CN108593710B - 一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法。包括参数检测模块、系统控制模块、红外测量成像模块、聚焦旗、聚焦旗制作模块、运动控制模块、信号处理模块及诊断模块，能够对高反射率材料表面的细微裂纹缺陷进行检测，检验速度快，实施简单，结果直观，效率高，无辐射，无化学腐蚀，避免了光污染，节约能量，准确度高，另外，能够严格控制曝光，符合特种零件生产工艺的要求。

Description

一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法

技术领域

本发明属于检测领域，具体涉及一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法。

背景技术

近年来，金属构件在石油、天然气、化工、船舶、汽车等行业中得到了广泛应用；由于这些金属构件在加工成型过程中，其内部可能存在空隙、夹杂和初始损伤，且在运输和使用过程中由于受各种机械载荷和温度载荷等作用，导致其表面还会产生新的微观或宏观损伤，或者受到工作环境中腐蚀性介质的影响，极易在其内外表面出现腐蚀性缺陷或微损伤，这些开口裂纹或近表面裂纹和微裂纹的危害性极大，而隐藏在材料和构件近表面的裂纹往往又是致命裂纹的起点，更具有隐蔽性和危险性，它破坏了结构的完整性，降低了构件的使用寿命。此外缺陷或微损伤在外部载荷作用下会进一步扩展造成在役构件的损坏从而严重影响构件的结构安全，造成重大损失。因此，开展金属构件的表面和亚表面缺陷检测技术研究，及时有效地对金属构件的微损伤状况进行检测，对保障设备的在役安全运行具有重要意义。

而现在很多金属构件表面非常光滑，在对高反射率材料表面的细微裂纹缺陷现有检测技术中，目前裂纹检测主要有表面复型法、电磁涡流法、磁粉探伤、超声波检测法、射线检测法、声发射法、红外热成像检测法等。

表面复型法使用特殊化学品对零件表面形貌进行复制，再转移至光学显微镜或者电子显微镜下测量裂纹位置、宽度、长度等参数。该方法的缺点在于检测时间长，此外化学品会给零件带来一定的腐蚀影响。超声波检测法有不能发现近距离裂纹、实施起来繁琐、需要有经验人员、结果不直观等缺点，故而效率低下。射线检测法有辐射，需要做好防辐射措施且需要有经验人员实施。声发射检测技术需要先在声波信号与裂纹信号之间建立先验关系，再通过此先验关系来检测裂纹，检测过程繁琐，需要大量的样本数据。电磁涡流法干扰因素多，对缺陷定性和定量还比较困难，针对不同被测对象需要采用不同检测线圈。磁粉探伤法一般应用在工业现场，主要依赖人工识别，准确度不高。

红外热成像检测法属于非接触式测量，不会改变被检测零件的任何特性参数，此检测方法可长时且稳定地工作，自动化程度高、效率高、可靠性强。但是在普通红外热成像现有技术中对于高反射率材料表面，红外热像仪存在无法聚焦的难题，如果采用对表面进行喷漆增大发射率存在难以去除的问题，如果采用对表面进行喷膜，虽然最后可以去除表面喷膜但是发射率不如喷漆。此外因为在油漆或者喷膜的干燥过程中表面液体流动，其留下的纹路会干扰对表面微小裂纹的检测，同时覆盖的膜层也严重影响对表面微小裂纹的检测，同时膜层厚度的均匀性不好控制也会对检测结果产生影响。另外部分高反射率材料表面从工艺上不允许额外喷涂。采用红外热成像检测法，一般对于高反射率材料表面裂纹的检测激励方式采用光激励较多，而光激励对检测人员有光污染，尤其是卤素灯、闪光灯和激光激励必须做好防护措施，同时需要一部分能量供给于激励源，此外激励过程需要耗费时间，检测速度慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法，采用被动式或主动式红外热成像检测技术，避开了对检验人员的光污染，节约能量，检测速度快。另外，部分零件的生产工艺需要严格控制曝光，被动式红外热成像检测技术完全符合此要求。

