CN109856190A - 一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法，所述装置包括泡沫板箱体、密封盖、卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器、进气风扇、排气风扇B，其中：所述泡沫板箱体的上面设置有密封盖；所述泡沫板箱体的侧面设置有进气风扇和排气风扇；所述泡沫板箱体的内部设置有卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器B。本发明采用红外热波无损检测一体机克服因人工调整试件时存在的红外热像仪无法对焦试件的问题，显著提高红外热波特征图像的噪声影响。

Description

一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法，特别涉及一种针对智能传感器控制系统进行设计的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法。

背景技术

随着材料科学与工业检测技术的快速发展，无损检测技术已成为保证产品质量的必要手段之一。碳纤维增强复合材料是近几十年发展起来的一种新型材料，广泛应用于航空航天、汽车、船舶工业等领域。碳纤维增强复合材料在成型与使用过程中容易产生多种缺陷与损伤，目前CFRP层板缺陷的常规无损检测技术主要有射线检测（RT）、超声检测（UT）和电磁检测（ET）。射线检测（RT）不受材料和几何形状的限制，对气孔、夹渣等体积型缺陷比较敏感，但射线检测的设备投资较大，不易发现与射线垂直方向上的裂纹，安装及安全方面有严格的要求，不适于现场原位检测，检测周期长，检测成本较高。超声波检测（UT）对缺陷比较敏感，检测速度快，定位方便，但对于小而薄的复杂零件难以检测，需要耦合剂进行耦合，形状复杂的结构难以进行检测，检测速度慢，周期长。电磁检测（ET）只用于表面和近表面缺陷检测，对于零件几何形状突变引起的边缘效应敏感，容易给出虚假的显示。这些方法各有所长，也各有其局限性。主动式红外热波无损检测技术具有快速、非接触、无须耦合、大面积及远距离检测等优点，能够实现构件损伤或缺陷深度、各种涂层及夹层结构蒙皮厚度测量和内部材料与结构特性识别，适用于检测金属与非金属材料，不受任何材料特性的限制。由于在试验台上搭建红外热波无损检测系统不但麻烦，而且需要耗费大量的时间调整试件的位置，造成试验误差大和耗时。在一定程度上影响了被测试件缺陷调制光激励红外热波无损检测试验结果。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置及方法。本发明采用红外热波无损检测一体机克服因人工调整试件时存在的红外热像仪无法对焦试件的问题，显著提高红外热波特征图像的噪声影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，包括泡沫板箱体、密封盖、卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器B、进气风扇、排气风扇，其中：

所述泡沫板箱体的上面设置有密封盖；

所述泡沫板箱体的侧面设置有进气风扇和排气风扇；

所述泡沫板箱体的内部设置有卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器B；

所述卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪放置在泡沫板箱体的底部；

所述红外热像仪放置在泡沫板箱体底部的中间位置；

所述卤素灯为两个，分别放置在红外热像仪的两侧；

所述红外热像仪的表面设置有光电传感器A；

所述计算机与红外热像仪相连；

所述计算机的输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述数据采集卡的输出端与卤素灯驱动器的数据输入端相连；

所述卤素灯驱动器的数据输出端与卤素灯相连；

所述光电传感器B用于被测试件位置的识别；

所述夹具固定在升降台上；

所述升降台安装在丝杠上；

所述丝杠安装在泡沫板箱体的底部；

所述电动机由第一电动机和第二电动机组成；

所述第一电动机用于控制丝杠Y轴（左右）运动；

所述第二电动机用于控制丝杠Z轴（上下运动）运动。

一种利用上述装置实现调制光激励红外热成像自动化集成试验检测的方法，包括如下步骤：

S1、将卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、丝杠摆放在泡沫板箱体的底部，连接线路并接通电源；

S2、将夹具固定在升降台上，将被测试件装夹在夹具上，利用第光电传感器B对被测试件进行识别，控制Y轴方向和Z轴方向的第一电动机和第二电动机进给，使被测试件中心与红外热像仪镜头中心保持在同一水平线上，关闭密封盖；

