CN113447527B - 一种双模激光红外热成像检测系统及方法 - Google Patents

一种双模激光红外热成像检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双模激光红外热成像检测系统及方法，该系统包括大功率激光器、双模光束整形镜头模组、同步控制电路单元、红外热像仪及图像采集和处理单元组成。其检测方法为，通过双模光束整形镜头模组将大功率激光器发射的激光束分别整形放大成点阵激光热源和均匀激光热源，照射到被测对象表面，通过红外热像仪采集被测对象表面温度图像，分别实现表面裂纹和内部缺陷的检测。采用这一系统和方法可实现对激励热源的空间分布进行精确调控，从而大幅度提高红外热成像方法对不同类型缺陷的检测能力。

Description

一种双模激光红外热成像检测系统及方法
技术领域
本发明涉及机械结构及材料表面裂纹和内部缺陷的主动红外无损检测方法，具体涉及一种双模激光红外热成像检测系统及方法。
背景技术
红外热成像检测是基于红外辐射原理，主动加热试件，试件表面或内部的缺陷会阻碍热流的扩散，进而导致试件的表面温度场出现不连续分布，通过红外热像仪观测并记录试件表面的温度场分布来判断被测试件中的缺陷。该技术具有检测速度快、检测结果直观、检测结果可追溯、能够进行远距离非接触检测等优点，具有广阔的应用前景。目前传统主动红外检测方法主要采用闪光灯进行大面积均匀加热，主要用于平行于表面的内部缺陷的检测(如碳纤维复合材料内部脱粘或分层缺陷的检测)，对垂直于表面的微小表面裂纹检测效果不佳。新型激光红外热成像检测技术利用激光进行加热，由于激光光斑小，可以形成横向扩散的局部热流，对垂直于表面的微小表面裂纹具有非常高的检测灵敏度，但对平行于表面的内部缺陷的检测效果不佳。由于两种技术采用不同的加热源，设备和技术上不通用，缺乏针对两种缺陷的一体化检测技术和系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种双模激光红外热成像检测系统及方法，该系统包括大功率激光器、双模光束整形镜头模组、同步控制电路单元、红外热像仪及图像采集和处理单元。其检测方法为，通过双模光束整形镜头模组将大功率激光器发射的激光束分别整形放大成点阵激光热源和均匀激光热源，照射到被测结构表面，通过红外热像仪采集结构表面温度图像，分别实现对表面裂纹和内部缺陷的检测。采用这一系统和方法可实现对激励热源的空间分布进行精确调控，从而大幅度提高红外热成像方法对不同类型缺陷的检测能力。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种双模激光红外热成像检测系统，该系统包括大功率激光器1、临近大功率激光器1激光发射端设置的双模光束整形镜头模组2、红外热像仪及图像采集和处理单元4以及连接大功率激光器1和红外热像仪及图像采集和处理单元4并控制二者同步运行的同步控制电路单元3；所述双模光束整形镜头模组2由沿光路依次设置的衍射分束镜5、凹透镜6和可变焦透镜7组成；大功率激光器1产生的呈高斯或近高斯分布的准直激光束8被双模光束整形镜头模组2的衍射分束镜5分割成N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束9照射到被测对象表面10；通过凹透镜6和可变焦透镜7调节阵列子光束9的阵元直径，当阵元直径小于等于阵元间距时，激光热源在被测对象表面10形成点阵分布热源11，用于垂直于被测对象表面的表面裂纹13检测；当相邻阵元间距与阵元直径的比值在预设范围时，相邻阵元相互错位叠加，激光热源在被测对象表面10形成均匀分布热源12，用于平行于被测对象表面的内部缺陷14检测；通过红外热像仪及图像采集和处理单元4采集两种激光热源激励下的被测对象表面温度图像对其分析和处理，分别用于金属表面裂纹和多层复合材料内部脱粘缺陷的检测。
