TW463047B - Thermal resonance imaging method - Google Patents
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Description
4 6 3 0 4 ί Α7 Β7 五、發明說明（1 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本專利申請案受益於1 9 9 9年7月2 1曰提出之美 國臨時專利申請案6 0/1 4 4 ’ 8 8 5 ’倂入本申請案 參:考。 技術領域 本發明與用以決定物體厚度的熱成像非破壞性檢驗技 術有關。更明確地說，本發明與紅外線瞬間熱成像法有關 ，用以分析熱資嵙影像畫面的堆疊’並使用快速傅利葉轉 換熱共振函數決定厚度。 發明背景 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 多年來，已有多種的非破性超音波量測技術用來決定 鑄造金屬及其它實心物體的厚度。習用上，以超音波探測 物體，它穿入表面，並被物體內部的相對側或表面反射。 根據接收反射波所需的時間，可以決定與對（背）側間的 距離，即可決定物體在該點的厚度。不幸的是，使用此種 超音波量測檢驗物體的截面厚度，通常需要使用換能器很 麻煩且費時地對整個表面做機械掃瞄。此外，爲利於換能 器與物體表面間的聲音緊密接觸，必須在表面施加一層耦 合液，或將物體完全浸入耦合液中。不過，這對很多的結 構及材料經常是不很切實際，或甚至不適用·例如能掃瞄 及分析幾何形狀複雜之零件的超音波系統，典型上都非常 昂貴且複雜。此外，使用換能器在大物體的表面做機械掃 瞄需要數小時一點也不誇張。 本紙張尺度ίϊ用中國國家標準（CNS) Α4規格（21G X 297公釐)ΓΤΊ ' 463 047 A7 _____B7__ 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 此外，當在某金屬物體上進行超音波量測時，金屬物 體內部的結晶方向及結構會致使不欲見的雜訊及指向上的 影、響，這會造成所獲取的資料不正確。此爲超音波量測的 先天限制，且經證實，當測試之組件是結晶或”具方向性 ”之結構的金屬時，例如經常用於現代的渦輪翼面，會有 嚴重的缺點。 反之，紅外線（I R )瞬間熱成像多少是較多用途的 非破壞性測試技術，它靠著量測熱在物體中的瞬間移動以 提供物體的結構及整體性。由於在物體中的熱流實質上不 受物體材料之微結構及單晶方向的影響，紅外線瞬間熱成 像分析基本上沒有超音波量測所受到的限制。與絕大多數 的超音波技術相較，瞬間熱成像分析法不會太受被測物體 大小、輪廓或外形之累，此外，如果測試之物體的表面積 大時 > 瞬間熱成像法比最常用的超音波法快十到百倍。 瞬間熱成像一項已知的現代應用是授予Ringermacher 等人的美國專利5,711,60.3,名稱爲"Nondestructive ,· ++ - ++ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
Testing:Transient Depth Thermography";它用以決定實心非 金屬複合物中裂縫的大小及”相對”位置（深度）·該文 併入本文參考。基本上，此項技術包括加熱有興趣之物體 的表面，並記錄物體之表面上很小區域或”分析元素"（ resolution elements )之溫度在一段時間中的改變。表面溫 度的改變與流過物體之熱的動態特徵有關，其特徵受出現 之裂縫的影響。因此，根據很仔細地分析物體表面上每一 個分析元素的溫度改變•即可決定裂縫的大小及指示”相 本紙張尺度適用中囤囷家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4. 63 04 7 ' A7 _B7___ 五、發明說明（3) <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 對"深度（即，相對於物體內其它裂縫）的値。雖然在上 述的Ringefmacher專利中沒有明確指示，但它無法決定裂 縫‘’的”實際”深度（即從物體表面開始的深度）•除非有 具有已知深度之孔洞的”標準件”，或在物體上之熱厚度 ("有限半空間”）參考區也包括在獲取之熱成像資料中 的一部分，並分析以與相對深度値比較。 爲使用瞬間熱成像得到正確的熱量測 > 物體的表面必 須要在夠短的時藺周期內加熱到某特定溫度，以便排除物 體任何明顯的餘熱。視被測物體的材質與厚度而定，通常 是使用石英燈或高強度閃光燈產生大小及持續時間適當的 熱脈衝。不過，任何能將物體表面快速加熱到足夠允許熱 成像監視之溫度的裝置都可以使用，例如脈衝式雷射光。 物體表面一旦被加熱，即獲取及分析整個表面之熱改變的 圖像記錄。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 習用上，使用紅外線（I R )視頻攝影機記錄及儲存 物體表面被加熱後的連續熱成像（畫面）。每一個視頻影 像是由固定數量的圖素構成。關於此 > 圖素是構成整個影 像陣列或畫面中的最小單元*它對應於被成像之物體表面 上的一個長方形區域，稱爲”分析元素”。每一個分析元 素的溫度與對應之圖素的強度直接相關，因此•可以從圖 素之對比分析物體表面上每一個分析元素的溫度改變。 