CN108693141A - 激光与红外复合的无损检测设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光与红外复合的无损检测设备及方法，用于精确检测材料内部缺陷的方法及设备，属于无损检测领域。本方法基于激光剪切散斑干涉和红外成像无损检测原理，研究热辐射加载装置；研究多线程激光散斑干涉和红外检测成像共屏显示技术；根据两种图像检测结果，研究缺陷定位和判定方法；开展模块化设计，集成两种相机控制和热加载控制机构，研制复合型激光剪切散斑干涉和红外成像无损检测样机，并探索复合检测设备在航空航天等典型复合材料结构中的应用方法，为新型检测设备的应用提供技术支持。

Description

激光与红外复合的无损检测设备及方法
技术领域
本发明涉及一种激光与红外复合的无损检测设备及方法用于精确检测材料内部缺陷，属于无损检测领域。
背景技术
随着航空、航天等高端制造业的发展，质量小，强度高、刚度高的复合材料结构件的运用越来越广泛，是传统金属材料理想的替代品。受微观结构的影响，复合材料构件的内部缺陷对结构的力学性能的影响非常灵敏，现有的无损检测技术在复合材料上的使用存在一些限制，由此可见，开发能够在各类工程现场使用、高效的无损检测方法具有特别重要的意义。
近年来，激光剪切散斑干涉和红外成像的关键技术发展迅速，且国外的先进装备已经逐渐在我国得到应用，但这些方法尚有一些局限性，如激光剪切散斑干涉技术对物体表面及周围环境要求较高，且无法检测缺陷深度，而红外成像技术在图像分辨率上尚有不足之处，且一般应用于缺陷较浅的试样，故两种方法在检测机理和应用方法上尚存在许多需要探索的问题。
本发明通过研究激光剪切散斑干涉和红外成像的关键技术，开发多模式图像处理算法方法，提高无损检测准确性和效率。本发明的技术可以研制复合激光剪切散斑干涉和红外成像的无损测试设备，通过探索复合检测设备在航空航天等典型复合材料结构中的应用方法，为新型检测设备的应用提供技术支持。
发明内容
激光剪切散斑干涉和红外成像已经成为常规的无损检测技术，但在实际使用中存在局限性。本发明通过研究激光剪切散斑干涉和红外成像无损检测关键技术，研制激光与红外复合的无损检测设备，开发能够共屏显示物体表面剪切散斑干涉相移图像和红外图像的软件，整合两种检测图像的信息，研制新型算法，准确判定物体内部缺陷的尺寸和位置。该设备及方法准确简便，实用可行，其技术方案如下：
一种激光与红外复合的无损检测设备，包括脉冲热加载激励装置1、激光发射器2、扩束装置3、红外热像仪4、迈克尔逊干涉仪5、数字相机6、集成控制器7、计算机8；脉冲热加载激励装置1放置于试样前方0.5m以内，并保证能够对试样表面进行均匀的热加载；激光发射器2的光轴垂直于被侧试样表面，在激光发射器2的光轴上和被测试样之间放置扩束装置3；在被测试样的一侧的反射光线上依次放置迈克尔逊干涉仪5、数字相机6，另一侧放置红外热像仪4；通过集成控制器7来控制热加载，剪切量及相移模量；数字相机6将所采集的干涉图像信号传输至计算机8中，同时红外热成像仪4将所采集的试样表面温度分布图像传输至计算机8中；调整扩束装置3位置使激光能均匀照射到试样表面；在计算机8中通过自行开发的图像处理软件对散斑图像与温度图像进行分析与数据处理。
所述的脉冲热加载激励装置1采用卤素灯阵列，通过程序控制装置，以周期性或单次脉冲方式加载，峰值功率可达106W。
所述的激光发射器2采用波长为532nm的固体激光器。
所述的数字相机6为面阵CCD工业相机。
所述的迈克尔逊干涉仪5包括剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块使用四步相移技术可以得到被测物体的相位信息，进而提高检测图像质量，两种模块的控制均由集成控制器7来操作。
所述的红外热像仪4选用以InSb为热敏像元的中波段红外相机，空间分辨率波段范围在1～5μm之间，灵敏度可达0.1摄氏度，采集频率为60帧每秒。
一种激光与红外复合的无损检测方法，其特征在于操作步骤如下：
步骤1：首先打开激光发射器2，将其发射出的激光经过扩束装置3均匀照亮被测试样表面。
