算机信号输入端通过以太网线与红外热像仪信号输出端连接，所述计算机信号输出端通过USB控制线三与数据采集卡信号输入端连接，所述数据采集卡信号输出端通过相机触发控制线与红外热像仪信号输入端连接，所述数据采集卡信号输出端通过BNC线与激光器电源信号输入端连接，所述激光器电源信号输出端通过电源线与808半导体激光器信号输入端连接，载物台用于承载检测试件。
一种利用所述系统实现三维红外热成像检测的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：确定要测量的检测试件，将其固定在载物台上，检测试件能够随载物台做水平移动，在检测试件表面喷涂标记点以便后续定位；
步骤二：开启所述三维红外热成像检测系统，此步骤包括计算机、红外热像仪、三维激光扫描仪、数据采集卡设备的开启；
步骤三：设置激光器峰值功率为30W，调整激光器准直镜的位置实现光路的校准，同时保证激光可以均匀地照射到检测试件的检测表面；
步骤四：通过实时观察计算机的显示器判断红外热像仪对焦是否合理，通过调节红外热像仪焦距使图像成像清晰；
步骤五：计算机控制数据采集卡产生调制信号，调制信号控制808半导体激光器光强按照调制规律变化，红外热像仪进行同步图像序列采集，通过控制伺服电机二运动实现红外热像仪的扫描运动，最终获取检测试件缺陷的二维特征图像；
步骤六：三维激光扫描仪对检测试件外形进行三维成像，通过控制伺服电机一运动实现三维激光扫描仪的扫描运动，其中检测试件的三维点云数据通过图像采集卡传输回计算机，此步骤获取检测试件的三维几何结构；
步骤七：经步骤五获取的二维特征图像及步骤六获取的检测试件三维结构在计算机内实现图像融合，最终实现复杂结构的缺陷位置定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明通过红外热波无损检测技术对检测试件复杂结构表面进行检测，实现了缺陷的快速高效识别；
（2）本发明将红外热波检测技术与三维激光扫描技术相结合实现了检测试件复杂结构表面的缺陷位置准确定位。
（3）本发明可实现多种类型材料检测（金属材料、涂层材料及复合材料）。
附图说明
图1为本发明一种三维红外热成像检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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。
具体实施方式一：如图1所示，一种三维红外热成像检测系统，所述系统由808nm半导体激光器1、系统框架2、激光光纤3、激光器准直镜架4、激光器准直镜5、相机滑动导轨6、三维扫描仪滑动导轨7、红外热像仪8、以太网线9、相机触发控制线10、三维激光扫描仪11、载物台13、三维图像传输线14、伺服电机一15、伺服电机二16、电机控制线一17、电机控制线二18、图像采集卡19、USB控制线一20、运动控制卡21、USB控制线二22、计算机23、USB控制线三24、数据采集卡25、BNC线26、激光器电源27、电源线28及光学平台29组成；
所述系统框架2固定在光学平台29上表面，所述808nm半导体激光器1、及激光器准直镜架4、载物台13、数据采集卡25及激光器电源27均设置在光学平台29上表面，所述808nm半导体激光器1通过激光光纤3与激光器准直镜5相连，所述激光器准直镜5安装在激光器准直镜架4上，所述计算机23信号输出端通过USB控制线二22与运动控制卡21信号输入端相连，所述运动控制卡21信号输出端通过电机控制线一17及电机控制线二18分别与伺服电机一15及伺服电机二16信号输入端相连，所述伺服电机一15及伺服电机二16固定在系统框架2上，伺服电机一15及伺服电机二16信号输出端分别与三维扫描仪滑动导轨7及相机滑动导轨6一端传动连接，所述三维扫描仪滑动导轨7及相机滑动导轨6上分别设置有三维激光扫描仪11及红外热像仪8，所述计算机23信号输入端通过USB控制线一20与图像采集卡19信号输出端连接，所述图像采集卡19信号输入端通过三维图像传输线14与三维激光扫描仪11信号输出端连接，所述计算机23信号输入端通过以太网线9与红外热像仪8信号输出端连接，所述计算机23信号输出端通过USB控制线三24与数据采集卡25信号输入端连接，所述数据采集卡25信号输出端通过相机触发控制线10与红外热像仪8信号输入端连接，所述数据采集卡25信号输出端通过BNC线26与激光器电源27信号输入端连接，所述激光器电源27信号输出端通过电源线28与808半导体激光器1信号输入端连接，载物台13用于承载检测试件12。
