CN113670213A - 一种基于红外成像的涂层厚度检测方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外成像的涂层厚度检测方法、系统及装置，本发明通过标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线，利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度，不受环境噪声、材料表面特性变化等多种因素的影响，准确率高，并且无需繁琐的计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于红外成像的涂层厚度检测方法、系统及装置，属于复合材料质量和性能无损检测领域。
背景技术
涂层技术在航空航天、石油化工等领域具有广泛的应用价值。在设备或关键结构件的表面涂覆保护性涂层，可延长设备在恶劣环境下的工作寿命。而所涂覆涂层的厚度大小和涂层均匀度会对涂层本身寿命、粘粘性等产生影响，从而影响到设备的正常运转。因此，对于涂层厚度的定量检测具有很大意义。
目前常用的红外成像检测方法通过反演计算热传导公式得出涂层厚度，但是在实际检测情况下，该方法受环境噪声、材料表面特性变化等多种因素的影响，涂层厚度计算繁琐且不准确。
发明内容
本发明提供了一种基于红外成像的涂层厚度检测方法、系统及装置，解决了现有红外成像检测方法涂层厚度计算繁琐且不准确的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于红外成像的涂层厚度检测方法，包括，
获取待测试件和多个标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件涂层材料与待测试件涂层材料一致，所有标准试件的涂层厚度不同，待测试件和所有标准试件同时被热激励、并且同时降温；
根据所有标准试件的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线；
利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度。
关系曲线中相邻标准试件之间的涂层厚度差值一致。
一种基于红外成像的涂层厚度检测系统，包括，
红外信号获取模块：获取待测试件和多个标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件涂层材料与待测试件涂层材料一致，所有标准试件的涂层厚度不同，待测试件和所有标准试件同时被热激励、并且同时降温；
拟合模块：根据所有标准试件的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线；
涂层厚度获取模块：利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度。
关系曲线中相邻标准试件之间的涂层厚度差值一致。
一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，包括探测头和处理器；
探测头包括底部开口的罩体，罩体内设置有热像仪和加热源，罩体的开口处设置有用以放置标准试件的托板；
处理器控制加热源和热像仪，处理器内装载有权利要求3或4任意一项所述的系统。
罩体内设置有热像仪和多个加热源。
热像仪和所有加热源均位于罩体内腔顶部，热像仪位于罩体内腔顶部中心，所有加热源均匀分布。
托板为受控制器控制的转动托板。
检测时，待测试件放置在罩体开口处，托板转动至待测试件平行。
托板的长度小于罩体开口直径。
本发明所达到的有益效果：本发明通过标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线，利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度，不受环境噪声、材料表面特性变化等多种因素的影响，准确率高，并且无需繁琐的计算。
附图说明
图1为不同厚度涂层的红外信号与时间曲线图；
图2为不同厚度涂层的标准试片；
图3为红外信号与厚度的关系曲线；
图4为本发明装置的结构示意图；
图5为本发明装置使用时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于红外成像的涂层厚度检测方法，其原理为采用脉冲激励主动式红外热成像法检测待测试件6，通过分析热激励后试件表面红外衰减信号变化的区别，区分不同涂层厚度，通过提取热激励后短暂时间内红外信号的变化特征，并与已知涂层厚度的标准试件5对比，进而实现涂层厚度的定量检测。
由一维热传导理论分析可知，半无限大区域内的有源非稳态热传导方程可由下式表示：
利用镜像热源法，可进一步推导出有限厚度d区域内，物体表面温度随时间的变化关系，即：
其中，T表示温度，t表示检测时间，
表示施加在表面单位面积的热量与单位体积存储热量的比值，q为单位体积单位时间发热量，c为材料的比热容，ρ为材料的密度，
k为材料的导热系数。
利用上述公式可绘制出的热激励后物体表面红外信号随时间变化的曲线图，结果如图1所示。由图1可知，若物体表面涂层厚度不同，则热激励后短暂时间Δt内热波信号幅值以及变化趋势不同。因此，根据降温过程中红外信号随时间的变化趋势，可区分不同厚度的涂层。此外，通过对比待测试件6与不同涂层厚度标准试件5的激励后热衰减信号，进行信号强度及变化趋势的匹配，可判断出待测试件6的涂层厚度，实现定量检测。
具体过程如下：
步骤1，获取待测试件6和多个标准试件5热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件5涂层材料与待测试件6涂层材料一致，所有标准试件5的涂层厚度不同，待测试件6和所有标准试件5同时被热激励、并且同时降温。