S3、打开计算机，红外热像仪在计算机的控制下调整X方向的焦距，直至计算机显示出清晰的红外图像；

S4、打开计算机编程，调制波形信号通过计算机输出端输出到数据采集卡，数据采集卡将接收到的波形信号通过数据采集卡通道输出到卤素灯驱动器，卤素灯驱动器触发卤素灯，卤素灯激励被测试件，红外热像仪在计算机的触发下将采集的数字图像信息传输到计算机；

S5、计算机读取数字图像信息，采用信号处理算法提取热波信号的时频域特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷的特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷及损伤特征；

S6、试验结束，打开进气风扇和排气风扇，待被测试件冷却结束，进行下一次试验。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明将不同器材固定在密封箱体中，便于携带和突破试验场地的限制。

2、本发明设计密封泡沫板箱体，可避免周围环境对检测试验的干扰，降低红外热图受外界光源噪声的影响，提高检测质量。

3、本发明采用锡纸贴满箱体，一方面经济，另一方面可提高被测试件对热量的吸收率。

4、本发明采用多部光电传感器，可以快速准确地控制被测试件与红外热像仪对焦时间，节约检测时间。

5、本发明设计进气风扇和排气风扇，调高风冷却效率，保证每次试验初始条件一致，避免热量积累对试验结果的影响。

6、本发明中的被测试件装夹在夹具上，利用光电传感器对其进行识别，控制Y、Z轴方向的电动机进给，使被测试件中心与红外热像仪镜头中心保持在同一水平线上，红外热像仪在计算机的控制下可以调整X方向的焦距，代替红外热波检测时手动摆正试件位置的方法，既能提高红外热像仪与被测试件之间的相互位置精度，又可节约时间成本。

附图说明

图1为本发明调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置的整体外观图；

图2为红外热波无损检测系统的结构示意图；

图3为Y、Z轴电机上下左右运动图；

图4为传感器安装位置示意图；

图5为风扇布置示意图；

图6为本发明的自动化集成试验检测装置和传统技术不加该装置对碳纤维复合材料检测的表面温差变化曲线；

图中：1-插头；2-箱体；3-密封盖；4-卤素灯；5-计算机；6-数据采集卡；7-卤素灯驱动器；8-红外热像仪；9-光电传感器A；10-夹具；11-第一电动机；12-第二电动机；13-第一光电传感器；14-第二光电传感器；15-第三光电传感器；16-第三光电传感器；17-进气风扇；18-排气风扇。

具体实施方式

下面结合附图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：本实施方式提供了一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，如图1所示，所述装置由泡沫板箱体2、密封盖3、卤素灯4、计算机5、数据采集卡6、卤素灯驱动器7、红外热像仪8、光电传感器A9、夹具10、第一电动机11、第二电动机12、第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15、第四光电传感器16、进气风扇17、排气风扇18组成，其中：

所述泡沫板箱体2的上面设置有可横向滑动的密封盖3，待放置完被测试件后，应关闭密封盖3；

所述泡沫板箱体2的侧面设置有进气风扇17和排气风扇18；

所述泡沫板箱体2的内部设置有卤素灯4、计算机5、数据采集卡6、卤素灯驱动器7、红外热像仪8、光电传感器9、夹具10、第一电动机11、第二电动机12、第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15、第四光电传感器16；

