CN107504911A - 阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，包括如下步骤：利用持续的低能量密度的热激励源加热试件表面，同时使用红外热像仪获得被测物体表面的热图序列；将所述热图序列的温度变化数据存储在通用存储器中；对所述红外热像仪所采集的温度变化数据处理，求取每一点的升温曲线；将所述升温曲线与理论公式拟合，进而求得厚度。本发明通过持续加载低热流密度的能量，使被测物缓慢升温，利用非线性拟合的方法，最终达到测量厚度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种红外热波技术，在不接触被测物的情况下利用持续缓慢加热的方法测量厚度。
背景技术
红外热波无损检测技术以红外辐射及热传导理论为理论依据，通常根据是否主动施加热激励分为主动式和被动式红外热检测，而主动式红外检测又根据采集系统(通常是红外热像仪)是否与激励系统在被测物的同侧，分为反射式和透射式。它们的区别在于热激励源和采集系统是否在被测物的同测。主动式红外检测通过主动对被检测物体施加热激励、并采用红外热像仪连续观察和记录热激励前后物体表面的温场变化，通过计算机智能技术进行检测时序的控制、数据的采集、传输、存储、处理和分析，以实现对物体结构、性能参数或内部损伤的定量诊断。红外热波无损检测技术作为一种光学检测手段，具有非接触、受曲率影响小、检测速度快、以图像形式展现结果、直观易读等特点。这对于具有复杂外形或结构，且不允许接触的测量中具有非常大的优势。
在红外检测中常使用脉冲激励测量材料的厚度或缺陷深度，近些年来报道过的脉冲激励测厚方法很多，如分离时间法、温差峰值法、微分温差峰值法、二阶对数微分峰值法、半高时间法等。上述方法中，通常用到的脉冲激励源为激光或闪光灯，它会在极短时间向被测物表面施以很大的能量，使表面温度瞬时升高几十到上百度，然后使热量向内部扩散，以得到内部信息。但有时脉冲激励方法会有如下问题：首先有些被测物不允许有如此大的热冲击，如文物等，以防对其表面带来不必要的伤害。但如果降低激励能量或者在检测较厚的材料时，加热量不足往往信导致噪比会升高，检测能力会下降。此外，脉冲红外热像法通常被认为只适合检测较薄的材料，厚度在10mm以上的检测鲜有报道，而这个厚度显然大大限制了红外无损检测方法的应用。
因此，如何发明一种以非接触的方式精确测量厚度的方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。
发明内容
本发明针对上述瞬时热冲击过大和加热量不足的问题，提拱一种阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法，通过持续加载低热流密度的能量，使被测物缓慢升温，利用非线性拟合的方法，最终达到测量厚度的目的。
为了达到上述目的，本发明提供一种阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法，包括如下步骤：
利用持续的低能量密度的热激励源加热试件表面，同时使用红外热像仪获得被测物体表面的热图序列；
将所述热图序列的温度变化数据存储在通用存储器中；
对所述红外热像仪所采集的温度变化数据处理，求取每一点的升温曲线；
将所述升温曲线与理论公式拟合，进而求得厚度。
较佳的实施例，所述热激励源与所述红外热像仪在试件表面的同侧或者异侧。
较佳的实施例，当所述热激励源与所述红外热像仪在所述试件表面异侧时，所述红外热像仪探测到的温度为G(0,t)，
对于透射式检测，将所述红外热像仪采集到的每个像素点的实验数据与公式(5)进行非线性拟合，得到该点最优的A和q值，其中，A和q为拟合值，根据FL/k＝A，α/L2＝q，即求得厚度L，其中，F为热流密度，L为试件总厚度，k为热导率，α为热扩散系数。
较佳的实施例，当所述热激励源与所述红外热像仪在所述试件表面同侧时，所述红外热像仪探测到的温度为G(L,t)，
对于反射式检测，将红外热像仪采集到的反射式阶梯加热数据与公式(6)进行非线性拟合，得到每个相素点最优的A和q，其中，A和q为拟合值，根据FL/k＝A，α/L2＝q，即求得厚度L，其中，F为热流密度，L为试件总厚度，k为热导率，α为热扩散系数。
较佳的实施例，在材料热扩散系数α已知的情况下根据α/L2＝q求得厚度L。
较佳的实施例，在α未知的情况下，通过一个已知厚度的点，以及该已知的厚度的点求取得到的拟合值q，得到该材料的α值，然后再用得到的α求取其他点的厚度信息。