标准试件5为涂层厚度梯度变化的多个小方块，且试件通过千分尺等检测方法标定了表面涂层厚度。图2所示为方块状标准试件5的简易示意图，其中，t1小于t2，t2小于t3，t1、t2、t3为三个标准试件5的涂层厚度。
步骤2，根据所有标准试件5的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线。
采用脉冲激励源主动激励标准厚度试件，并记录下热激励后持续时间内试件表面变化温度信号。多次实验后，可得到不同厚度标准试件5地温度变化曲线，提取激励后短暂时间内同一降温时刻Δt的红外信号，拟合后可得到红外信号与涂层厚度的关系曲线，如图3所示。
步骤3，利用关系曲线，获取与待测试件6红外信号匹配的涂层厚度。
上述方法对应的软件系统，即一种基于红外成像的涂层厚度检测系统，包括，
红外信号获取模块：获取待测试件6和多个标准试件5热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件5涂层材料与待测试件6涂层材料一致，所有标准试件5的涂层厚度不同，待测试件6和所有标准试件5同时被热激励、并且同时降温；
拟合模块：根据所有标准试件5的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线；关系曲线中相邻标准试件5之间的涂层厚度差值一致。
涂层厚度获取模块：利用关系曲线，获取与待测试件6红外信号匹配的涂层厚度。
为了得到很好的测量稳定性，需要对试件进行频繁且可重复的检测，因此设计了图4所示的基于红外成像的涂层厚度检测装置，具体包括探测头和处理器(图中未画出)。
探测头包括底部开口的罩体1，罩体1内安装有热像仪2和多个加热源3，热像仪2和所有加热源3均位于罩体1内腔顶部，热像仪2位于罩体1内腔顶部中心，所有加热源3均匀分布，罩体1的开口处安装有用以放置标准试件5的托板4，托板4的长度小于罩体1开口直径。
托板4为受控制器控制的转动托板，控制器控制电机，电机带动托板4转动，在不使用时，托板4转动至图4的竖直方向，使用时，如图5所示，待测试件6放置在罩体1开口处，托板4转动至待测试件6平行。
处理器控制加热源3和热像仪2，处理器内装载有基于红外成像的涂层厚度检测系统。
本发明通过标准试件5热激励后同一降温时刻的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线，利用关系曲线，获取与待测试件6红外信号匹配的涂层厚度，不受环境噪声、材料表面特性变化等多种因素的影响，准确率高，并且无需繁琐的计算。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于红外成像的涂层厚度检测方法，其特征在于：包括，
获取待测试件和多个标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件涂层材料与待测试件涂层材料一致，所有标准试件的涂层厚度不同，待测试件和所有标准试件同时被热激励、并且同时降温；
根据所有标准试件的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线；
利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测方法，其特征在于：关系曲线中相邻标准试件之间的涂层厚度差值一致。
3.一种基于红外成像的涂层厚度检测系统，其特征在于：包括，
红外信号获取模块：获取待测试件和多个标准试件热激励后同一降温时刻的红外信号；其中，标准试件涂层材料与待测试件涂层材料一致，所有标准试件的涂层厚度不同，待测试件和所有标准试件同时被热激励、并且同时降温；
拟合模块：根据所有标准试件的红外信号和涂层厚度，拟合红外信号和涂层厚度的关系曲线；
涂层厚度获取模块：利用关系曲线，获取与待测试件红外信号匹配的涂层厚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测系统，其特征在于：关系曲线中相邻标准试件之间的涂层厚度差值一致。
5.一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：包括探测头和处理器；
探测头包括底部开口的罩体，罩体内设置有热像仪和加热源，罩体的开口处设置有用以放置标准试件的托板；
处理器控制加热源和热像仪，处理器内装载有权利要求3或4任意一项所述的系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：罩体内设置有热像仪和多个加热源。
7.根据权利要求6所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：热像仪和所有加热源均位于罩体内腔顶部，热像仪位于罩体内腔顶部中心，所有加热源均匀分布。
8.根据权利要求5所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：托板为受控制器控制的转动托板。
9.根据权利要求8所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：检测时，待测试件放置在罩体开口处，托板转动至待测试件平行。
10.根据权利要求5、8或9所述的一种基于红外成像的涂层厚度检测装置，其特征在于：托板的长度小于罩体开口直径。
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