從某一時間點之某特定影像畫面各個圖素的強度中， 減去代表相同時間點之該特定影像畫面的平均圖素強度， 即可使用所儲存的I R視頻影像來決定影像畫面中每一個 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 63 04 7 A7 ____B7___ 五、發明說明（4 ) 圖素的對比。 接著在時域中（即橫跨很多影像畫面）分析每一個圖 素’的對比資料，以識別出對比曲線資料中發生”折曲點” 的時間，它與物體中裂縫的相對深度數學相關。基本上， 當施加於均勻材質且厚度爲L之典型”板-狀”物體時， 衝擊到物體的移動熱流脈衝，穿過物體到達相對側（背壁 )並再回到前表面成像所花費的時間稱爲”特徵時間” T c。對某一材料的熱擴散率而言，此特徵時間T c與物 體的厚度有關，其方程式如下：
Tc=4L2/7t2a EQU.1 其中L是物體的厚度（公分）1 ct是材料的熱擴散率（ 公分2 /秒）。（也可以在物體之熱流源的對側熱成像， T c値的差異僅在於因數4。） 從觀察的經驗得知，在熱脈衝衝擊到板狀物體時，觀 察物體之同側（及正面）之表面溫度上升的方式，也視厚 度及材料的熱擴散率而定。此外，從表面的時間對溫度（ T _ t )的歷史圖中，可從T 一 t曲線中一獨特的點決定 特徵時間T c ，該點即是所謂的”折曲點”。此折曲點 t i u f I由T — t曲線上斜率最大的一點指示（即，峰値一 斜率時間），與特徵時間T c間的關係以下方程式表示： t i , . = . 9 0 5 5 T c E Q U . 2 '裝！ J 訂----I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
I I rv 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^ 63 047 A7 B7 五、發明說明（5 ) 折曲點與特徵時間的關係如E Q U . 2所示，一維（ 1 ;一 D )及二維（2 — D )熱流分析的精確度大約1 % ^ —旦從T 一 t響應中決定出折曲點t i „ , !，即可使用已知 的材料熱擴散率〇t及E Q U . 2得到正確的T c値，再從 EQU . 1決定物體的厚度L。 關於此，上述峰値-斜率時間（折曲點）與材料之-· 特徵時間”間之熱流不變關係的更詳細討論，可見於 Review Of Progress In Quantitative Nondestructive Evaluation 中 Ri+ngermacher 等人的文章，名稱爲” Towards A Flat-Bottom Hole Standard For Thermal Imaging ” ，1 9 9 8 年 5月，Plenum Press,New York出版，倂入本文參考。 不幸的是，上述Ringer macher等人的美國專利 5，7 1 1，6 0 3中所提及的裝置及方法只產生”相對 ”深度量測。無法用其得到金屬物體所需點之實際深度的 定量値。因此，吾人需要一種能處理I R瞬間熱成像以及 處理獲取之資料以決定金屬物體之實際厚度的增進方法。 此種方法及裝置其中之一揭示於Ringermacher等人於 1 9 9 9年4月4日提出之的共同讓予共同待審的美國專 利申請案0 9 /. 2 9 2，8 6 6。基本上，該文所揭示的 配置是以高功率閃光燈快速加熱所要檢視之物體的表面， 並使用一焦平面陣列攝影機獲取I R影像資料，以及由相 同材質製成的板狀且具有已知厚度部分的標準參考物體（ 也可選擇使用被檢驗之物體的’’熱厚度”段做爲”有限半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8 · (諝先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) • I- 1 ----訂---------. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ 63 047 A7 _B7__ 五、發明說明（6 ) -空間”熱參考）。閃光燈配置一調整頻譜的光學濾鏡， 以使長波長的I R ”殘熾”放射減至最小，並減少背景輻 射的影響，這些都會影響熱量測的精確度。在發射閃光燈 後，獲取及記錄一既定時段之既定數量的I R影像畫面， 以產生出物體表面（及參考標準）的溫度-時間（T 一 t )歷史。接著爲影像中的每一個圖素產生對比對時間的資 料，以決定與圖素位置對應的物體厚度。 在上述的方法中，對比一時間資料是每一個圖素的溫 度-時間資料減去參考標準板（或物體熱厚度之”深"參 考區域的溫度-時間資料）的溫度-時間參考資料。不幸 的是，此方法的缺點是當成像物體的表面不均勻時，會引 進某程度的誤差。此外，它需要標準板的影像或使用物體 之深參考區域的溫度-時間資料--假設具有此參考區域 。此外，在I R成像前通常要在物體（以及標準板）表面 施加一層特殊塗料，以增加對光的吸收並增進表面均勻性 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明揭示 本發明與非破壞性測試方法及裝置有關，使用高速紅 外線瞬間熱成像決定及顯示物體的實際厚度。