较佳的实施例，用于拟合的所述理论公式是使用积分的方法推导得到的。
较佳的实施例，所述热激励源为加热管、加热丝或卤素灯其中一种。
与现有技术相比，本发明的方法是以非接触的方式精确测量厚度，该方法的特点是利用低热流密度的持续加热，即阶梯加热，使被测物表面产生温度变化，同时使用热像仪记录被测物表面温场变化，通过对理论公式与实验数据的拟合，得到其特征参数，进而计算厚度值。
附图说明
图1为本发明透射式阶梯加热红外热波检测原理图；
图2为本发明反射式阶梯加热红外热波检测原理图；
图3为本发明阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法的具体流程图；
图4为本发明透射式阶梯加热红外热波检测曲线拟合示例图；
图5为本发明反射式阶梯加热红外热波检测曲线拟合示例图；
图6为本发明一实施例文物可见光图像示意图；
图7为本发明一实施例文物检测厚度图；
图8A及图8B分别为本发明另一实施例风电叶片粘接件可见光图像示意图；
图9为本发明另一实施例风电叶片粘接件厚粘接区域示意图；
图10为本发明另一实施例风电叶片粘接件反射法检测厚度图。
附图标记说明：1-红外热像仪；2-被测物(阶梯块)；3-热激励源。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，为本发明透射式阶梯加热红外热波检测原理图；在此图中，是以阶梯块代表复杂形状的被测物2，红外热像仪1位于阶梯块2的一侧，热激励源3位于阶梯块2的另一侧，即透射式红外无损检测。
如图2所示，为本发明反射式阶梯加热红外热波检测原理图；在此图中，是以阶梯块代表复杂形状的2，红外热像仪1与热激励源3位于阶梯块同侧，即反射式无损检测。
如图3所示，为本发明阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法的具体流程图，本发明的阶梯加热红外热波技术测量厚度的方法包括以下步骤：
S1：利用持续的低能量密度的热激励源3加热试件表面，同时使用红外热像仪1获得被测试件表面的热图序列；在此步骤中，热激励源3与红外热像仪1可以在试件的同侧或者异侧。
S2：将所述热图序列的温度变化数据存储在通用存储器中；
S3：对所述红外热像仪1所采集的温度变化数据处理，求取每一点的升温曲线；
S4：将所述升温曲线与理论公式拟合，进而求得厚度。
在此步骤中，热激励源3与红外热像仪1在试件的同侧与在异侧求得厚度的方法如下所述：
上述图1及图2是以阶梯块代表复杂形状的被测物，透射式和反射式红外热波无损检测原理图，忽略横向热扩散，只考虑沿厚度方向的一维传热，其热传导方程为：
其中ρ为材料密度，c为比热容，k为热导率。
在总厚度为L的后表面x＝L处施加单位能量的脉冲激励，公式(1)在任一深度为x处的温度解为格林函数：
其中，α为热扩散系数，且α＝k/ρc。
而当热激励源为阶梯函数，且其热流密度为F时，其激励函数为：
热激励源3以恒定的功率向x＝L的表面加热，热流密度为F。则用积分的方法可以求得对应加热后的温升函数为：
令FL/k＝A，α/L2＝q，在x＝0(红外热像仪1与热激励源3处于试件异侧)的表面，公式(4)变为：
在x＝L(红外热像仪1与热激励源3处于试件同侧)的表面公式(4)变为：
在图1的透射式阶梯加热红外检测中，红外热像仪1和加热激励源3在异侧，红外热像仪1探测到的温度为G(0,t)，即公式(5)；
反之，在图2的反射式阶梯加热红外检测中，红外热像仪1探测到的温度为G(L,t)，即公式(6)。
此时公式(5)和(6)中有两个未知数，A和q。为了确定A和q，对于透射式检测，利用最小二乘拟合方法，将红外热像仪1实际采集到的每个像素点的实验数据Gi与公式(5)计算值G进行非线性拟合，使用计算值G与实验值Gi之间的残差平方和最小为最优判据，通过循环迭代最终得到每个像素点最优的A和q值。透射式阶梯加热红外热波检测曲线拟合示例见图4。与透射式拟合类似，将红外热像仪1采集到的反射式阶梯加热数据与公式(6)进行非线性拟合，得到每个相素点最优的A和q，其拟合示例见图5。得到拟合值q以后，即得到了α/L2，在材料热扩散系数α已知的情况下求得厚度L；或者在α未知的情况下，通过一个已知厚度的点，以及该点求取得到的拟合值q，得到该材料的α值，然后再用得到的α求取其他点的厚度信息。
