CN117538378A - 一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，涉及缺陷检测技术领域。包括以下步骤：向被测设备施加方波热源，对被测设备周期性加热，进行锁相热成像，所述方波中包含多个频率下的谐波；获取加热过程中被测设备表面的温度信号，所述温度信号包含多个频率下的信息；基于温度信号得到被测设备表面各个像素点多个频率下的频域信息，对多个频率下的频域信息进行处理，从而通过一次锁相热成像快速得到缺陷深度。本发明通过一次锁相红外热成像即可获得多个频率下的检测结果，大大缩短锁相红外热成像测量缺陷深度所需要的时间。
Description
技术领域
本发明属于缺陷检测技术领域，特别是一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
红外无损检测是一种利用热成像进行缺陷检测的无损检测技术。在红外无损检测中，主动热成像是一种常见的技术方法，它利用热源激发被测物体，通过测量其热辐射来获取目标物体的热分布信息。其主要包括脉冲热成像、脉冲相位热成像和锁相热成像等。
锁相热成像使用功率按周期规律变化的热源对被检物体持续进行加热激励，同时用红外热像仪采集被测物体表面的温度数据，温度数据包含瞬态阶段和稳态阶段，瞬态阶段的相位数据会受到温升的影响，因此通常采用稳态阶段的数据进行检测，分析数据中与热源同频率的部分，由于被测物体中有缺陷部分和无缺陷部分的热物性不同，就会导致各自在上表面对应区域温度信号中的相位和幅值不同，于是可以判定是否存在缺陷。
锁相热成像通常使用正弦波进行加热，由于正弦波信号中包含直流通量和一个频率下的正弦波，因此在温度数据中只对这一个频率的信号进行分析。在利用锁相热成像进行红外无损检测时，检测效果与热波信号的频率有关，不同频率的热波对物体穿透深度不同，热波穿透深度热波穿透的穿透深度μ的平方与角频率ω成反比，因此低频热波的穿透能力更强，可以检测到更深的缺陷。对缺陷进行多个频率下的检测，缺陷区域与非缺陷区域的相位差会随着频率的增大呈现先增大后减小的规律，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差降为0时对应的频率为盲频率。由于盲频率对应的热扩散长度与缺陷深度之间存在定量关系，因此人们会通过寻找缺陷的盲频率来确定缺陷的深度，即盲频法。
在锁相热成像中通过盲频法进行缺陷检测需要多个频率下的检测信息，而正弦波只能在一次实验中获得单个频率下的检测信息，如图1所示，为现有技术中采用正弦波作为热源时进行多次锁相热成像得到的相位差-频率曲线图，此过程需要进行多组实验，改变正弦波信号的频率以获得更多信息，导致实验需要耗费大量的时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，通过在锁相热成像中使用方波信号进行加热，在一次锁相测试中即可获得多个频率下的检测结果，从而大大减少锁相测试所需要的时间，旨在解决锁相热成像中寻找最佳检测频率和盲频率需要进行多组实验、以至于需要大量时间的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，包括以下步骤：
向被测设备施加方波热源，对被测设备周期性加热，进行锁相热成像，所述方波中包含多个频率下的谐波；
获取加热过程中被测设备表面的温度信号，所述温度信号包含多个频率下的信息；
基于温度信号得到被测设备表面各个像素点多个频率下的频域信息，对多个频率下的频域信息进行处理，从而通过一次锁相热成像快速得到缺陷深度。
可选的，所述方波的频率、占空比和功率根据锁相热成像的需求进行调整。
可选的，所述方波频率根据被测材料的热扩散系数和预期探测的缺陷深度来确定，确保锁相热成像中使用的谐波频率所对应的热扩散长度主要集中在预期缺陷的深度范围内。
可选的，所述方波的占空比根据锁相热成像中所需要的谐波频率范围来决定，不同占空比的方波的谐波种类不同。
可选的，所述方波优选为低占空比方波。
可选的，所述方波的功率需满足待测样品材料的耐热性。
可选的，低占空比方波相较于高占空比方波应采用更高的功率来提高谐波幅值，保证所需要的多种频率下的谐波幅值都能满足锁相热成像的信噪比要求。
可选的，所述低占空比方波为占空比小于等于10％的方波。
可选的，对多个频率下的频域信息进行处理，具体包括：
将被测设备表面每个像素点稳态阶段的温度信号进行离散傅里叶变换，得到各个像素点的对应于多个频率的频域信息；
将不同频率下像素点的相位数据组合起来，得到对应于多个频率下的相位图；
通过相位图判断缺陷点的数量和位置，寻找各个缺陷的中心点位置；
用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，进而得到各个缺陷中心点的相位差-频率曲线；