增進的高速 I R瞬間熱成像分析法可用來精確地量測物體厚度，並提 供用以指示物體中所要區域之截面厚度的目視顯示。本改 良方法的顯著特徵是使用快速傅利葉轉換共振函數決定厚 度。本發明之瞬間熱成像法的優點之一是不需要使用參考 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 63 04 7 A7 B7 五、發明說明（7 ) 標準板的影像或使用被檢驗物體中可用的參考區域。此外 ，被檢驗物體不需要特殊的表面準備或爲增進光學吸收或 增進表面一致性的特殊表面塗料。 基本上，本發明提供一種方法及裝置，用以分析被快 速加熱之物體的溫度-時間（τ — t )響應曲線之快速傅 利葉轉換（F F T )的實部與虛部以得到一頻率値，它與 熱脈衝通過物體之特定的特徵時間T c直接相關。一旦特 徵時間已知，即可根據上述的E Q U . 1計算物體上所要 點之兩表面間厚度L的量化値。T - t響應是由I R攝影 機連續獲取一段既定觀察周期之影像畫面的熱資料所決定 ，且以從觀察物體之同一側（正面）得到爲佳。（理想的 情況是，此觀察周期至少要比上述E Q ϋ . 1所決定的預 期特徵時間稍長•以及評估物體厚度之估計）。 基本上，所獲取的熱資料被組合以構成影像中每一個 圖素的各個Τ 一 t響應曲線。接著，與每一個圖素相關之 T - t響應曲線的資料被_常化入並執行快速傅利葉轉換 V ·： 1 f i-^·1 .：!. ' ^ .,·\； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (F F T )以將資料轉換到頻率域'。接著，分析複數 F F T中的實部（或虛部），以定出T -- t響應在頻率域 中的折曲點。在’此折曲點的頻率値與熱的特徵時間T c按 照下列E Q U . 3及E Q U . 4的關係相關： T c f R e = 0 . 3 7 2 E Q u . 3 T c f I ,η = 0 . 7 4 8 E Q U . 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐〉 46304* A7 ______B7 __ 五、發明說明（8 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其中，fRe是與每一個圖素相關之τ 一 t響應資料之 快速傅利葉轉換在折曲點處的實部，ί i 是與每一個圖素 相關之Τ — t響應寶料的快速傅利葉轉換在折曲點處的虛 部》 τ —t響應資料之FFT的實部是一”共振函數”一 -極類似在頻率域中的”熱吸收”函數，在折曲點之頻率 的半寬與特徵時間T c直接相關。同樣地，T 一 t響應資 料之F F T的虛部是一”峰値函數”——極類似在頻率域 中的”熱消散”函數，它的頻率峰値f 1 m也與特徵時間 T c直接相關。因此，在頻率域中折曲點的位置，是經由 識別F F T之實部之導函數的峰値，或經由識別F F T之 虛部的峰値完成.且因此而決定特徵時間。 如圖1所示，本發明的裝置包括由一或多個配置特殊 濾鏡的高功率閃光燈，獲取資料的.I R敏感焦平面陣列攝 影機及顯示監視器所構成的成像系統f 一控制成像系統的 電腦系統，用以記錄及分析I R攝影機所獲取的表面溫度 資料，並在顯示監視器上提供彩色或灰階圖案色調（ pattern-keyed )的影像，與物體的厚度精確地對應。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 獲取表面溫度資料，步驟一開始是以閃光燈對物體表 面照射。調整光譜用的獲光.鏡將3 -.5微米的I.R輻射完 全吸收及/或反射回閃光燈。此是爲避免不欲見的長波長 的I R ”殘熾”放射——典型上是閃光燈閃光後’閃光燈 中過熱的金屬元件所產生--到達物體或攝影機。 在閃光燈照射後，接著記錄一段時間既定數量的影像 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Δ 63 047 A7 B7 五、發明說明（9 ) 畫面^所記錄的每一個影像畫面是由η χτη個既定影像圖素 陣列所構成，圖素的強度與獲取畫面資料之時的物體表面 溫度相關一-每一個圖素在影像畫面中具有一個指定的位 置（x，y)，它對應於某特定的分析元素。接著使用所 記錄的I R影像資料爲物體表面上有興趣之區域中的每一 個元素區域或”分析元素”產生溫度一時間（T _ t )的 歷史。接下來1爲每一個圖素在歷史的T - t資料所構成 的特徵曲線中識別”膝部”點。將所有的圖素資料正常化 ，鉗限T — t資料曲線，恆墊整（constant-padded )正好 通過此，以產生等於曲線鉗限點値之恆溫値的連續”平” 曲線部。 接著計算F F T之實部的數學導數曲線 > 以識別頻率 域中之T — t響應資料的折曲點f R e。例如，使用第一及 第三取樣點分離的3 -點資料取樣以精確地計算出導數曲 線，易言之 > 與位在第二取樣點之影像畫面-編號之値有 比例關係。較佳的情況是，導數計算中所有的局部”峰値 ”都被識別且被濾波。（例如可以使用一加權函數調整任 何此種局部化之峰値的重要性，以對實際折曲點的頻率做 最佳識別）。最後，根據EQU.1及EQU·3定量決 定物體上與每一個圖素對應之位置的特徵時間T c及厚度 L。 .
