CN113466136B - 材料近表面缺陷的检测方法和装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法和装置、电子设备及存储介质。该方法包括：获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，其中，所述特征温度为所述温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。本发明利用长脉冲激光所激励及激励后的表面温度的变化特征揭示材料热物理属性及缺陷特征，弥补了激光热成像中激光直接照射下缺陷特征研究不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光热成像无损检测领域，更具体地，涉及一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法和装置、电子设备及存储介质。
背景技术
激光热成像无损检测技术是一种新兴的有效检测材料表面近表面缺陷的方法，其原理是利用激光在表面裂纹附近进行激励产生热量，热量在待检测物体内形成温度场，近表面的缺陷会产生对温度场的分布产生扰动，通过热像仪拍摄的热图捕捉温度场分布扰动表征缺陷。
当前，激光热成像无损检测方法是基于瞬态温度场的缺陷特征进行的，然而在准稳态温度场以及温度场由瞬态向非平衡稳定态转换过程中材料和所含缺陷不同的温度变化特征存在研究空白，而这对揭示缺陷的热响应特征非常关键。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法和装置、电子设备及存储介质。
第一方面，本发明提供一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，包括：
获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，
其中，所述特征温度为所述温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。
进一步地，所述基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度，包括：
对所述温度变化数据进行归一化处理；
根据经所述归一化处理的温度变化数据，求取温度变化速度；以及
将脉冲期间温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度作为材料激励点处的特征温度。
进一步地，所述对所述温度变化数据进行归一化处理，包括：
通过以下公式进行所述归一化处理：
其中，Tn(t)为归一化温度；min(T(t))为材料在室温平衡态下的初始温度；max(T(t))为材料经激光激励后的最高温度；T(t)为材料在不同时刻处的实际温度。
进一步地，所述根据经所述归一化处理的温度变化数据，求取温度变化速度，包括：
通过以下公式求取温度变化速度：
s(ti)＝[Tn(ti)-Tn(ti-1)]/Δt
其中，s(ti)为ti时刻的温度变化速度；Tn(ti)、Tn(ti-1)分别为ti、ti-1时刻的归一化温度；i＝2至n；n为热像仪拍摄过程中所记录的总帧数。
进一步地，所述将脉冲期间温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度作为材料激励点处的特征温度，包括：
基于所述温度变化速度，确定温度变化速度出现极值点的时间；以及
将温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度确定为材料在所述激励点处的特征温度。
进一步地，所述基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，包括：
基于所述特征温度，获得所述材料的热导率；以及
基于所述材料的热导率，检测所述材料近表面缺陷，
其中，通过以下公式获得所述材料的热导率：
K＝b*ea*Tc
其中，K为所述材料的热导率；a、b分别为常数；Tc为所述特征温度。
进一步地，所述基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，包括：
当被检测区域的热导率低于正常无缺陷区域的热导率达到一个数量级以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域；或
当被检测区域的特征温度低于正常无缺陷区域的特征温度0.1以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域。
第二方面，本发明提供一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测装置，包括：
温度变化数据获取单元，用于获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
特征温度确定单元，用于基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
表面缺陷检测单元，用于基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，
其中，所述特征温度为所述温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中任一项所述基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一项所述基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
本发明利用长脉冲激光所激励及激励后的表面温度的变化特征揭示材料热物理属性及缺陷特征，弥补激光热成像中激光直接照射下缺陷特征研究不足的问题。本发明能够揭示长脉冲激光热成像下温度曲线变化的一般趋势，总结提出重要的物理量，并利用提出的物理量表征材料热导率，揭示材料缺陷在长脉冲激光激励下的扰动特征。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的激光长脉冲激励下被检测材料的表面温度曲线的示意图；
图3为本发明实施例提供的激光长脉冲激励下被检测材料的表面归一化温度变化速度的示意图；
图4为本发明实施例提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测装置的结构示意图；以及
图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