具体实施方式二：一种具体实施方式一所述系统实现三维红外热成像检测的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：确定要测量的检测试件12，将其固定在载物台13上，检测试件12能够随载物台13做水平移动，在检测试件12表面喷涂标记点以便后续定位；
步骤二：开启所述三维红外热成像检测系统，此步骤包括计算机23、红外热像仪8、三维激光扫描仪11、数据采集卡25设备的开启；
步骤三：设置激光器峰值功率为30W，调整激光器准直镜5的位置实现光路的校准，同时保证激光可以均匀地照射到检测试件12的检测表面；
步骤四：通过实时观察计算机23的显示器判断红外热像仪8对焦是否合理，通过调节红外热像仪8焦距使图像成像清晰；
步骤五：计算机23控制数据采集卡25产生调制信号，调制信号控制808半导体激光器1光强按照调制规律变化，红外热像仪8进行同步图像序列采集，通过控制伺服电机二16运动实现红外热像仪8的扫描运动，最终获取检测试件12缺陷的二维特征图像；
步骤六：三维激光扫描仪11对检测试件12外形进行三维成像，通过控制伺服电机一15运动实现三维激光扫描仪11的扫描运动，其中检测试件12的三维点云数据通过图像采集卡19传输回计算机23，此步骤获取检测试件12的三维几何结构；
步骤七：经步骤五获取的二维特征图像及步骤六获取的检测试件12三维结构在计算机23内实现图像融合，最终实现复杂结构的缺陷位置定位。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的三维红外热成像检测方法，基于步骤一所述检测试件12标记点为后续图像融合提供坐标点。
上述具体实施方式一至三中检测试件12均以厚度为3cm、直径为10cm的扇形GFRP材料（检测试件12侧面预制有微裂纹缺陷）为例。
实施例：
本实施例中检测试件12采用平面材料，首先确定要测量的检测试件12，将其装夹固定在载物台13上，载物台13可以控制检测试件12水平移动；开启三维红外热成像检测系统，此步骤包括计算机23、红外热像仪8、三维激光扫描仪11、数据采集卡25设备的开启；设置激光器峰值功率为30W，调整激光器准直镜5位置实现光路的校准，同时保证808半导体激光器1可以均匀地照射到检测试件12的检测表面；通过实时观察计算机23的显示器判断红外热像仪8对焦是否合理，通过调节红外热像仪8焦距使图像成像清晰；计算机23控制数据采集卡25产生调制信号，调制信号控制激光器1光强按照调制规律变化，红外热像仪8进行同步图像序列采集，通过控制伺服电机二16运动实现红外热像仪8的扫描运动；三维激光扫描仪11对检测试件12外形进行三维成像，通过控制伺服电机一15运动实现三维激光扫描仪11的扫描运动，其中检测试件12的三维点云数据通过图像采集卡19传输回计算机23；获取的二维特征图像及检测试件12三维结构在计算机23内实现图像融合，最终实现检测试件复杂结构的缺陷位置定位。
Claims (3)
1.一种三维红外热成像检测系统，其特征在于：所述系统包括808nm半导体激光器（1）、系统框架（2）、激光光纤（3）、激光器准直镜架（4）、激光器准直镜（5）、相机滑动导轨（6）、三维扫描仪滑动导轨（7）、红外热像仪（8）、以太网线（9）、相机触发控制线（10）、三维激光扫描仪（11）、载物台（13）、三维图像传输线（14）、伺服电机一（15）、伺服电机二（16）、电机控制线一（17）、电机控制线二（18）、图像采集卡（19）、USB控制线一（20）、运动控制卡（21）、USB控制线二（22）、计算机（23）、USB控制线三（24）、数据采集卡（25）、BNC线（26）、激光器电源（27）、电源线（28）及光学平台（29）；