当调节可变焦透镜7使照射到被测对象表面10的激光形成点阵分布热源11时，热流主要沿被测对象表面横向扩散，遇到垂直于表面的表面裂纹13的阻碍，在裂纹两侧形成温度差，通过分析表面温度梯度分布实现表面裂纹的检测。
当调节可变焦透镜7使照射到被测对象表面10的激光形成均匀分布热源12时，热流主要沿深度方向扩散，遇到平行于表面的内部缺陷14的阻碍，在缺陷上方堆积形成局部高温，通过分析表面温度分布实现内部缺陷的检测。
所述可变焦透镜7能变换不同的焦距，进而调节阵列子光束9的阵元直径。
所述当相邻阵元间距与阵元直径的比值在预设范围1/5至1/4时，相邻阵元相互错位叠加，激光热源在被测对象表面10形成均匀分布热源12。
所述的双模激光红外热成像检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在计算机上完成设置，令同步控制电路单元3输出两个同步信号，分别控制大功率激光器1出光和红外热像仪及图像采集和处理单元4中的红外热像仪采样；
步骤2：大功率激光器1产生的呈高斯或近高斯分布的准直激光束8入射到衍射分束镜5上；
步骤3：衍射分束镜5与呈高斯或近高斯分布的准直激光束8垂直放置,该光束被衍射分束镜5分割为N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束9，这些子光束与入射的准直激光束8在横截面上具有相同的能量分布形式；
步骤4：阵列子光束9入射到凹透镜6和可变焦透镜7中，当可变焦透镜7的焦距小于凹透镜6的焦距时，凹透镜6和可变焦透镜7共同将阵列子光束9汇聚并照射到被测对象表面10，此时被测对象表面的光斑阵元直径小于等于阵元间距，激光热源在被测对象表面10形成点阵分布热源11并以该形式对被测试件表面10进行加热；当可变焦透镜7的焦距大于凹透镜6的焦距时，凹透镜6和可变焦透镜7共同将阵列子光束9发散并照射到被测对象表面10，当被测对象表面的光斑阵元间距比上阵元直径在1/5至1/4时，激光光斑阵元错位叠加，在被测对象表面10形成均匀分布热源12，并以该形式对被测试件表面10进行加热；
步骤5：当激光热源在被测对象表面10形成点阵分布热源11时，热流主要沿表面扩散，在垂直于被测对象表面的表面裂纹13两侧存在着明显的温度差异；当激光热源在被测对象表面10形成均匀分布热源12时，热流主要沿深度方向扩散，热流在平行于被测对象表面的内部缺陷14处堆积，导致被测对象表面10在该处的温度明显高于其它位置；大功率激光器1工作的同时红外热像仪及图像采集和处理单元4将试件表面的温度分布记录下来并回传到计算机上，基于被测对象表面温度的差异分布能够实现对表面裂纹和内部缺陷的检测。
本发明通过衍射分束镜将激光束分割成N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束，利用可变焦透镜调节阵列子光束的阵元直径，从而在被检试件表面形成点阵分布和均匀分布的激光热源，分别实现对表面裂纹和内部缺陷的检测。采用这一系统和方法实现了对激励热源的空间分布进行精确调控，大幅提高了红外热成像方法对不同类型缺陷的检测能力。
附图说明
图1为双模激光红外热成像检测系统示意图。
图2a和图2b为使用点阵分布和均匀分布的激光热源分别检测表面缺陷和内部缺陷时热流扩散的截面图。
图3a和图3b为使用点阵分布和均匀分布的激光热源分别检测表面缺陷和内部缺陷时热流扩散的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，双模激光红外热成像检测系统由大功率激光器1、双模光束整形镜头模组2、同步控制电路单元3、红外热像仪及图像采集和处理单元4组成。