另者，也可使用F F T之虛部中的峰値來識別頻率域 中T — t響應資料的折曲點f 1 ,,,。在此情況，峰値可以經 由任何習知的計算方法很容易地決定。接著，根據E Q U 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 κ 297公愛）-12 - (绩先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) /.·裝--------訂----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 63 047 經濟部智慧財產局K工消費合作社印製 A7 B7 __五、發明説明（1〇 ) .1及EQU . 4定量決定物體上與每一個圖素對應之位 置的特徵時間T c及厚度L。 圖式簡單說明 仔細硏究以下對較佳實施例的詳細描述並特別參考所 附圖式 > 將可瞭解本發明的目的及優點。 圖1說明按照本發明決定及顯示物體實際厚度之紅外 線瞬間熱成像系統的配置實例。 圖2是圖1之系統按照本發明執行紅外線影像資料獲 取及分析的流程圖；以及 圖3是顯示多層物體之I R瞬間熱成像的影像圖。 元件表 10 紅外線瞬間熱成像系統 11 閃光燈熱脈衝源 13 焦平面陣列攝影機/1R攝影機 14 控制電子裝置 15 畫面資料記憶體/記錄器 16 控制電腦/影像處理器 17 顯不監視器 18 閃光燈濾光鏡 20 資料取得步驟 21 影像序列儲存步驟 2 2 熱資料識別步驟 23 選擇圖素步驟 2 4 沖洗T—t曲線步驟 25 膝部份位置步驟 26 快速傅立葉轉換步驟 2 7，2 8 程式步驟 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ---------”裝-- (請先閱讀背面之注意事項再，i4·寫本頁) 21--1---. 訂_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 卜.463 047 A7 _ B7 五、發明說明（11 ) 執行本發明的最佳模式 .圖1說明用以決定及顯示物體厚度（例如具有內部孔 洞:4的金屬渦輪翼面1 )之I R瞬間熱成像系統1 〇。基 於以下討論的目的，關於中空或半中空物體（即物體中具 有故意存在的空洞），物體的”厚度”稱爲前壁或表面厚 度。 如圖1所示，使用閃光燈熱脈衝源1 1對要被量測之 物體的表面快速如熱。閃光燈熱脈衝源1 1的適當配置之 一例如是一組4或8具高速、高輸出功率的攝影機閃光燈 ，每一個閃光燈具有大約4 . 8千焦耳的輸出，且具有各 自獨立的電源供應器（例如Speedotron Corp.製造的閃光燈 )0 由於金屬的熱傳導率遠快於非金屬，因此|.在金屬中 熱流的特徵時間遠快於例如塑膠或複合材料。因此，嘗試 將傳統限用於非金屬的I R熱成像應用到金屬，熱的施加 需要急速截止。爲得到此，在閃光燈1 1與物體1之間要 使用3 - 5微米的反射濾光鏡1 8，以避免物體曝露於閃 光燈閃光後的餘熱之下' 實用上，可以使用一或多片濾光鏡（例如每具閃光燈 —片）。這些濾光鏡的作用是避免長波輻射一一典型上是 閃光燈中過熱金屬元件的”殘熾”所產生一 一離開閃光燈 並衝擊到目標上，否則，它們會反射到焦平面陣列攝影機 1 3。在獲取熱資料的初期，來自閃光燈1 1的原始殘熾 輻射會干擾到目標物體放射的長波I R >因而阻礙了真實 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） -14 - Γιιιιι -,ϊ * 裝·---- -- 訂--------- 〈請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 463 047 A7 B7 五、發明說明（12) 目標所產生的I R輻射，並降低了最終影像的對比及品質 。因此，使用這些特殊的濾光鏡以產生足夠陡峭的熱脈衝 ，以便可偵測到金屬中較短的熱行進時間。 在圖1所描繪的實施例中1閃光燈濾光鏡1 8是由 PyrexTM、石英、B K 7 ™或其它對可見光或U V光透明的 光學材料所構成，在面對閃光燈的一側被覆能反射紅外線 的塗料，將3 - 5微米範圍內所有的輻射都反射回閃光燈 。（光學玻璃及被覆的濾光鏡可從製造一般科學光學或光 學玻璃的製造商購得或特別製造，例如Oriel in Stratford, CT.)。 量測被熱脈衝照射之物體1的表面溫度，是使用對紅 外線（I R )敏感的成像系統獲取，它包括對紅外線（ I R )敏感的焦平面陣列攝影機1 3 (例如購自Amber Engineering--a Raytheon Company- -的 Radiance HS 紅外線攝 影機），電子控制設備1 4、畫面資料記憶體1 5、控制 電腦/影像處理器1 6及監視器1 7。 熱資料的獲取最好從閃光燈被光學或其它適合裝置觸 發之時開始。