目前基于激光热成像方法检测材料表面缺陷的主要方法是利用激光在材料表面进行激励，通过材料吸收激光能量在材料中形成温度场，利用缺陷对温度场的扰动特征进行检测。
基于激光激励的温度场进行缺陷检测是激光热成像技术的主要研究方向。激光直接照射下材料缺陷的热响应特征是关乎缺陷精确表征的不可忽略却未得到深刻阐释的科学问题。以材料表面开口宽度小于20μm裂纹激光热成像检测为例，虽然针对其热响应特征已提出“热阻效应”、“黑体效应”“热滞留”等多种解释，也在特定领域应用中取得了一些成果，但对在裂纹缺陷的“扰动特征”仍欠缺深入系统的揭示。另一方面，目前的激光热成像无损检测方法是基于瞬态温度场的缺陷特征进行的，然而在准稳态温度场以及温度场由瞬态向非平衡稳定态转换过程中材料和所含缺陷不同的温度变化特征存在研究空白，而这对揭示缺陷的热响应特征非常关键。
本发明的目的是提供一种基于激光长脉冲热成像无损检测的方法，利用长脉冲激光所激励及激励后的表面温度的变化特征揭示材料热物理属性及缺陷特征，弥补激光热成像中激光直接照射下缺陷特征研究不足的问题。该方法能够揭示长脉冲激光热成像下温度曲线变化的一般趋势，总结提出重要的物理量，并利用提出的物理量表征材料热导率，揭示材料缺陷在长脉冲激光激励下的扰动特征。
图1为本发明实施例提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的流程图。参照图1，该方法包括以下步骤：
步骤S101：获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
步骤S103：基于温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
步骤S105：基于特征温度检测材料近表面缺陷，其中，特征温度为温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化(无量纲)温度。
本发明可以通过利用供电电源、波形发生器、半导体激光器、热像仪及上位机来实施。在示例中，激光器为功率0～100W级可调，利用半导体激光器在材料表面激发热量，根据材料表面吸收率和损伤阈值选择激发功率，热像仪噪声等效温差(NETD)不大于50mK，频率不低于60Hz。
在本发明实施例中，具体地，步骤S101(获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据)如以下所示：
激光激励点为聚焦的斑点，光斑直径在2mm以下，垂直激励在材料表面；由于激光光斑的几何对称性，在激励热图中选择热斑的中心并提取长脉冲激励及脉冲后降温过程的温度曲线T(t)，即长脉冲激光激励下待检测材料的温度变化曲线，如图2所示(其中，材料为45钢)。
在图2中，横轴代表激光激励的不同时间，纵轴代表材料的温度。
在本发明实施例中，具体地，步骤S103(基于温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度)如以下所示：
(1)对以上图2所示的温度变化数据进行归一化处理，如下：
其中，Tn(t)为归一化温度；min(T(t))为材料室温平衡态下的初始温度，脉冲激励前热像仪提前开机采集数秒以通过求得平均降低热像仪测量误差；max(T(t))为材料经激光激励后的最高温度，通过样条插值取脉冲最后一帧与脉冲结束第一帧时间区间内的插值函数极值；T(t)为材料在不同时刻处的实际温度。
(2)然后，对归一化的温度曲线求时间导数，ti时刻的温度变化速度定义为：
s(ti)＝[Tn(ti)-Tn(ti-1)]/Δt
其中，s(ti)为ti时刻的温度变化速度；Tn(ti)、Tn(ti-1)分别为ti、ti-1时刻的归一化温度；i＝2至n；n为热像仪拍摄过程中所记录的总帧数，即，温度曲线的温度序列的个数。
(3)然后，通过调整脉冲长度，在温度变化曲线中实现在脉冲期间温度变化出现极值点(最大值点)，并且将上升速度出现最大值的时间段表示为ta，应注意的是，ta在帧频小于100Hz的热像采集中，可以认为与材料的热导率无关。
图3示出了激光长脉冲激励下被检测材料的表面归一化温度变化速度的示意图，其中横轴代表时间，纵轴代表归一化温度变化速度。
(4)然后，将长脉冲激励的开始时刻表示为t＝0，得到归一化的ta时刻的温度，并将ta时刻的归一化温度确定为该材料激励点处的特征温度，记为：
Tc＝Tn(ta)
其中，Tc为特征温度；Tn(ta)为ta时刻的归一化温度。
在本发明实施例中，具体地，步骤S105(基于特征温度检测材料近表面缺陷)如以下所示：
首先，设定合适的激光长脉冲激励参数：低于材料损伤阈值；脉冲长度满足上述步骤S103中第(3)部分所描述的标准，即，脉冲的长度大于第(3)部分中的ta；
然后，在待检测的材料表面进行步进长脉冲激励，步长为激光光斑直径，每个激励点激励时长为两倍长脉冲长度2ta；
接下来，根据上述步骤S103中第(4)部分所描述的方式，计算每个激励点的光斑内的所有像素的特征温度Tc；
最后，在获得特征温度Tc之后，对材料近表面缺陷进行检测。
具体地，当被检测区域的特征温度Tc低于正常无缺陷区域特征温度0.1以上时，将该被检测区域确定为缺陷区域。
另外，在本发明实施例中，除了直接利用特征温度来检测表面缺陷之外，还可以首先通过特征温度表征材料热导率，然后再利用热导率来检测材料近表面缺陷，如下：
在通过在多种热导率材料典型区域表面重复上述步骤S103和S105而获得一系列特征温度Tc之后，可以利用特征温度Tc来表征材料热导率，如下：
K＝b*ea*Tc
其中，K为材料的热导率；a、b为常数，由本公式经过数据拟合得到，并且与激光长脉冲参数(例如，光斑聚焦程度、长脉冲长度等)有关；Tc为特征温度。
该处的典型区域满足：材料连续均匀无缺陷，激励点距离材料边缘2mm以上，厚度2mm以上。
在获得材料热导率之后，可以对材料近表面缺陷进行检测。
具体地，当被检测区域的热导率低于正常无缺陷区域的热导率达到一个数量级以上时，将被检测区域确定为缺陷区域。
本发明第一次提出基于激光长脉冲热成像进行材料检测的方法，该方法将长脉冲激励下的温度曲线进行归一化处理，并提出一种减少归一化误差的方法，归一化有利于消除材料表面吸收率和激光功率的影响；第一次提出激光热成像无损检测中激光长脉冲激励阶段温度变化的归一化最高温变速度这一物理量，并由最高温变速度出现的时刻ta定义特征温度Tc；提出基于特征温度Tc表征材料热导率的方法，实际上提出一种测量材料热导率的方法；提出基于激光长脉冲热成像检测材料近表面缺陷的方法。
本方法着眼于激光长脉冲直接激励下材料热性能的表征，一定程度上弥补了激光热成像检测原理的空白，其信号处理方法可运用于激光扩束镜及其它整形系统、激光扫描等具体激励方法的信号处理；该方法依托高度聚焦的激光有望应用于涂层微小缺陷检测。