本发明方法的检测原理为：利用衍射分束镜将大功率激光器发出的激光束分割为N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束(这些子光束与入射激光束在横截面上具有相同的能量分布形式)，调节可变焦透镜的焦距，使得照射在被测对象表面的光斑阵元直径小于等于阵元间距，激光热源在被测对象表面形成点阵分布并以该形式对被测对象表面进行加热，此时热流主要沿表面扩散，被测对象表面的缺陷会对热流的扩散产生影响，通过该模式可以检测被测对象表面缺陷，该方法比传统的激光红外对表面缺陷的检测速度提升了N2倍；继续调节可变焦透镜的焦距，使得照射在被测对象表面的相邻激光阵元间距与阵元直径的比值在1/5至1/4，激光光斑阵元错位叠加，在被测对象表面形成均匀分布的激光热源，并以该形式对被测对象表面进行加热，此时热流主要沿深度方向扩散，热流在平行于被测对象表面的内部缺陷处堆积，并反映到被测对象表面，通过该模式可以检测被测对象的内部缺陷，该方法能够抑制由于光束能量分布不均产生的背景噪声对检测结果造成的干扰，无需对热图进行复杂的图像处理即可很好的检测出缺陷。以上两种工作模式易于切换，能够实现对试件表面及试件内部两种不同类型缺陷的一体化检测。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明是一种基于双模激光红外热成像检测系统的无损检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在计算机上完成设置，令同步控制电路单元3输出两个同步信号，分别控制大功率激光器1出光和红外热像仪及图像采集和处理单元4中的红外热像仪采样；
步骤2：大功率激光器1产生的呈高斯或近高斯分布的准直激光束8入射到衍射分束镜5上；
步骤3：衍射分束镜5与入射激光束8垂直放置，入射激光束8被衍射分束镜5分割为N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束9这些子光束与入射的准直激光束在横截面上具有相同的能量分布形式；
步骤4：阵列子光束9入射到凹透镜6和可变焦透镜7中，当可变焦透镜7的焦距小于凹透镜6的焦距时会将阵列子光束9汇聚并照射到被测对象表面10，此时被测对象试件表面的光斑阵元直径小于等于阵元间距，激光热源在被测对象表面10形成点阵分布11并以该形式对被测试件表面10进行加热；当可变焦透镜7的焦距大于凹透镜6的焦距时会将阵列子光束9发散并照射到被测对象表面10，当被测对象表面的相邻光斑阵元间距比上阵元直径在1/5至1/4时，激光光斑阵元错位叠加，在被测对象表面10形成均匀分布热源12，并以该形式对被测试件表面10进行加热；
步骤5：当激光热源在被测对象表面10形成点阵分布11时，热流主要沿表面扩散，在垂直于被测对象表面的表面裂纹13两侧存在着明显的温度差异；当激光热源在被测对象表面10形成均匀分布热源12时，热流主要沿深度方向扩散，热流在平行于被测对象表面的内部缺陷14处堆积，导致被测对象表面10在该处的温度明显高于其它位置；大功率激光器1工作的同时红外热像仪及图像采集和处理单元4将试件表面的温度分布记录下来并回传到计算机上，基于被测对象表面温度的差异分布能够实现对表面裂纹和内部缺陷的检测。

Claims (5)

1.一种双模激光红外热成像检测系统，其特征在于：该系统包括大功率激光器(1)、临近大功率激光器(1)激光发射端设置的双模光束整形镜头模组(2)、红外热像仪及图像采集和处理单元(4)以及连接大功率激光器(1)和红外热像仪及图像采集和处理单元(4)并控制二者同步运行的同步控制电路单元(3)；所述双模光束整形镜头模组(2)由沿光路依次设置的衍射分束镜(5)、凹透镜(6)和可变焦透镜(7)组成；大功率激光器(1)产生的呈高斯或近高斯分布的准直激光束(8)被双模光束整形镜头模组(2)的衍射分束镜(5)分割成N