所述卤素灯4、计算机5、数据采集卡6、卤素灯驱动器7、红外热像仪8放置在泡沫板箱体2的底部；

所述红外热像仪8放置在泡沫板箱体2底部的中间位置，距离密封盖3的垂直距离为15~30cm，优选20cm；

所述卤素灯4为两个，分别放置在红外热像仪8的两侧，与红外热像仪8和被测试件连线的夹角为10~20°，优选15°；

所述红外热像仪8的表面设置有光电传感器9，光电传感器9需配对使用，包括光发射装置和接收装置；

所述计算机5与红外热像仪8相连；

所述计算机5的输出端与数据采集卡6的输入端相连；

所述数据采集卡6的输出端与卤素灯驱动器7的数据输入端相连；

所述卤素灯驱动器7的数据输出端与卤素灯4相连；

所述第一光电传感器13位于被测试件的左上方，用于左上方被测试件位置的识别；

所述第二光电传感器14位于被测试件的左下方，用于左下方被测试件位置的识别；

所述第三光电传感器15位于被测试件的右下方，用于右下方被测试件位置的识别；

所述第四光电传感器16位于被测试件的右上方，用于右上方被测试件位置的识别；

所述夹具10固定在升降台上；

所述升降台安装在丝杠上；

所述丝杠安装在泡沫板箱体2的底部；

所述泡沫板箱体2侧壁上安装有电动机驱动控制器和24V电源，24V电源的插头连接箱体内部的220V插排；

所述第一电动机11和第二电动机12的输入端与电动机驱动控制器连接；

所述第一电动机11用于控制丝杠Y轴（左右）运动；

所述第二电动机12用于控制丝杠Z轴（上下运动）运动。

本实施方式中，所述夹具10上装夹被测试件，重物下降控制装置会感受到试件的重量，控制Z轴方向的第二电动机12向下运动，光电传感器9、第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15、第四光电传感器16检测到被测试件，使第二电动机12暂停。

本实施方式同样适用于激光做激励源，当采用激光反射式检测时，光束应以一定入射角照射到被测试件的表面，当入射角为15°时，可近似认为是圆形光斑。

本实施方式中，所述泡沫板箱体2的内部固定一个220V插排，在箱体外部只需要外接出插头1即可，插头1便于接收外部电源，为泡沫板箱体2内部的仪器提供电源。

本实施方式中，所述装置中的各个组件分别由独立的电路控制，方便检查故障，便于后期维修。

本实施方式中，所述泡沫板箱体2是密封的，其内表面贴有锡箔纸，一方面可避免周围环境对检测试验的干扰，另一方面可提高被测试件对热量的吸收率。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测方法，所述方法具体实施步骤如下：

第一步：按要求将具体实施方式一所述调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置的各组件和元件通信连接完整并检查。

第二步：在夹具10上装夹被测试件，关闭密封盖3，第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15会感受到被测试件，控制第二电动机12 Z轴下降，红外热像仪8上的光电传感器9检测被测试件，控制Z轴下降停止，第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15、第四光电传感器16精确控制第一电动机11和第二电动机12的移动。

第三步：开启计算机5、卤素灯驱动器7、数据采集卡6、光电传感器9、第一光电传感器13、第二光电传感器14、第三光电传感器15、第四光电传感器16、红外热像仪8电源，暂不开启卤素灯驱动器7，红外热像仪8镜头调焦，直至计算机5显示出清晰的红外图像。

第四步：开启卤素灯驱动器7电源，在计算机5中输入并确定调频信号，调频信号输出至数据采集卡6。

第五步：数据采集卡6输出调制信号至卤素灯驱动器7，卤素灯4输出变化的功率激励被测试件。

第六步：红外热像仪8开始实时采集被测试件的图像信息。

第七步：红外热像仪8将采集的图像信息实时输出至计算机5，通过对应的LabVIEW编写程序对输出的数字图像信息读取，采用信号处理算法提取热波信号的时频域特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷的特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷及损伤特征。

第八步：试验结束，打开进气风扇17和排气风扇18，待被测试件冷却结束，进行下一次试验。

设置采样频率30Hz，采样时间10s，在光源输出功率为2000W条件下对试件进行脉冲红外无损检测。加热5s，冷却5s。对碳纤维复合材料上预制直径为10mm的缺陷，分别采用将被测试件放置在本发明的装置和不使用该装置。利用红外热像仪采集的图像利用matlab软件进行数据处理，得到缺陷处和无缺陷处温差变化缺陷，如图6所示。相同参数下，使用本发明装置的试件表面温差的峰值较高，与缺陷处差异更大，更有利于缺陷的检测。另外使用该装置可避免在重复多组实验时，及时冷却仿真上一次温度没有及时冷却，作为下一组试验的初始温度值，导致缺陷处与无缺陷处温差小，不利于缺陷的检测。综上，经过试验可知，使用本发明的装置对于被测试件的检测效果是优于传统不使用装置的。