步骤2：采用迈克尔逊干涉仪5，步骤1中反射回来的散斑图像经过迈克尔逊干涉仪5后分别经反射镜1和反射镜2照射到摄像机的靶面上，他们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机6的靶面上。其中，反射镜1粘接在可沿其法向产生微小移动的压电陶瓷芯上，反射镜2固定在由驱动电机控制的转台上，可在图像上产生任意方向的错位量。通过反射镜1可引入相移技术,获得对比度更高的位相主值条纹，反射镜2可调解剪切散斑的错位量，从而在一定范围内调节测量的灵敏度。
步骤3：调节步骤2中的迈克尔逊干涉仪5，包括调节剪切矢量的大小及方向，剪切量大小保持在1°～5°之间。
步骤4：打开红外热像仪4，待冷却后将其镜头放置于距试样大约1m处，用于采集试样表面温度分布图像。
步骤5：将步骤2与步骤4中的数字相机6和红外热像仪4连接计算机8，利用集成控制装置7调整相机的焦距及增益，再利用计算机上的实时图像处理软件先采集变形前的相位图，然后通过卤素灯进行热辐射加载，加载时间保持在10s以上。加载完成后采集变形之后的相位图和待测物体表面温度分布的序列图，通过对变形前后的相位图分析即可得出变形引起的相位差。再采用自行开发的算法对采集的温度序列图及散斑干涉图进行处理和比较，进而确定试样缺陷位置，尺寸及深度。
在步骤1中将扩束装置3放置于待测试样与激光发射器2之间，并适当调节其位置使激光能均匀照射在待测物体表面。
在步骤2中将试样表面的激光散斑图像传至迈克尔逊干涉仪5光路之中形成干涉图像，并利用低电压压电陶瓷驱动的相移装置实现四步相移技术，通过在多幅图中引入恒定的阶梯位相，选择材料在加热前作为参考图像，并连续与热加载后图像进行运算，解算出代表物面变形的位相，继而生成的锯齿状位相图(如图2所示)的对比度显著高于干涉条纹图，大大提高了激光散斑干涉无损检测的检测质量和检测精度，再从剪切散斑干涉位相图中获取缺陷的大小和形状。
在步骤4中通过选用适当的成像镜头，采集与激光散斑测量相重合的区域图像，在热辐射加热后同步采集物体表面温度的序列图像，并传输至计算机8中，由红外相机拍摄的序列图像，根据脉冲加热方式所对应的算法分析物体缺陷对应表面的相对温度随时间变化情况，公式如下：
其中，△T：有缺陷与无缺陷部分表面的温度差；
I0：试件表面单位面积所吸收的热能；
ρ：材料密度；
c：比热；
k：热传导系数；
α：热扩散系数；
α＝k/ρc；
t：时间；
L：缺陷深度；
通过序列图像分析物面表面相对温度ΔT随时间的变化率(一阶导数)，找出相对温度最大时所对应的峰值时间即可推算出缺陷距表面的深度L，即可确定缺陷深度。
在步骤5中通过进行脉冲热加载同时获取红外热像仪4和数字相机6的图像，利用自行开发的序列图像处理软件实现红外成像和激光散斑干涉位相图的实时共屏显示，实时显示物体表面的温度变化和变形，从剪切散斑干涉位相图中获取缺陷的大小和形状，从红外序列图像中获取缺陷的深度信息，利用新型算法建立红外图像和散斑干涉图像之间的空间对应关系。
本方法包含两种检测方法，分别是激光剪切散斑干涉和红外成像检测。它们都是通过对物体表面进行加热的方式，但依据不同的探测原理检测物体内部的缺陷。其中，激光剪切散斑干涉技术对被测物体表面位移梯度较敏感，通过热加载，使被检测物体表面产生微小变形，用移相法得到干涉条纹图，再检测物体表面由于加热后的热膨胀在缺陷位置所产生的非均匀变形来确定缺陷；热成像技术则是根据有缺陷部分与无缺陷部分热传导率不同，利用热量在物体内部的传导的均匀性感知内部缺陷。
本发明通过利用激光剪切散斑干涉和红外成像无损检测关键技术，研制出激光与红外复合设备，共屏显示物体表面的剪切散斑干涉相移图像和红外图像，整合两种检测图像的信息，优势互补，采用新型算法，准确判定物体内部缺陷的尺寸和位置。
附图说明
图1是激光与红外复合的无损检测设备示意图。
图2是激光与红外复合的无损检测方法操作流程图。
图3是迈克尔逊干涉仪光路原理图。
图4是数字相机采集到的复合材料的激光剪切散斑干涉相位图。
图5是红外成像仪采集到的物体表面温场热图。
附图标记说明
1-热加载激励装置；2-激光发射器；3-扩束装置4-红外热像仪；5-迈克尔逊干涉仪；