发明的技术解决方案如下：

一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，包括：参数检测模块，检测、计算出被测对象的形态学参数；红外测量成像模块，用于测量被测对象发射的中波红外辐射或长波红外辐射或者温度，以热像图序列形式记录下来；聚焦旗制作模块，通过参数检测模块读取被测对象形态学参数，制造出适合该被测对象的聚焦旗；聚焦旗，辅助红外测量成像模块完成自动对焦；运动控制模块，用于支持参数检测模块、红外测量成像模块、聚焦旗、被测对象中的某个或者某几个物体的相对运动；系统控制模块，控制参数检测模块工作以获得被测对象的形态学参数，以及控制红外测量成像模块的触发、断开和工作时间，以及聚焦旗制作模块制作聚焦旗，以及相关模块的联动。信号处理模块及诊断模块，信号处理模块可以用于处理热像仪的热像图序列，从而获得特征值，所述诊断模块利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量。

进一步，还包括提高检测信噪比，提升检测效果的激励模块，可以形成主动式热成像检测技术。

进一步，激励模块可以是卤素灯、闪光灯、激光、电磁感应圈、电流或超声波发生器。

进一步，所述运动控制模块包括固定被测对象的位移台。

进一步，所述运动控制模块能够精确控制聚焦旗的位置使其贴近被测对象表面而不接触。

进一步，所述系统控制模块能够根据聚焦旗与被测对象表面的距离校正聚焦距离以确保能够正确聚焦在被测对象表面而不是聚焦旗表面。

更进一步，所述系统控制模块能够根据聚焦旗与被测对象表面的距离校正聚焦距离使得红外测量成像模块能够聚焦于高反光表面上的细微缺陷处。

一种采用上述检测系统的热成像检测方法，所述运动控制模块调整被测对象的位置，使得被测对象处于参数检测模块能覆盖到的检测区域，所述红外测量成像模块调整到合适位置使得被测对象处于其焦平面附近，参数检测模块通过扫描、读取被测对象的形态学参数，把数据通过系统控制模块传到聚焦旗制作模块制作聚焦旗，同时规划在检测过程中被测对象、聚焦旗、参数检测模块、红外测量成像模块之间某个或者某几个物体的相对运动线路，聚焦旗通过运动控制模块移动到合适位置，然后系统控制模块启动红外测量成像模块，运动控制模块把被测对象移动到红外热像仪焦平面附近，聚焦旗辅助红外热像仪完成自动对焦，参数检测模块和红外测量成像模块记录该过程的热像图序列，聚焦旗移动到另外一个位置，该位置和上一次聚焦旗所在位置不重叠，记录该过程的热像图序列，红外测量成像模块记录温度变化热像图序列,信号处理模块处理热像图序列，获得特征值，诊断模块利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量。

有益效果：

本发明的一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统和方法，能够对高反射率材料表面的细微裂纹缺陷进行检测，检验速度快，实施简单，结果直观，效率高，无辐射，无化学腐蚀，避免了光污染，节约能量，准确度高，另外，能够严格控制曝光，符合特种零件生产工艺的要求。

附图说明

图1为高反射率材料表面缺陷的被动式热成像缺陷检测系统结构示意图；

图2为高反射率材料表面缺陷的主动式热成像缺陷检测系统结构示意图；

图3为被测对象和聚焦旗示例图；

图4为测量被测对象曲率的直射式三角测量原理图；

图5为测量被测对象曲率的斜射式三角测量原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1：

图1所示，一种高反射率材料表面缺陷的被动式热成像检测系统，所述被测对象6为表面高反射率物体，可以为任意形状、大小的表面高反射率物体。所述检测系统包括参数检测模块3、系统控制模块1、红外测量成像模块4、聚焦旗5、聚焦旗制作模块2、运动控制模块7、信号处理模块8及诊断模块9，系统控制模块1可以采用计算机。

系统控制模块1控制参数检测模块3中激光扫描阵列或3D扫描仪工作以获得被测对象6的形态学参数，比如曲率等，以及控制红外测量成像模块4的触发、断开、工作时间，以及聚焦旗制作模块2制作聚焦旗5，以及其它相关模块的联动。其中，“形态学参数”也可以称之为“形貌参数”，即Morphology parameters，起源于数学形态学。其包括曲率等参数，一般使用“曲率”这个专有名词来衡量曲面的弯曲程度。对于三维曲面，常用的曲率有主曲率、高斯曲率和平均曲率。