閃光燈的發射是由習用的閃光燈電子裝置 1 4控制，由在系統電腦1 6上執行的習用視頻畫面獲取 軟體管理，如Amber Corp的ImageDesk™畫面獲取系統或其 它習用的畫面獲取及閃光燈控制軟體，例如可從Thermal Wave Imaging Inc.購得）。 系統控制電腦/影像處理器1 6是特殊可規劃的通用 數位電腦，它除按照本發明之方法處理及顯示數位影像外 本紙ϋϋ適用中國固家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)-15 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫表頁) 裝--------訂----- 4 63 A A7 _ B7 五、發明說明（13) ，還具有周邊設備控制及通信能力。系統電腦1 6控制攝 影機、閃光燈電子裝置1 4以及畫面寳料記億體1 5以獲 取物體表面既定數量的連續熱影像畫面，這些影像畫面儲 存到記憶體1 5中供進一步分析。 較佳的情況是，在開始熱成像處理之前，先使用以下 描述的”全場” （full-field )雙—影像校正技術校正I R 攝影機1 3。此校正技術基本上是使用兩個”黑體”( B B )影像校正參考：（1 )使用室溫的無光一黑板做爲 B B ”冷”源：以及（2 )使用加熱的無光—黑板做爲 B B ”熱”源。例如，爲獲取B B ”冷”源的校正影像， 室溫無光-黑板以無光-黑著色的盒子包住放置在攝影機 鏡頭正前方，並以4 5度角對著攝影機鏡頭。爲獲取B B ”熱”源校正影像，將攝影機鏡頭放置到相同的無光-黑 色盒子中，直到無光-黑板被加熱到大約高於環境溫度 1 CTC之後，攝影機對被加熱之板的全場成像。雖然上述 的雙影像校正技術是較佳的校正技術，但只要是可以使影 像場一致性最大化的任何校正技術都可使用，這對高對比 成像及得到改善之熱精確度十分重要。 在成像期間，每一個影像畫面是由ΝχΝ個圖素構成， 每一個圖素對應於物體表面上的一個分析元素，其中的Ν 典型上是1 2 8或2 5 6，視所要的解析度及精確度而定 。每一個圖素佔據2個位元組的儲存記憶體，例如以1 2 -位元或更多的二進位數字表示。所儲存的影像畫面以遞 增的畫面-編號値連續地識別，以提供物體1之正表面被 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4说格（210 X 297公釐) -16 - ' (請先閲讀背面之注意事項*·.填寫本頁>
,ί Γ * I — ！ ！ I 訂-I I II 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 閃光燈1 1之熱脈衝衝擊後一段既定時間周期之溫度對時 間（T 一 t )特徵的歷史記錄。 ;在評估金屬物體期間，在控制電腦16觸發閃光燈 1 1閃光後’從攝影機1 3獲取影像資料畫面，影像上每 一個分析元素的i R強度被數位地記錄，並儲存在畫面資 料記錄器1 5中。資料的獲取持續一既定數量的連續影像 畫面，在估計之至少一次物體材料的”特徵時間"期間， 獲得足夠有意義的Τ - t歷史。所獲取之影像畫面的總數 量視所要的精確度及影像解析度而定，資料的獲取可高達 每秒5 5 0個畫面。 畫面資料記錄器15可以是習用的處理器16內部數 位記憶體，或是可被處理器1 6存取之任何適用的視頻資 料儲存裝置。所獲取之每一個連續的熱影像畫面被指定一 個遞增的畫面編號値Z，與消逝的實際時間對應。接著， 使用一維的熱流分析法分析所得到的資料畫面”堆疊”， 如前所述》按照此方法》本發明的方法利用已知的熱不變 特性-一整個連續I R影像畫面中每一個影像圖素之溫度 對時間（Τ 一 t )歷史中的顯示_ _靠識別”折曲點”的 位置或斜率-峰値的時間，即T - t資料曲線之最大斜率 的時間點。 現請參閱圖2，圖中是使用本發明之熱共振成像技術 進行瞬間I R熱成像之方法步驟實例的流程圖。這些步驟 例如可由使用習用程式語言/技術之適當規劃的電腦1 6 (圖1 )實施。 ’ H.-------裝！！ (請先閱讀背面之注意事填.ή：填寫本頁) 訂·---- 1· ^1 1 1 ty ίι 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