6-数字相机；7-集成控制器；8-计算机。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
以激光与红外复合的无损检测方法及设备检测内含缺陷的典型复合材料，待测样品表面为平面且用脉冲热加载方式激励。
本实施例包括脉冲热加载激励装置1、激光发射器2、扩束装置3、红外热像仪4、迈克尔逊干涉仪5、数字相机6、集成控制器7、计算机8；脉冲热加载激励装置1采用卤素灯整列，通过程序控制装置，以周期性或单次脉冲方式加载，峰值功率可达106W。激光发射器2采用波长为532nm的固体激光器。数字相机6为面阵CCD工业相机。迈克尔逊干涉仪5包括剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块使用四步相移技术可以得到被测物体的相位信息，进而提高检测图像质量，两种模块的控制均由集成控制器7来操作。红外热像仪4选用以InSb为热敏像元的中波段红外相机FLIRA6700sc，空间分辨率波段范围在1～5μm之间，灵敏度可达0.1摄氏度，采集频率为60帧每秒。
脉冲热加载激励装置1放置于试样前方0.5m以内，并保证能够对试样表面进行均匀的热加载；激光发射器2的光轴垂直于被侧试样表面，在激光发射器2的光轴上和被测试样之间放置扩束装置3；在被测试样的一侧的反射光线上依次放置迈克尔逊干涉仪5、数字相机6，另一侧放置红外热像仪4；通过集成控制器7来控制热加载，剪切量及相移模量；数字相机6将所采集的干涉图像信号传输至计算机8中，同时红外热成像仪4将所采集的试样表面温度分布图像传输至计算机8中；调整扩束装置3位置使激光能均匀照射到试样表面；在计算机8中通过自行开发的图像处理软件对散斑图像与温度图像进行分析与数据处理。
本实施例主要工作过程为：
(1)首先打开激光发射器2，将其发射出的激光经过扩束装置3均匀照亮复合材料试样表面。
(2)采用迈克尔逊干涉仪5，步骤1中反射回来的散斑图像经过迈克尔逊干涉仪5后分别经反射镜1和反射镜2照射到摄像机的靶面上，他们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机6的靶面上。其中(如图3所示)反射镜1粘接在可沿其法向产生微小移动的压电陶瓷芯上，反射镜2固定在由驱动电机控制的转台上，可在图像上产生任意方向的错位量。通过反射镜1可引入相移技术,获得对比度更高的位相主值条纹，反射镜2可调解剪切散斑的错位量，从而在一定范围内调节测量的灵敏度。
(3)调节步骤2中的迈克尔逊干涉仪5，包括调节剪切矢量的大小及方向，剪切量大小保持在1°～5°之间。
(4)打开红外热像仪4，待冷却后将其镜头放置于距试样大约1m处，用于采集试样表面温度分布图像。
(5)将步骤2与步骤4中的数字相机6和红外热像仪4连接计算机8，利用集成控制装置7调整相机的焦距及增益，再利用计算机上的实时图像处理软件先采集变形前的相位图，然后通过卤素灯进行热辐射加载，加载时间保持在10s以上。加载完成后采集变形之后的相位图和待测物体表面温度分布的序列图(如图5所示)，通过对变形前后的相位图分析即可得出变形引起的相位差(如图4所示)。再采用自行开发的算法对采集的温度序列图及散斑干涉图进行处理和比较，进而确定试样缺陷位置，尺寸及深度。
本发明通过利用激光剪切散斑干涉和红外成像无损检测关键技术，研制出激光与红外复合设备，共屏显示物体表面的剪切散斑干涉相移图像和红外图像，整合两种检测图像的信息，优势互补，采用新型算法，准确判定物体内部缺陷的尺寸和位置。

Claims (11)

1.一种激光与红外复合的无损检测设备，包括脉冲热加载激励装置(1)、激光发射器(2)、扩束装置(3)、红外热像仪(4)、迈克尔逊干涉仪(5)、数字相机(6)、集成控制器(7)、计算机(8)；其特征在于：脉冲热加载激励(1)装置放置于试样前方0.5m以内，并保证能够对试样表面进行均匀的热加载；激光发射器(2)的光轴垂直于被侧试样表面，在激光发射器(2)的光轴上和被测试样之间放置扩束装置(3)；在被测试样的一侧的反射光线上依次放置迈克尔逊干涉仪(5)、数字相机(6)，另一侧放置红外热像仪(4)；通过集成控制器(7)来控制热加载，剪切量及相移模量；数字相机(6)将所采集的干涉图像信号传输至计算机(8)中，同时红外热成像仪(4)将所采集的试样表面温度分布图像传输至计算机(8)中；调整扩束装置(3)位置使激光能均匀照射到试样表面；在计算机(8)中通过自行开发的图像处理软件对散斑图像与温度图像进行分析与数据处理。