所述系统框架（2）固定在光学平台（29）上表面，所述808nm半导体激光器（1）、及激光器准直镜架（4）、载物台（13）、数据采集卡（25）及激光器电源（27）均设置在光学平台（29）上表面，所述808nm半导体激光器（1）通过激光光纤（3）与激光器准直镜（5）相连，所述激光器准直镜（5）安装在激光器准直镜架（4）上，所述计算机（23）信号输出端通过USB控制线二（22）与运动控制卡（21）信号输入端相连，所述运动控制卡（21）信号输出端通过电机控制线一（17）及电机控制线二（18）分别与伺服电机一（15）及伺服电机二（16）信号输入端相连，所述伺服电机一（15）及伺服电机二（16）固定在系统框架（2）上，伺服电机一（15）及伺服电机二（16）信号输出端分别与三维扫描仪滑动导轨（7）及相机滑动导轨（6）一端传动连接，所述三维扫描仪滑动导轨（7）及相机滑动导轨（6）上分别设置有三维激光扫描仪（11）及红外热像仪（8），所述计算机（23）信号输入端通过USB控制线一（20）与图像采集卡（19）信号输出端连接，所述图像采集卡（19）信号输入端通过三维图像传输线（14）与三维激光扫描仪（11）信号输出端连接，所述计算机（23）信号输入端通过以太网线（9）与红外热像仪（8）信号输出端连接，所述计算机（23）信号输出端通过USB控制线三（24）与数据采集卡（25）信号输入端连接，所述数据采集卡（25）信号输出端通过相机触发控制线（10）与红外热像仪（8）信号输入端连接，所述数据采集卡（25）信号输出端通过BNC线（26）与激光器电源（27）信号输入端连接，所述激光器电源（27）信号输出端通过电源线（28）与808半导体激光器（1）信号输入端连接，载物台（13）用于承载检测试件（12）。
2.一种利用权利要求1所述系统实现三维红外热成像检测的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤一：确定要测量的检测试件（12），将其固定在载物台（13）上，检测试件（12）能够随载物台（13）做水平移动，在检测试件（12）表面喷涂标记点以便后续定位；
步骤二：开启所述三维红外热成像检测系统，此步骤包括计算机（23）、红外热像仪（8）、三维激光扫描仪（11）、数据采集卡（25）设备的开启；
步骤三：设置激光器峰值功率为30W，调整激光器准直镜（5）的位置实现光路的校准，同时保证激光可以均匀地照射到检测试件（12）的检测表面；
步骤四：通过实时观察计算机（23）的显示器判断红外热像仪（8）对焦是否合理，通过调节红外热像仪（8）焦距使图像成像清晰；
步骤五：计算机（23）控制数据采集卡（25）产生调制信号，调制信号控制808半导体激光器（1）光强按照调制规律变化，红外热像仪（8）进行同步图像序列采集，通过控制伺服电机二（16）运动实现红外热像仪（8）的扫描运动，最终获取检测试件（12）缺陷的二维特征图像；
步骤六：三维激光扫描仪（11）对检测试件（12）外形进行三维成像，通过控制伺服电机一（15）运动实现三维激光扫描仪（11）的扫描运动，其中检测试件（12）的三维点云数据通过图像采集卡（19）传输回计算机（23），此步骤获取检测试件（12）的三维几何结构；
步骤七：经步骤五获取的二维特征图像及步骤六获取的检测试件（12）三维结构在计算机（23）内实现图像融合，最终实现复杂结构的缺陷位置定位。
3.根据权利要求2所述的三维红外热成像检测方法，其特征在于：基于步骤一所述检测试件（12）标记点为后续图像融合提供坐标点。
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