rTTT Δ 63 047 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（15 ) 一開始，如方塊2 0所示，先確認物體1上有興趣的 區域（即，將I R攝影機聚焦到所要捕捉之有興趣的區域 )。系統操作員選擇/輸入與檢驗物體有關之參數的相關 資訊，例如物體的熱擴散係數》接下來，如圖2中方塊 2 0所示，系統控制電腦指示閃光燈的電子裝置發射閃光 燈1 1，並開始從焦平面陣列I R攝影機1 3獲取影像畫 面的資料。進行一既定數量之連續影像畫面的資料獲取， 如2 1所示，在識別每一個獲取之影像畫面及連續的畫面 -編號Z之後，影像序列被儲存到畫面記憶體1 5中。 接下來，如2 2所示，爲熱影像中與每一個分析元素 位置對應的每一個圖素識別熱資料，包括物體表面上有興 趣之區域中所有的連續畫面。接著選擇一個圖素進行評估 ，如2 3所示。接下來，如2 4所示，以畫面—編號做爲 時間縱座標，爲每一個圖素產生T _ t曲線資料。此外， ”閃光” I R加熱的開始時間（畫面一編號）被識SiJ，以 及第一個未飽合資料畫面被識別。 接下來，如2 5所示 > 識別每一個圖素之每一個特徵 T-t資料曲線中的”膝”部。接著，每一個圖素的T — t資料曲線被甜限，且假墊整（constant-padded )正好通 過此”膝部”，以產生一連續的”平”曲線部，其恆溫値 等於T _ t資料在鉗限點的値。較佳的情況是，所選擇的 資料-鉗限點，T C p t，稍大於對應於曲線膝部的時間値 ，至少大於時間t = L 2 / π 2 oc。所選擇之鉗限點之精確的 値或時間點T c μ t並非關鍵，不過，它的選擇將影響到所 (請先閱讀背面之注意事«,'#'填寫本頁) 裝 Λ .^1 1· 1 ----訂---------. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ~ 463 047 A7 ......_ ——_ 五、發明說明（16) 產生之任何影像的最終品質。因此，選擇適當的鉗限點， 最好是使用選擇自沿著特徵τ _ t資料曲線靠近所識別之 膝部結束區域許多鉗限點附近所產生之影像的經驗比較來 決定最適的鉗限點，不適，至少有—値要大於時間t =乙2 /π 2 α。此外，將影像中所有圖素的資料正常化，以所選 擇的偏斜値補償每一個圖素的τ — t曲線，以使對應於恆 溫値的”平”部等於零。 接下來’如之6所示，對正常化的曲線資料執行快速 傅利葉轉換（F F T )，接著分析所得到之轉換資料的實 部或虛部，以識別頻率域中的折曲點。如果選擇實部，如 方塊2 7及2 8所示，首先決定f FT之實部的數學導數 。爲計算導數資料，可以使用可變寬度的基本間距。例如 ’對沿著實部資料曲線選擇任何點而言，計算導數所使用 的基本間距正比於I R影像畫面-編號Z的平方根。 接下來，在步驟2 8，導數曲線中所有的局部峰値都 被識別，並使用重要性/加權濾.波器評估適當的峰値並將 其解釋爲折曲點。例如，所有峰値畫面及振幅的表可以保 存在電腦的記憶體中。經由對此表施加既定的加權函數， 它可以調整每一個局部峰値的重要性，因此，於資料獲取 時間初期發生的雜訊影響可以有效地減少。接著，按照遞 減的重要性/加權揀選峰値•且具有最大加權値（即最重 要者）被選擇做爲折曲點的指示。接著如步驟3 0所示’ 使用此峰値的頻率f r。按照上述方程式E Q U · 1及 EQU . 3定量地決定物體在對應於每一個圖素之位.置的 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) II !訂-----
n n n I f·. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -19 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 f ( 463 047 Λ7 A/ I----- B7 五、發明說明（17) 特徵時間T c以及厚度L。 另者，可以使用T- t響應資料之FFT之虛部中的 峰値來識別頻率域中的折曲點，以步驟2 9代替步驟2 7 及2 8。在此情況，可以經由一般習用的計算方法決定虛 部中的峰値。接著如步驟3 0所示，使用此峰値的頻率 f 按照上述方程式EQU，1及EQU _ 4定量地決定 物體在對應於每一個圖素之位置的特徵時間T c以及厚度 L。 · 最後，在步驟3 1，所計算的厚度値L儲存在記憶體 中，並用來建立物體表面上有興趣之區域的彩色映射或灰 階影像供顯示或列印- -每一種彩色或灰階對應某特定深 度。接著選擇次一個圖素，如箭頭指向步驟2 3所示，爲 I R影像中的每一個圖素重複上述步驟。經由使用上述步 驟對上述裝置所獲取及分析的熱資料進行瞬間熱成像分析 ，即可得到精確的壁厚値，即使.是密閉空間的背壁或是構 成被測試物體一部分的內部結構，例如圖1所示之渦輪翼 面中經常可見的肋狀結構。如有需要，可經由系統控制電 腦的習用程式自動選擇與輸入各種參數値，如擴散常數、 資料分析開始點、彩色映射範圍等。 最後請參閱圖3 *圖中顯不多層方塊物體之ϊ R瞬 間熱成像的影像。圖3所示的物體方塊3 2具有6個厚度 不同的正方形區域。6個區域中的每一個區域在所產生的 影像中以不同的彩色或灰階表示（以不同的影線表示）’ 它與影像右邊之桿狀比例尺之相同彩色或灰階所示的厚度