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的脉冲热加载激励装置(1)采用卤素灯整列，通过程序控制装置，以周期性或单次脉冲方式加载，峰值功率可达106W。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的激光发射器(2)采用波长为532nm的氦氖激光器。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的数字相机(6)为面阵CCD工业相机。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的迈克尔逊干涉仪(5)包括剪切矢量调节模块和相移模块，剪切矢量调节模块可以调整剪切量的大小和方向，相移模块使用四步相移技术可以得到被测物体的相位信息，进而提高检测图像质量，两种模块的控制均由集成控制器(7)来操作。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的红外热像仪(4)选用以InSb为热敏像元的中波段红外相机FLIR A6700sc，空间分辨率波段范围在1～5μm之间，灵敏度可达0.1摄氏度，最高采集频率为480帧每秒。
7.一种激光与红外复合的无损检测方法采用权利要求1所述的激光与红外复合的无损检测设备进行检测操作，其特征在于操作步骤如下：
1)首先打开激光发射器(2)，将其发射出的激光经过扩束装置(3)均匀照亮被测试样表面。
2)采用迈克尔逊干涉仪(5)，步骤1)中反射回来的散斑图像经过迈克尔逊干涉仪(5)后会形成一对错位图像，他们相互干涉形成的散斑干涉图像就会成像在数字相机(6)的靶面上。
3)调节步骤2)中的迈克尔逊干涉仪(5)，包括调节剪切矢量的大小及方向，剪切量大小保持在1°～5°之间。
4)打开红外热像仪(4)，待冷却后将其镜头放置于距试样大约1m处，用于采集试样表面温度分布图像。
5)将步骤2)与步骤4)中的数字相机(6)和红外热像仪(4)连接计算机(8)，利用集成控制装置(7)调整相机的焦距及增益，再利用计算机上的实时图像处理软件，进行有效热加载，利用自行开发的算法对采集的温度序列图及散斑干涉图进行处理和比较，进而确定试样缺陷位置，尺寸及深度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤1)将扩束装置(3)放置于待测试样与激光发射器(2)之间，并适当调节其位置使激光能均匀照射在待测物体表面。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤2)将试样表面的激光散斑图像传至迈克尔逊干涉仪(5)光路之中形成干涉图像，并利用四步相移法对干涉图像进行实时相移处理，再在步骤5)中将变形前与变形后的散斑干涉图像相减即可得到被测物体由于变形引起的位相差图像，进而得到缺陷位置。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤4)通过选用适当的成像镜头，采集与激光散斑测量相重合的区域图像，在热辐射加热后同步采集物体表面温度的序列图像，并传输至计算机(8)中。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤5)通过进行脉冲热加载同时获取红外热像仪(4)和数字相机(6)的图像，利用自行开发的图像处理软件实现红外成像和激光散斑干涉位相图的实时共屏显示，实时显示物体表面的温度变化和变形，从剪切散斑干涉位相图中获取缺陷的大小和形状，从红外序列图像中获取缺陷的深度信息，利用新型算法建立红外图像和散斑干涉图像之间的空间对应关系。
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