如图6及图7所示，为本发明一实施例文物可见光图像示意图及文物检测厚度图；图6的可见光图像示意图为宋代铸铁佛首，热扩散系数未知，但某一点的厚度值L0可测。利用加热管从铸铁佛首内部加热，同时红外热像仪在佛首外部采集。利用采集到的数据与公式(5)进行非线性拟合，得到每个相素点的拟合q值。通过已知点的厚度信息L0，以及该对应点拟合值q，可利用公式α＝q×L0 2求得本铸铁材料的热扩散系数为17.03×10-6mm2/s。进而可以利用该热扩散系数值以及求取得到的拟合值，计算其他点的厚度信息，其厚度分布图见图7。
如图8A至图10所示，分别为本发明另一实施例风电叶片粘接件可见光图像图片、风电叶片粘接件厚粘接区域示意图及风电叶片粘接件反射法检测厚度图。已知材料的热扩散系数为0.25×10-6mm2/s。在图8A及图8B中的可见光图片为风电叶片粘接件。腹板通过胶与梁粘接，其粘接区域尺寸如图9所示。热激励源3卤素灯和红外热像仪1置于同侧，即反射式阶梯加热红外热波检测。利用本发明所述反射式公式(6)与红外热像仪1采集到的实验结果利用最小二乘拟合方法进行非线性拟合得到拟合值q，由于热扩散系数已知，可计算得到其厚度分布图，如图10所示。
综上所述，本发明的方法是以非接触的方式精确测量厚度，该方法的特点是利用低热流密度的持续加热，即阶梯加热，使被测物表面产生温度变化，同时使用热像仪记录被测物表面温场变化，通过对理论公式与实验数据的拟合，得到其特征参数，进而计算厚度值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用持续的低能量密度的热激励源加热试件表面，同时使用红外热像仪获得被测物体表面的热图序列；
将所述热图序列的温度变化数据存储在通用存储器中；
对所述红外热像仪所采集的温度变化数据处理，求取每一点的升温曲线；
将所述升温曲线与理论公式拟合，进而求得厚度。
2.根据权利要求1所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，所述热激励源与所述红外热像仪在试件表面的同侧或者异侧。
3.根据权利要求2所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，当所述热激励源与所述红外热像仪在所述试件表面异侧时，所述红外热像仪探测到的温度为G(0,t)，
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对于透射式检测，将所述红外热像仪采集到的每个像素点的实验数据与公式(5)进行非线性拟合，得到该点最优的A和q值，其中，A和q为拟合值，根据FL/k＝A，α/L2＝q，即求得厚度L，其中，F为热流密度，L为试件总厚度，k为热导率，α为热扩散系数。
4.根据权利要求2所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，当所述热激励源与所述红外热像仪在所述试件表面同侧时，所述红外热像仪探测到的温度为G(L,t)，
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对于反射式检测，将红外热像仪采集到的反射式阶梯加热数据与公式(6)进行非线性拟合，得到每个相素点最优的A和q，其中，A和q为拟合值，根据FL/k＝A，α/L2＝q，即求得厚度L，其中，F为热流密度，L为试件总厚度，k为热导率，α为热扩散系数。
5.根据权利要求4所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，在材料热扩散系数α已知的情况下根据α/L2＝q求得厚度L。
6.根据权利要求4所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，在α未知的情况下，通过一个已知厚度的点，以及该已知的厚度的点求取得到的拟合值q，得到该材料的α值，然后再用得到的α求取其他点的厚度信息。
7.根据权利要求3或4所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，用于拟合的所述理论公式是使用积分的方法推导得到的。
8.根据权利要求1所述的使用阶梯加热红外热波技术测量材料厚度的方法，其特征在于，所述热激励源为加热管、加热丝或卤素灯其中一种。
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