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)—-W ϋ Ί.裝---- ----訂---I----- ί請先閱讀背面之注意事承再填寫本頁) ΐ. 4 63 047 A7 __B7 _ 五、發明說明（18 ) 對應。在本例中，桿狀比例尺所指示的厚度範圍從 ◦ . 013到0 . 056吋，但熟悉此方面技術之人士應 瞭解，本發明也可以很容易地實施不同厚度値範圍的桿狀 比例尺。 雖然本發明是以最實用且較佳的實施例描述，但須瞭 解，本發明並不限於所揭示的實施例，反之《它欲涵蓋各 種修改與相等的配置，都包括在所附申請專利範圍的精神 與範圍內。 ‘ (請先閱婧背面之注意事項再填寫本頁) I!訂·1 — f,. 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS)A4規格（210 X 297公釐） · 21 -
Claims (1)
- A8 BS C8 D8 463 047 申請專利範圍 種懲間熱成像法 用以決定具有一表面之 物體的厚度，面可想像成一圖素陣列，其步驟包括： ,i2Bi a )快速加熱物¢1¾表面；属_ b )記錄一序列禱«4影像中之圖素的強度，賦予每〜 個影像一個與物體表步驟（a )加熱開始所消逝;^ 時間相關的連續畫面-編號； c)根據畫面-編號値產生與序列中影像畫面之圖素 對應的溫度_對_時間（T 資料 d )將步驟（c )中所產生的T — t資料轉換成具有 實部與虛部的複數頻率域資料；以及 e )根據複數的頻率域資料及熱流脈衝在物體中移動 v::|議 的特徵時間決定物體上與圖素之點的厚度値。 2 .如申請專利範圔第1項的％杂，其中的物體是便 ㈣C一 用閃光燈裝置加熱。 如申請專利範圍第1項的 WF 萄熱成像法，其 {^先閲讀背兩之注意事項再填寫本頁〉 ，裝 .丁 _ 、1' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 中產生與圖素對應之溫度一對-時間（l®:r t )資料的步 驟進一步包括正常化τ 一 t資料的步驟： i )識別T - t資料中的膝部，並選擇一資料鉗限點 ，其時間大於對應於膝部時間値的範圍； ϋ )在步驟（i )中所識別的鉗限點處鉗限T 一 t資 料’並以等於資料鉗限點處之溫度値的T _ t資料値恆楚 整時間値大於資料鉗限點的T - t資料；以及 iii )以偏移値補償T — t資料，以使時間値大於資料 鉗限點的T — t資料等於零 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公着） -22- & 63 047 ABCD 六、申請專利範圍 4 如申請專利範圍第1項的JbMrS熱成像法，其資料以產生複數頻率域囊！的方法是計算T 中轉換T ~ -t資料的快速傅利葉轉換 5 .如申請專利範圍第3項的ΐ 中選擇資料鉗限點T t 的步驟，進一步包括經驗比較使 用選擇自沿著特徵T - t資料曲線靠近所識別之膝部尾端 區域之多個鉗限點附近所產生影像的步驟，但至少一個値 要大於時間t = I： 2 / τι 2 α，其中L是物體的厚度（公分） ’ α是材料的熱擴散率（公分2 /秒）。 6 .—種紅外線勺1:-;|.弋瞬間熱成像法，使用一·對 i R敏感的焦平面陣列機泱定物體的厚度，其步驟包 簡熱成像法，其 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ,京· 括 愚 )從物體的連續#影像畫面中獲取圖 素強度資料 與消逝之時 a )所獲取 —時間（T 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ，每一個影像畫面包括複數個圖素，且具有一 間相關的連續畫面-編號； b )根據連續的畫面一編號値 > 從步驟（ 的圖素強度資料中產生圖素所對應的溫度-對 —t )資料； c )對步驟（b )所產生的溫度-對-時間資料執行 快速傅利葉轉換，以產生具有實部與虛部的頻 d )產生步驟（c )所得之頻率域資料之 資料； e )識別導數資料中的峰値頻率値f R。； f )根據步驟（e )所識別的峰値頻率値 率域資料； 實部的導數 以及 f r e決定厚 本紙張尺度通用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23 C8 D8 t 63 047 六、申請專利範圍 度値L。 I 7 如申請專利範圍第6項的!翁|p間熱成像法，宜 中的厚度値L是從定量値ί 根據/ π 2 α ) f , m = 〇 . 0 9 3的關係決定，其中L是物rf fc)厚度（公分）， 是材料的熱擴散率（公分2/秒）。^ 8 ·如申請專利範圍第6項的熱成像法，其 • 轉农 中的厚度値L是從定量値f Re根據τ#|| 4 L 2/π2α及 ,:)ι: +·.: Τ c f R e = 〇 · ’3 7 2的關係決定，f中Τ c是熱流脈衝 在物體中移動的特徵時間値，L _丨體的厚度（公分）， 是物體的熱擴散率（公分2 /秒） 9 ·如申請專利範圍第6項-筹中的物體是使 Wm SSW 用閃光燈裝置加熱。 b*5| 1 〇 .