作为可选的实施例，聚焦旗制作模块2包括但不限于采用一台3D打印机，通过参数检测模块3读取被测对象6形态学参数，比如曲率后，制造出适合该被测对象6的聚焦旗5。进一步，作为可选的实施方式，所述聚焦旗5是一种被细线牵引的高发射率的扁平状小物体，面积大于0.1mm*0.1mm，不仅仅局限于旗子形态，也可以是其他形状的小物体，发射率足够高,面积足够小，厚度薄，使得其能够尽可能贴近被测物体表面，尽可能减少对热像仪视场的阻拦，高发射率是为了辅助热像仪对高反射/低发射率表面聚焦，聚焦旗5的形状和大小要适应被测对象6的大小和曲率，方便聚焦旗5在被测对象6上面一定距离移动，两者不接触但尽可能贴近。自动聚焦是热像仪带有的功能，对视场内物体进行自动对焦，如果没聚焦清楚，也可以一键聚焦或者手动聚焦，和手机、数码相机自动聚焦的原理、效果是一样的。被测对象和聚焦旗示例见图3所示，图3包含被测对象和聚焦旗的主视视角、侧视视角和俯视视角图。作为可选的实施例，所述参数检测模块3为激光扫描阵列或者3D扫描仪。激光扫描阵列可以由单个激光器加激光分束器达到阵列效果，或者采用单点激光器加柱面镜变成线激光，或者采用激光器阵列构成。激光扫描阵列利用激光飞点法测出激光发射点与被测对象6面上各点距离，3D扫描仪则使用结构光的变形，比如发射一个强度随时间周期变化的正弦信号，通过获得发射、接受信号的相位差来计算深度，以提高精度。可以解算被测对象6形态学参数，如曲率；类似于三坐标测量机，三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。不过本技术方案利用激光或者3D扫描仪的结构光代替三坐标测量机的探针，这样做到非接触测量，不划伤被测对象6表面。最主要的目的是通过对几何形状的测量，使系统对聚焦旗的放置达到贴近却不接触的效果，这对本技术方案的检测方法成功与否非常重要，因为在微距镜头下相机景深很小。空间调制方法利用结构光场的相位、光强等性质被测对象6调制后都会产生变化,根据读取这些性质的变化就可得出被测对象6的形态学参数，如曲率。现在常用的TOF不直接记录飞行时间，而是发射一个强度随时间周期变化的正弦信号，通过获得发射、接受信号的相位差来计算深度，以提高精度。结构光与TOF常用的光源为可见光与近红外，用CCD采集。

如图3所示，作为可选的实施方案，激光器发出的光线,经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上,物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测器(如PSD、CCD)敏感面上。

若光点在成像面上的位移为x′,利用相似三角形各边之间的比例关系，按下式可求出被测面的位移：

化简后可求出被侧面的位移：

式中，a为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；α为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；β为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。

图4为斜射式三角测量原理图，激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。

若光点的像在探测器敏感面上移动x′，则物体表面沿法线方向的移动距离为x，利用相似三角形的比例关系，参照前一个公式，用x/cosα替换x，α+γ替换α，有

式中，α为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；γ为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角。β为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。当γ为零时，属于直射式三角测量式。利用单个激光一次可以测出位移距离，同时根据激光发射反射接收时间差能计算出激光离被测对象6表面特定的距离，通过移动扫描激光可以获得被测对象6表面一系列点的距离参数，根据这些参数可以拟合出被测对象6表面的形状，一般而言测量点越多拟合误差越小，从而获得被测对象6曲率。

所述红外测量成像模块4包括配备光学显微镜头的红外热像仪，红外热像仪用于测量被测对象6发射的短波红外辐射或中波红外辐射或长波红外辐射或者温度，以热像图序列形式记录下来。

所述运动控制模块7用于支持被测对象6、聚焦旗5、参数检测模块3、红外测量成像模块4之间某个或者某几个物体的相对运动。所述运动控制模块7能够精确控制聚焦旗5的位置使其贴近被测对象6表面而不接触。该结构只需要实现其中某个或者某几个物体的相对运动即可，可以采用纯机械结构，如用齿轮粗调或者微调某个物体位移实现相对运动，也可以采用机械臂控制各个物体的相对位置，聚焦旗5可以采用机械臂通过绳子悬挂固定。该结构在机械、机器人领域有很多参考方案，在此不再赘述。