根据相位差-频率曲线，得到各个缺陷中心点的最佳检测频率和盲频率；
通过盲频法得到缺陷深度。
可选的，在相位差-频率曲线中，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差第一次降低为0时对应的频率为盲频率。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，将锁相热成像缺陷检测中热源的形状改成方波，并调整方波的形状以使得其谐波的频率分布即谐波幅值满足锁相热成像的要求，采集待测样品上表面各点的温度信号，通过离散傅里叶变换分析上表面的温度信号，由于热源中包含多个频率下的谐波分量，因此在采集到的温度信号中就会包含多个频率下的谐波信息，从而实现在一次检测中获得多个频率下的检测结果，减少检测缺陷所用的时间。
2、在利用本发明方法得到的温度信号进行处理时，通过一次检测就能得到对应于多个频率的相位图，进而得到对应于多个频率的各个缺陷中心点的相位差-频率曲线，得到最佳检测频率和盲频率，大大缩短了锁相测试时间。
3、通过本发明提供的方法，经过仿真研究得出最佳检测频率对应的热扩散长度与缺陷深度相近，缺陷深度约为盲频率对应的热扩散长度的两倍。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中采用正弦波作为热源时进行多次锁相热成像得到的相位差-频率曲线图。
图2(a)为本发明方波频率和功率相同、占空比不同时一个周期内的方波信号图。
图2(b)为本发明在方波频率和功率相同、占空比不同时的谐波幅值分布规律图。
图3(a)为本发明方波频率相同、功率和占空比均不同时一个周期内的方波信号图。
图3(b)为本发明在方波频率相同、功率和占空比均不同时的谐波幅值分布规律图。
图4为本发明搭建的实验整体装置示意图。
图5(a)为本发明含缺陷板的仿真模型图。
图5(b)为本发明缺陷位置示意图。
图6(a)为本发明热源信号示意图。
图6(b)为本发明仿真模型上表面点10的温度历程曲线图。
图7为本发明不同频率下的相位图。
图8(a)为本发明点1～3的相位差-频率曲线图。
图8(b)为本发明点4～6的相位差-频率曲线图。
图8(c)为本发明点7～9的相位差-频率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
整体构思：
本发明提供了一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，将锁相热成像缺陷检测中热源的形状改成方波，并调整方波的形状以使得其谐波的频率分布即谐波幅值满足锁相热成像的要求，采集待测样品上表面各点的温度信号，通过离散傅里叶变换分析上表面的温度信号，由于热源中包含多个频率下的谐波分量，因此在采集到的温度信号中就会包含多个频率下的谐波信息，从而实现在一次检测中获得多个频率下的检测结果，减少检测缺陷所用的时间。
实施例一：
一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，具体的，包括以下步骤：
采用方波作为热源的形状，对待测样品进行周期性加热；
通过红外热像仪记录加热过程中待测样品上表面所有像素点随时间变化的温度历程数据，所述温度历程数据包含瞬态阶段和稳态阶段的温度数据；
将每个像素点稳态阶段的温度历程数据进行离散傅里叶变换，得到各个像素点的频域信息，将不同频率下的相位数据组合起来，得到对应于多个频率下的相位图；
通过相位图判断缺陷点的数量和位置，寻找各个缺陷的中心点位置，用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，加热中所使用的方波热源等价于一系列与方波基频成整数倍的正弦波热源的叠加，因此所得到的温度响应也可以分解为多个对应频率的正弦波温度响应，因此通过一次锁相热成像即可得到缺陷中心点的相位差-频率曲线；
根据相位差-频率曲线，得到各个缺陷中心点的最佳检测频率和盲频率，进而通过盲频法得到缺陷深度。
进一步的，所述方波的形状，包括方波的频率、占空比和功率，应根据不同材料进行锁相热成像的需要来决定：
(1)在方波频率的选择上，应根据被测材料的热扩散系数和预期探测的缺陷深度来确定，确保锁相热成像中使用的谐波频率所对应的热扩散长度主要集中在预期缺陷的深度范围内，以便于准确地检测缺陷；
(2)在方波的占空比选择上，应根据锁相热成像中所需要的谐波频率范围来决定，不同占空比的方波的谐波种类不同，例如占空比为50％方波仅包含奇数倍频率的谐波，其偶数倍频率谐波的幅值均为0，而占空比为5％的方波只有频率是主频的20的整数倍的谐波幅值才为0，因此选用低占空比方波可以作为一种能提供更多频率谐波的方案；
(3)在方波的功率选择上，需满足待测样品材料的耐热性，在锁相热成像过程中得到的最高温度不能对材料造成损害。