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束(9)照射到被测对象表面(10)；通过凹透镜(6)和可变焦透镜(7)调节阵列子光束(9)的阵元直径，当阵元直径小于等于阵元间距时，激光热源在被测对象表面(10)形成点阵分布热源(11)，用于垂直于被测对象表面的表面裂纹(13)检测；当相邻阵元间距与阵元直径的比值在预设范围1/5至1/4时，相邻阵元相互错位叠加，激光热源在被测对象表面(10)形成均匀分布热源(12)，用于平行于被测对象表面的内部缺陷(14)检测；通过红外热像仪及图像采集和处理单元(4)采集两种激光热源激励下的被测对象表面温度图像对其分析和处理，分别用于金属表面裂纹和多层复合材料内部脱粘缺陷的检测。
2.根据权利要求1所述的双模激光红外热成像检测系统，其特征在于：当调节可变焦透镜(7)使照射到被测对象表面(10)的激光形成点阵分布热源(11)时，热流主要沿被测对象表面横向扩散，遇到垂直于表面的表面裂纹(13)的阻碍，在裂纹两侧形成温度差，通过分析表面温度梯度分布实现表面裂纹的检测。
3.根据权利要求1所述的双模激光红外热成像检测系统，其特征在于：当调节可变焦透镜(7)使照射到被测对象表面(10)的激光形成均匀分布热源(12)时，热流主要沿深度方向扩散，遇到平行于表面的内部缺陷(14)的阻碍，在缺陷上方堆积形成局部高温，通过分析表面温度分布实现内部缺陷的检测。
4.根据权利要求1所述的双模激光红外热成像检测系统，其特征在于：所述可变焦透镜(7)能变换不同的焦距，进而调节阵列子光束(9)的阵元直径。
5.权利要求1至4任一项所述的双模激光红外热成像检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在计算机上完成设置，令同步控制电路单元(3)输出两个同步信号，分别控制大功率激光器(1)出光和红外热像仪及图像采集和处理单元(4)中的红外热像仪采样；
步骤2：大功率激光器(1)产生的呈高斯或近高斯分布的准直激光束(8)入射到衍射分束镜(5)上；
步骤3：衍射分束镜(5)与呈高斯或近高斯分布的准直激光束(8)垂直放置,该光束被衍射分束镜(5)分割为N×N个等功率和等间距排列的阵列子光束(9)，这些子光束与入射的准直激光束(8)在横截面上具有相同的能量分布形式；
步骤4：阵列子光束(9)入射到凹透镜(6)和可变焦透镜(7)中，当可变焦透镜(7)的焦距小于凹透镜(6)的焦距时，凹透镜(6)和可变焦透镜(7)共同将阵列子光束(9)汇聚并照射到被测对象表面(10)，此时被测对象表面的光斑阵元直径小于等于阵元间距，激光热源在被测对象表面(10)形成点阵分布热源(11)并以该形式对被测对象表面(10)进行加热；当可变焦透镜(7)的焦距大于凹透镜(6)的焦距时，凹透镜(6)和可变焦透镜(7)共同将阵列子光束(9)发散并照射到被测对象表面(10)，当被测对象表面的光斑阵元间距比上阵元直径在1/5至1/4时，激光光斑阵元错位叠加，在被测对象表面(10)形成均匀分布热源(12)，并以该形式对被测对象表面(10)进行加热；
步骤5：当激光热源在被测对象表面(10)形成点阵分布热源(11)时，热流主要沿表面扩散，在垂直于被测对象表面的表面裂纹(13)两侧存在着明显的温度差异；当激光热源在被测对象表面(10)形成均匀分布热源(12)时，热流主要沿深度方向扩散，热流在平行于被测对象表面的内部缺陷(14)处堆积，导致被测对象表面(10)在该处的温度明显高于其它位置；大功率激光器(1)工作的同时红外热像仪及图像采集和处理单元(4)将试件表面的温度分布记录下来并回传到计算机上，基于被测对象表面温度的差异分布能够实现对表面裂纹和内部缺陷的检测。
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