所述系统控制模块1能够根据聚焦旗5与被测对象6表面的距离校正聚焦距离以确保能够正确聚焦在被测对象表面6而不是聚焦旗5表面。

进一步，所述系统控制模块1能够根据聚焦旗5与被测对象6表面的距离校正聚焦距离使得红外测量成像模块4能够聚焦于高反光表面上的细微缺陷处。聚焦旗5与被测对象6的相对运动轨迹根据被测对象6的尺寸、形态、缺陷位置、缺陷尺寸、表面情况等进行调整，有些特定状态下，两者的相对运动轨迹较为复杂，这些具体操作此处不再赘述。

所述信号处理模块8可以用于处理热像仪的热像图序列，从而获得特征值，并进一步处理。所述诊断模块9用于利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量。信号处理模块8和诊断模块9在现有技术下，还达不到集成在同一块芯片上这种水平，可以设置于同一个主机中。该信号处理及诊断操作的算法，国内很多人都在研究。

申请号为ZL 2013104226286，“基于热图时序特征的红外无损检测方法”，华东交通大学基于热像图时序特征和概率神经网络,提出了一种以像素为单位,实现缺陷红外无损检测的新方法。首先获得加热后的试件降温过程中的热像图序列，然后提取热像图序列中正常和异常区域的灰度值,建立不同区域灰度值与时间的关系,然后采用主成分分析实现降维,从而获得时序特征；最后以时序特征为训练样本,构建概率神经网络。ZL2014106196307“一种固定视场的红外热波脉冲相位无损检测方法”中国人民解放军第二炮兵工程大学提出了一种固定视场脉冲激励红外热波脉冲相位无损检测方法。综合运用复调制Zoom-FFT细化谱方法、热波数据拟合扩展方法和零相位数字滤波器方法,对热像图序列进行高精度的频谱分析,从而快速获得精密的超低频的热像相位图和幅值图,进而实现对设备缺陷或损伤的检测与识别。

实施例2：

图2所示，一种高反射率材料表面缺陷的主动式热成像检测系统，为进一步提高检测信噪比，可以采取不同的激励方式来提升检测效果，故可以该系统加入激励模块10，激励模块10可以是卤素灯、闪光灯、激光、电磁感应、电流或超声波等。其原理是：利用这些激励模块10给被测对象6一个激励，使得被测对象6出现热量的注入，而有缺陷位置导致表面热量分布异常，通过观察表面热量分布反演出缺陷参数。

一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测方法，利用如上所述的检测系统进行基于热成像的高反射率材料表面细微裂纹缺陷智能检测，包括以下步骤：

被测对象6固定在由运动控制模块7控制的位移台上，参数检测模块3调整到合适位置使得被测对象6处于参数检测模块3能覆盖到的检测区域，所述红外测量成像模块4的红外热像仪调整到合适位置使得被测对象6在红外热像仪的焦平面附近。参数检测模块3通过扫描读取被测对象6的形态学参数，如曲率，并把数据通过系统控制模块1传到聚焦旗制作模块2制作聚焦旗5，同时规划在检测过程中被测对象6、聚焦旗5、参数检测模块3、红外测量成像模块4之间某个或者某几个物体的相对运动线路，聚焦旗5通过运动控制模块7移动到合适位置。然后系统控制模块1启动红外测量成像模块4，运动控制模块7把被测对象6移动到红外热像仪焦平面附近，聚焦旗5辅助红外热像仪完成自动对焦。参数检测模块3和热像仪记录该过程的热像图序列，聚焦旗5移动到另外一个位置，该位置和上一次聚焦旗5所在位置不重叠，即在热像仪视场中，聚焦旗5所在位置垂直投影到被测表面的投影与上一次投影不重合，记录该过程的热像图序列，该步骤的目的在于避免聚焦旗5挡住缺陷区域造成漏检，红外测量成像模块4记录温度变化热像图序列,信号处理模块8处理热像图序列，获得特征值，诊断模块9利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量；

作为优选，为了完成微小裂纹检测，所以红外测量成像模块4配备了光学显微镜头，这样视场大大减小，为了完成对被测对象6的全面检测，必须移动热像仪的视场多次检测，完成热像仪视场对被测对象6的“全覆盖”。如果采用扫描式检测，则数据量太大，获得大量的热像图序列处理需要很多时间。本技术方案采用阶梯式移动，一个区域拍摄三次或者更多次，拍摄次数需大于聚焦旗5移动次数，拍摄完一个区域移动到相邻区域，那么移动次数是被测对象6的被检面积除以视场面积。这样可以在保持检测精度的情况下尽可能减少采集的热像图序列数，从而减少后期的处理时间，达到提高检测速度的目的。