(4)方波的功率和占空比应根据锁相热成像的需要进行改变，在降低占空比以获得一系列谐波的同时，其谐波幅值也在降低，因此对于低占空比方波应采用更高的功率来提高谐波幅值，保证所需要的多种频率下的谐波幅值都能满足锁相热成像的信噪比要求。
(5)所述方波优选为低占空比方波，在本发明中，低占空比方波为占空比小于等于10％的方波。
低占空比方波如占空比为5％在锁相红外热成像中可以获得频率小于主频的20倍的多种谐波频率下的检测结果，在缩短检测时间方面效果更好，可以作为方波中的一种优选方案。
(一)技术原理
方波中包含直流通量和一系列谐波分量，用表达式可以表示为：
其中，An为n倍频率下谐波分量的幅值；I(t)为方波信号；I0为方波信号的功率；D为方波信号的占空比；T为方波信号的周期。
方波的直流通量等于方波功率与占空比相乘，而谐波幅值与方波功率和占空比相关。
1.1在方波频率和功率相同、方波占空比不同时，一个周期内的方波信号图如图2(a)所示，其谐波幅值分布规律如图2(b)所示。
从图中我们可以看到，随着谐波频率的增大，谐波幅值逐渐变小。且在方波功率相同的情况下，方波的占空比越低，直流通量和各个频率下的谐波幅值通常会降低。
1.2接下来我们对比这样几种方波，如图3(a)所示，分别是：
a)功率为200W，占空比为50％
b)功率为400W，占空比为25％
c)功率为1000W，占空比为10％
d)功率为2000W，占空比为5％
其谐波分量如图3(b)所示。
从图中可以发现方波d的谐波信号与对称方波a相比，直流通量相同，但是各个频率下的谐波幅值均增大，由于谐波幅值较高，因此在各个频率下的检测效果都会更好，信噪比会更高，因此方波d中会包含更多可用于检测的频率。从而证明在采用更高功率的低占空比方波进行锁相实验时，可以作为一种更优方案在一次测试中可以获得更多个频率下的检测结果，从而大大减少检测时间。
(二)本实施例的方法，具体包括：
步骤A，对被测样品的上表面进行周期性的方波加热，被测样品为含缺陷板。
步骤B，用红外相机记录上表面的温度，得到每一个像素点的随时间变化的温度历程数据。
步骤C，将温度数据导入计算机，对每个像素点的稳态阶段的温度数据进行离散傅里叶变换(DFT)，得到各个像素点温度的频域信息，将相位数据按照像素点的相对位置排列，即可得到各个频率下的相位图。通过相位图可以判断缺陷的数量及位置。
步骤D，对每个频率下的数据进行处理，用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，从而得到各个缺陷中心点的相位差-频率曲线，相位差随着频率的增大会呈现先增大后减小的趋势，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差第一次降低为0时对应的频率为盲频率。
步骤E，通过相位差-频率曲线获得盲频率，根据材料的热物性和盲频率计算盲频率所对应的热扩散长度，即可根据盲频法获得缺陷深度。
在进行本实施例的具体方法之前，首先需要搭建如图4所示的实验整体装置，固定待测样品，将红外相机对准待测样品的表面，利用热源对待测样品发送周期性的方波，同时将红外相机与计算机相连接。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加明白，下文结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
2.1建立仿真模型
如图5(a)所示，为本实施例的仿真模型图。本实施例中，采用厚度为15mm的含缺陷板，在其上设置9个不同深度不同尺寸缺陷的相对位置，其中点1～9为缺陷中心点在模型上表面的投影，其中，点1-点3对应的缺陷深度为5mm，点4-点6对应的缺陷深度为4mm，点7-点9对应的缺陷深度为3mm。
在模型的左上角设置点10，由于点10距离缺陷区域较远，认为其为温度不受缺陷区域横向热扩散影响的非缺陷点，如图5(b)所示。
含缺陷板的材料为环氧树脂，缺陷的材料为空气。模型上下表面设置对流换热，对流换热系数为10W/(m*K)，模型的初始温度和环境温度均为20℃。模型的网格划分规则为深度方向网格尺寸为0.75mm，横向网格尺寸为1mm。
2.2在模型的上表面加载一个周期为1000s(频率为0.001Hz)，功率为2000W，占空比为5％的方波，加载时间共为6000s(6个周期的方波)，方波的形状如图6(a)所示,模型上表面点10的温度历程曲线如图6(b)所示。
在仿真中设定固定分析步大小为2s，即每隔2s记录一次温度数据，每个周期内有500个温度数据。
2.3通过DFT对每个点的后两个周期的温度信号进行分析，得到每个点温度的频域信息。将每个频率下各个像素点的相位值组合起来得到各个频率下的相位图，如图7所示。