如申請專利範圍第6項的問熱成像法， 其中產生與圖素對應之溫度一對-時間（ffl t )資料的 步驟進一步包括正常化T - t資料的步驟： 識.i )別T — t資料中的膝部，並選擇一資料鉗限點 ’其時間大於對應於膝部時間値的範圍； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Π )在步驟（1 )中所識別的鉗限點處鉗限T - t資 料’並以等於資料鉗限點處之溫度値的T - t資料値恆墊 整時間値大於資料鉗限點的T - t資料：以及 Μ )以偏移値補償T _ t資料，以使時間値大於資料 鉗限點的T — t資料等於零。 的步驟，進包括經驗比 1 1 .如申請專利範園第1 〇項的熱成像法 ’其中選擇資料鉗限點T c 本紙張尺度適用中國國家操準< CNS ) Α4規格（210Χ297公釐 24 經濟部智-.¾財產局員工消費合作社印製 463047 I ____D8六、申請專利範圍 較使用選擇自沿著特徵τ - t資料曲線靠近所識別之膝部 尾端區域之多個鉗限點附近所產生之影像的步驟，但至少 一個値要大於時間t =L2/7：2a，其中L是物體的厚度( 公分），a是材料的熱擴散率（公分2 /秒）。 一種紅外線 十瞬間熱成像法，使用一對 I R敏感的焦平面陣列攝影| 括. II 定物體的厚度，其步驟包 (a )從物體之連續的影像畫面中獲取圖素強度 資料，每一個影像畫面包括複數個圖素，且具有一與消逝 之時間相關的連續畫面-編號； (b )根據連續的畫面-編號値，從步驟（a )所獲 取的圖素強度資料中產生圖素所對應的溫度一對-時間（ T 一 t )資料： (c )對步驟（b )所產生的溫度—對一時間資料執 行快速傅利葉轉換，以產生具有實部與虛部的頻率域資料 (d )決定得自步驟（c )之頻率域資料之虛部的峰 値頻率値f 1 m ;以及 (e )根據步驟（d )所識別的峰値頻率値f 1 |ίι決定 厚度値L 如申請專利範圍第1 2項的 其中的厚度値L是從定量値f 1 111根據 __ (請先聞讀背面之注^^項再填寫本頁) 訂 間熱成像法 (L 2 / π 2 α ) f , . 1 8 7的關係決定’其中L是 物體的厚度（公分），α是材料的熱擴散率（公分2 /秒） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（2丨〇 X 2奵公釐） -25- A8 B8 C8 D8 r t 63 047 六、申請專利範圍 :品逾\ 卜·Ι:Ά 1 4 .如申請專利範圍第1 2項的熱成像法 ，其中的厚度値L是從定量値f i U1根攄 T c = 4 L /π α&Τ c f 1111==0 . 7 48 的關係 決定，其中T c是熱流脈衝在物體中移動的特徵時間値， L是物體的厚度（公分）是物體的1;動釋散率（公分2 / 秒）。 一 1 5 .如申請專利範圍第1 2項，其中的物體 是使用閃光燈裝置加熱。 ：:¥ ] !， 气 1 6 .如申請專利範圍第1 2項的Ί 熱成像法 ，其中產生與圖素對應之溫度一對-時間（^· t 的步驟進一步包括正常化T - t資料的步驟： i )識別T — t資料中的膝部，並選擇一資料鉗限點 (請先閲請背面之注$項再填寫本頁> 資料 •*τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ，其時間 ϋ ) 料，並以 整時間値 iii ) 鉗限點的 17 ，其中選 較使用選 大於對應於 在步驟（i 等於資料鉗 大於資料鉗 膝部時間値的範圍； )中所識別的鉗限點處鉗限T 一 t資 限點處之溫度値的T - t資料値恆墊 限點的T — t資料：以及 以偏移値補償T - t資料，以使時間値大於資料 T — t資料等於零。 .如申請專 擇資料鉗限 擇自沿著特 尾端區域之多個紺限 一個値要大於時間t Μ 利範圍第1 6項的熱成像法 點T C P ·的步騍，進齡參包括經驗比 VMi^. 徵T _ t資料曲線靠近所識別之膝部 點附近所產生之影像的步驟，但至少 = L2/Tt2ct，其中L是物體的厚度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4· (2mx297公着 26- A8 BS C8 D8 4 63 047 六、申請專利範圍 公分）’ α 的熱擴散率（公分2/秒）。 1 8 . 用以決定具有一表面之物體的厚度 ，該表面可想像成一圖素陣列，包括： 一熱源，用以快速加熱物_面； Mm 一裝置，用以記錄一序歹影像中的圖素強度； —裝置，用以根據賦予%#影像的畫面—編號値從所 記錄的圖素強度決定溫度一對一時間的資料； —裝置，用以將溫度-對-時間的資料轉換成複數的 頻率域資料；以及 —裝置，用以根據複數的頻率域資料及物體之瞬間熱 脈衝特徵時間決定物體的厚度。 l·I-r------I — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4规格（210x297公釐）
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