Claims (9)

1.一种调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述装置包括泡沫板箱体、密封盖、卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器、进气风扇、排气风扇B，其中：

所述泡沫板箱体的上面设置有密封盖；

所述泡沫板箱体的侧面设置有进气风扇和排气风扇；

所述泡沫板箱体的内部设置有卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、光电传感器A、夹具、电动机、光电传感器B；

所述卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪放置在泡沫板箱体的底部；

所述红外热像仪放置在泡沫板箱体底部的中间位置；

所述卤素灯为两个，分别放置在红外热像仪的两侧；

所述红外热像仪的表面设置有光电传感器A；

所述计算机与红外热像仪相连；

所述计算机的输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述数据采集卡的输出端与卤素灯驱动器的数据输入端相连；

所述卤素灯驱动器的数据输出端与卤素灯相连；

所述光电传感器B用于被测试件位置的识别；

所述夹具固定在升降台上；

所述升降台安装在丝杠上；

所述丝杠安装在泡沫板箱体的底部；

所述电动机由第一电动机和第二电动机组成；

所述第一电动机用于控制丝杠Y轴运动；

所述第二电动机用于控制丝杠Z轴运动。

2.根据权利要求1所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述红外热像仪距离密封盖的垂直距离为15~30cm。

3.根据权利要求2所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述红外热像仪距离密封盖的垂直距离为20cm。

4.根据权利要求1所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述卤素灯与红外热像仪和被测试件连线的夹角为10~20°。

5.根据权利要求4所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述卤素灯与红外热像仪和被测试件连线的夹角为15°。

6.根据权利要求1所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述泡沫板箱体的内部固定一个220V插排，在箱体外部外接出插头。

7.根据权利要求1所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述泡沫板箱体的内表面贴有锡箔纸。

8.根据权利要求1所述的调制光激励红外热成像自动化集成试验检测装置，其特征在于所述光电传感器B由第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器、第四光电传感器组成，其中：所述第一光电传感器位于被测试件的左上方，用于左上方被测试件位置的识别；所述第二光电传感器位于被测试件的左下方，用于左下方被测试件位置的识别；所述第三光电传感器位于被测试件的右下方，用于右下方被测试件位置的识别；所述第四光电传感器位于被测试件的右上方，用于右上方被测试件位置的识别。

9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述装置实现调制光激励红外热成像自动化集成试验检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

S1、将卤素灯、计算机、数据采集卡、卤素灯驱动器、红外热像仪、丝杠摆放在泡沫板箱体的底部，连接线路并接通电源；

S2、将夹具固定在升降台上，将被测试件装夹在夹具上，利用光电传感器B对被测试件进行识别，控制Y轴方向和Z轴方向的第一电动机和第二电动机进给，使被测试件中心与红外热像仪镜头中心保持在同一水平线上，关闭密封盖；

S3、打开计算机，红外热像仪在计算机的控制下调整X方向的焦距，直至计算机显示出清晰的红外图像；

S4、打开计算机编程，调制波形信号通过计算机输出端输出到数据采集卡，数据采集卡将接收到的波形信号通过数据采集卡通道输出到卤素灯驱动器，卤素灯驱动器触发卤素灯，卤素灯激励被测试件，红外热像仪在计算机的触发下将采集的数字图像信息传输到计算机；

S5、计算机读取数字图像信息，采用信号处理算法提取热波信号的时频域特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷的特征信息，通过对特征信息图像的处理与分析，提取被测试件内部缺陷及损伤特征；

S6、试验结束，打开进气风扇和排气风扇，待被测试件冷却结束，进行下一次试验。