我们可以根据相位图来判断缺陷点的数量和位置。从图中我们可以看到不同频率热波的检测效果不同，随着频率的增大，相位图左侧的缺陷变得模糊，这是因为频率变高时，热波的穿透能力降低，可检测的深度也会随之降低。
2.4从相位图中可以找到各个缺陷的缺陷中心点位置，对每个缺陷中心点的相位数据进行处理，用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，从而得到缺陷中心点的相位差-频率曲线，如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示，图8(a)展示了点1-点3的相位差-频率曲线，图8(b)点4-点6的三个缺陷的相位差-频率曲线，图8(c)展示了点7-点9的相位差-频率曲线。
我们可以从中找到各个缺陷中心点的最佳检测频率和盲频率。
各个缺陷的盲频率及其所对应的热扩散长度如表1所示，其中h表示缺陷深度，d表示缺陷直径。
表1各个缺陷的盲频率及其所对应的热扩散长度
根据相位差-频率曲线我们可以得到以下结论：
(1)使用方波进行锁相热成像可以在一次锁相热成像中得到最佳检测频率和盲频率，大大缩短了锁相测试时间。
(2)对于同一深度的缺陷而言，缺陷的最大相位差会受到缺陷尺寸的影响，缺陷尺寸越大，缺陷中心点受非缺陷区域的横向热扩散的影响就越小，最佳检测频率下的相位差越大，这意味着缺陷在相位图中会更明显。
(3)从表1的结果中可以看到，缺陷深度约为盲频率对应的热扩散长度的两倍。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
向被测设备施加方波热源，对被测设备周期性加热，进行锁相热成像，所述方波中包含多个频率下的谐波；
获取加热过程中被测设备表面的温度信号，所述温度信号包含多个频率下的信息；
基于温度信号得到被测设备表面各个像素点多个频率下的频域信息，对多个频率下的频域信息进行处理，从而通过一次锁相热成像快速得到缺陷深度。
2.根据权利要求1所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的频率、占空比和功率根据锁相热成像的需求进行调整。
3.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波频率根据被测材料的热扩散系数和预期探测的缺陷深度来确定，确保锁相热成像中使用的谐波频率所对应的热扩散长度主要集中在预期缺陷的深度范围内。
4.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的占空比根据锁相热成像中所需要的谐波频率范围来决定，不同占空比的方波的谐波种类不同。
5.根据权利要求4所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波优选为低占空比方波。
6.根据权利要求2所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，所述方波的功率需满足待测样品材料的耐热性。
7.根据权利要求5所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，低占空比方波相较于高占空比方波应采用更高的功率来提高谐波幅值，保证所需要的多种频率下的谐波幅值都能满足锁相热成像的信噪比要求。
8.根据权利要求5所述的基于方波锁相红外热成像的缺陷快速检测方法，其特征在于，所述低占空比方波为占空比小于等于10％的方波。
9.根据权利要求1所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，对多个频率下的频域信息进行处理，具体包括：
将被测设备表面每个像素点稳态阶段的温度信号进行离散傅里叶变换，得到各个像素点的对应于多个频率的频域信息；
将不同频率下像素点的相位数据组合起来，得到对应于多个频率下的相位图；
通过相位图判断缺陷点的数量和位置，寻找各个缺陷的中心点位置；
用缺陷中心点的相位减去非缺陷点的相位得到相位差，进而得到各个缺陷中心点的相位差-频率曲线；
根据相位差-频率曲线，得到各个缺陷中心点的最佳检测频率和盲频率；
通过盲频法得到缺陷深度。
10.根据权利要求9所述的基于方波热源的锁相热成像缺陷快速检测方法，其特征在于，在相位差-频率曲线中，相位差最大时对应的频率为最佳检测频率，相位差第一次降低为0时对应的频率为盲频率。
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- 2023-11-24 CN CN202311587399.3A patent/CN117538378A/zh active Pending
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