图4为本发明实施例提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测装置。参照图4，该装置400包括：
温度变化数据获取单元401，用于获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
特征温度确定单元403，用于基于温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
表面缺陷检测单元405，用于基于特征温度检测材料近表面缺陷，
其中，特征温度为温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。
由以上可知，装置400的各个单元401至405可以分别执行参照上述实施例描述的检测方法中的各个步骤，此处将不再对其细节进行描述。
本发明实施例利用长脉冲激光所激励及激励后的表面温度的变化特征揭示材料热物理属性及缺陷特征，弥补激光热成像中激光直接照射下缺陷特征研究不足的问题。本发明能够揭示长脉冲激光热成像下温度曲线变化的一般趋势，总结提出重要的物理量，并利用提出的物理量表征材料热导率，揭示材料缺陷在长脉冲激光激励下的扰动特征。
另一方面，本发明提供了一种电子设备。如图5所示，电子设备500包括处理器501、存储器502、通信接口503和通信总线504。
其中，处理器501、存储器502、通信接口503通过通信总线504完成相互间的通信；
处理器501用于调用存储器502中的计算机程序，处理器501执行计算机程序时实现如上所述的本发明实施例所提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
此外，上述存储器中的计算机程序可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干计算机程序以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的本发明实施例所提供的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，包括：
获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
当基于所述特征温度确定的被检测区域的热导率低于正常无缺陷区域的热导率达到一个数量级以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域；或者当被检测区域的特征温度低于正常无缺陷区域的特征温度0.1以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域，
其中，所述特征温度为温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。
2.根据权利要求1所述的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，所述基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度，包括：
对所述温度变化数据进行归一化处理；
根据经所述归一化处理的温度变化数据，求取温度变化速度；以及
将脉冲期间温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度作为材料激励点处的特征温度。
3.根据权利要求2所述的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，所述对所述温度变化数据进行归一化处理，包括：
通过以下公式进行所述归一化处理：
其中，Tn(t)为归一化温度；min(T(t))为材料在室温平衡态下的初始温度；max(T(t))为材料经激光激励后的最高温度；T(t)为材料在不同时刻处的实际温度。
4.根据权利要求3所述的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，所述根据经所述归一化处理的温度变化数据，求取温度变化速度，包括：
通过以下公式求取温度变化速度：
s(ti)＝[Tn(ti)-Tn(ti-1)]/Δt
其中，s(ti)为ti时刻的温度变化速度；Tn(ti)、Tn(ti-1)分别为ti、ti-1时刻的归一化温度；i＝2至n；n为热像仪拍摄过程中所记录的总帧数。
5.根据权利要求4所述的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，所述将脉冲期间温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度作为材料激励点处的特征温度，包括：
基于所述温度变化速度，确定温度变化速度出现极值点的时间；以及
将温度变化速度出现极值点的时间的归一化温度确定为材料在所述激励点处的特征温度。
6.根据权利要求1所述的基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法，其特征在于，所述基于所述特征温度检测材料近表面缺陷，包括：
基于所述特征温度，获得所述材料的热导率；以及
基于所述材料的热导率，检测所述材料近表面缺陷，
其中，通过以下公式获得所述材料的热导率：
K＝b*ea*Tc
其中，K为所述材料的热导率；a、b分别为常数；Tc为所述特征温度。
7.一种基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测装置，其特征在于，包括：
温度变化数据获取单元，用于获取长脉冲激光聚焦光斑中心区域的温度变化数据；
特征温度确定单元，用于基于所述温度变化数据确定待检测材料的激励点处的特征温度；以及
表面缺陷检测单元，用于在基于所述特征温度确定的被检测区域的热导率低于正常无缺陷区域的热导率达到一个数量级以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域；或者在被检测区域的特征温度低于正常无缺陷区域的特征温度0.1以上时，将所述被检测区域确定为缺陷区域，
其中，所述特征温度为温度变化速度出现最大值时的激励点处的归一化温度。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述基于长脉冲激光热成像的材料近表面缺陷的检测方法的步骤。
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