在上面的实施例中，采用的是被动式热成像技术。为进一步提高检测信噪比，可以采取不同的激励方式来提升检测效果。如图2所示，激励模块10可以是卤素灯、闪光灯、激光、电磁感应、电流或超声波等。

本技术方案的创新点是：

1.提供了一种高反射率材料表面细微裂纹缺陷的红外热成像检测系统和方法，提高了测试效率，缺陷检验结果可视化。

2.利用贴近于被测对象6表面的微小高发射率物体，即聚焦旗5，解决在高反射率材料表面热像仪无法聚焦的难题；

3.设计了一套可以自动精确控制聚焦旗5与被测对象6的距离系统，确保被测对象6不会划伤；

4.应用了机器识别及智能制造手段可以快速生产能够适合任何曲率的聚焦旗5，并规划检测步骤以及检测路线；

5.把新型的3D结构光扫描技术运用到热成像检测系统中。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，包括：

参数检测模块，检测、计算出被测对象的形态学参数；

红外测量成像模块，用于测量被测对象发射的中波红外辐射或长波红外辐射或者温度，以热像图序列形式记录下来；

聚焦旗制作模块，通过参数检测模块读取被测对象形态学参数，制造出适合该被测对象的聚焦旗；

聚焦旗，辅助红外测量成像模块完成自动对焦；

运动控制模块，用于支持参数检测模块、红外测量成像模块、聚焦旗、被测对象中的某个或者某几个物体的相对运动；

系统控制模块，控制参数检测模块工作以获得被测对象的形态学参数，以及控制红外测量成像模块的触发、断开和工作时间，以及聚焦旗制作模块制作聚焦旗，以及相关模块的联动；

信号处理模块及诊断模块，信号处理模块可以用于处理热像仪的热像图序列，从而获得特征值，所述诊断模块利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量；

系统控制模块启动红外测量成像模块，运动控制模块把被测对象移动到红外热像仪焦平面附近，聚焦旗辅助红外热像仪完成自动对焦，参数检测模块和红外测量成像模块记录该过程的热像图序列，聚焦旗移动到另外一个位置，该位置和上一次聚焦旗所在位置不重叠，记录该过程的热像图序列，红外测量成像模块记录温度变化热像图序列。

2.根据权利要求1所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，还包括提高检测信噪比，提升检测效果的激励模块。

3.根据权利要求2所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，激励模块是卤素灯、闪光灯、激光、电磁感应圈、电流或超声波发生器。

4.根据权利要求1所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，所述运动控制模块包括固定被测对象的位移台。

5.根据权利要求1所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，所述运动控制模块能够精确控制聚焦旗的位置使其贴近被测对象表面而不接触。

6.根据权利要求1所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，所述系统控制模块能够根据聚焦旗与被测对象表面的距离校正聚焦距离以确保能够正确聚焦在被测对象表面而不是聚焦旗表面。

7.根据权利要求6所述的高反射率材料表面缺陷的热成像检测系统，其特征在于，所述系统控制模块能够根据聚焦旗与被测对象表面的距离校正聚焦距离使得红外测量成像模块能够聚焦于高反光表面上的细微缺陷处。

8.一种采用权利要求1-7所述检测系统的热成像检测方法，其特征在于，所述运动控制模块调整被测对象的位置，使得被测对象处于参数检测模块能覆盖到的检测区域，所述红外测量成像模块调整到合适位置使得被测对象处于其焦平面附近，参数检测模块通过扫描、读取被测对象的形态学参数，把数据通过系统控制模块传到聚焦旗制作模块制作聚焦旗，同时规划在检测过程中被测对象、聚焦旗、参数检测模块、红外测量成像模块之间某个或者某几个物体的相对运动线路，聚焦旗通过运动控制模块移动到合适位置，然后系统控制模块启动红外测量成像模块，运动控制模块把被测对象移动到红外热像仪焦平面附近，聚焦旗辅助红外热像仪完成自动对焦，参数检测模块和红外测量成像模块记录该过程的热像图序列，聚焦旗移动到另外一个位置，该位置和上一次聚焦旗所在位置不重叠，记录该过程的热像图序列，红外测量成像模块记录温度变化热像图序列,信号处理模块处理热像图序列，获得特征值，诊断模块利用特征值对缺陷进行检测、分类和定量。

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