脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法与流程

本发明涉及无损探伤检测技术领域，特别是涉及一种脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法。

背景技术：

脉冲红外热波无损检测技术是二十世纪九十年代后发展起来的一种无损检测技术。此方法以热波理论为理论依据，通过主动对被检测物体施加脉冲热激励、并采用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温场变化，并通过现代计算机技术及图像信息处理技术进行时序热波信号的探测、采集、数据处理和分析，以实现对物体内部缺陷或损伤的定量诊断。

脉冲红外热波技术主要包含两种检测方式：反射式和透射式。其中，反射式方法由于检测和热激励在试件同一侧，因而应用相比透射式更为广泛。缺陷深度或者被测件厚度测量是脉冲红外热波无损检测技术定量测量的一个重要应用，一般都是通过获得温度时间曲线中的某特征时间进行计算。在反射式脉冲红外热波技术中，US5711603采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的微分峰值时刻作为特征时间，该专利需要首先选取一个参考区域，这在某些应用中较难实现，且引入了误差。对比度峰值方法采用缺陷区域减掉参考区域温度曲线的峰值时刻作为特征时间，但该峰值时刻受缺陷尺寸等因素影响较大,且同样需要参考区域。对数分离点方法采用温度时间对数曲线中缺陷和非缺陷区域的分离时刻作为特征时间，该方法也需要参考曲线，同时较难准确确定分离点。US6542849对温度时间曲线中选取一段相对线性区域，并拟合获得其斜率，最后根据降温理论公式拟合得到缺陷深度。X.Maldague对温度时间曲线做傅里叶变换，减掉参考曲线后的零值时刻作为特征值。

透射式脉冲红外热波技术中，热激励和热像仪检测在试件异侧，因而其温度-时间曲线与反射式方法有较大差异：反射式方法中为一降温曲线，而透射式方法中为一升温曲线。在透射式脉冲红外热波技术中，目前有两种常用缺陷深度试件厚度定量测量方法。其中一种方法与反射式方法中的热对比曲线微分峰值时间法类似，它是直接对升温曲线求一阶微分，然后以其峰值时间作为特征时间。另一种方法为半极大值时间作为特征时间，该方法在某些应用中有很高的测量精度。

在反射式脉冲红外热波技术中，还可能存在求双层结构中第二层介质厚度的情况，比如在蜂窝结构中求蜂窝积水量的问题。包括该应用以及上述反射式和透射式中的缺陷深度或试件厚度测量方法，其在数据处理过程中均需要进行曲线拟合，然后以某个特征值对应的时间作为特征时间。其可能出现的问题是曲线拟合参数对其拟合结果有一定影响，拟合结果可能与真实值有一定误差，尤其是还需在曲线拟合的基础上进行一阶甚至二阶微分来获得峰值时间其误差可能更大；特征时间为对应于某一个特征值的时间，仅依赖于某一点，有可能受噪声影响较大或单个点的随机性影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术对数据进行曲线拟合处理且仅依赖于某一点对应时间的不足，提供一种脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，在采用反射式脉冲红外热波技术对待检测试件的缺陷深度或试件厚度进行测量时，包含以下步骤：

1)制作缺陷深度为已知的标准试件；使用脉冲加热设备对其进行加热，同时使用红外热像装置记录被测试件热激励正面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；

2)对所获得的热波降温数据，提取各缺陷对应表面温度曲线，并根据第一帧进行归一化处理；

3)得到新的时间序列f(t)；

4)对序列f(t)求积分，然后处理获得积分平均序列S_A；

5)分析所获得的平均序列S_A，选择合适的S_A0值；

6)提取序列S_A中大于等于S_A0的第一个时刻作为特征时间t₀；

7)线性拟合得到缺陷深度平方与特征时间t₀线性关系式，提取斜率a和截距b；

8)对待检测试件，重复步骤1)至步骤5)，选取相同S_A0值，得到其对应特征时间t₁；

9)根据步骤7)所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到目标值。

进一步的，根据权利要求1所述的脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，其特征在于，所述时间序列f(t)的表达式为：

其中：T(t)表示t时刻试件热激励正面的温度；k₁为时间指数，k₁≥0；

平均序列S_A公式为：

其中：S表示曲线f在时间段(0，t)内所覆盖的面积；k₂＝1/2。

一种脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，其特征在于，在采用透射式脉

冲红外热波技术对待检测试件厚度进行测量时，包含以下步骤：

1)制作缺陷深度为已知的标准试件；使用脉冲加热设备对其进行加热，同时使用红外热像装置记录被测试件热激励背面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；

2)对所获得的热波降温数据，提取各缺陷对应表面温度曲线，并以最大温度值进行归一化；

3)得到新的时间序列f(t)；

4)对序列f(t)求积分，然后处理获得积分平均序列S_A；

5)分析所获得的平均序列S_A，选择合适的S_A0值；

6)提取序列S_A中大于等于S_A0的第一个时刻作为特征时间t₀；

7)线性拟合得到缺陷深度平方与特征时间t₀线性关系式，提取斜率a和截距b；

8)对待检测试件，重复步骤1)至步骤5)，选取相同S_A0值，得到其对应特征时间t₁；

9)根据步骤7)所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到目标值。

进一步的，根据权利要求3所述的脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，其特征在于：所述时间序列f(t)的表达式为：

其中：T(t)表示t时刻试件热激励背面温度；k₁为时间指数，k₁≥0；

平均序列S_A公式为：

其中：S表示曲线f在时间段(0，t)内所覆盖的面积；k₂＝1。

一种脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，在采用反射式脉冲红外热波技术对待测双层结构中第二次介质厚度进行测量时，包含以下步骤：

1)制作缺陷深度为已知的标准试件；使用脉冲加热设备对其进行加热，同时使用红外热像装置记录被测试件热激励正面的热图序列，并将热图序列存储在通用存储器中；

2)对所获得的热波降温数据，提取各缺陷对应表面温度曲线，并以第一帧进行归一化；

2.1)以第二层介质较厚区域近似为第二层介质无限厚，并归一化后作为参考曲线；

2.2)各缺陷对应表面曲线减去参考曲线，得到热对比曲线。

3)得到新的时间序列f(t)；

4)对序列f(t)求积分，然后处理获得积分平均序列S_A；

5)分析所获得的平均序列S_A，选择合适的S_A0值；

6)提取序列S_A中大于等于S_A0的第一个时刻作为特征时间t₀；

7)线性拟合得到缺陷深度平方与特征时间t₀线性关系式，提取斜率a和截距b；

8)对待检测试件，重复步骤1)至步骤5)，选取相同S_A0值，得到其对应特征时间t₁；

9)根据步骤7)所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到目标值。

进一步的，根据权利要求5所述的脉冲红外热波技术中基于积分平均的定量测量方法，所述时间序列f(t)的表达式为：

其中：T(t)表示t时刻试件热激励正面温度；k₁为时间指数，k₁≥0；

平均序列S_A公式为：

其中：S表示曲线f在时间段(0，t)内所覆盖的面积；k₂＝1/2。

本发明的有益效果在于：

1.不需要对原始数据进行曲线拟合，因而，不像其他方法那样受曲线拟合参数的影响，同时，其他方法进行曲线拟合的目的是为了得到比如类似峰值时间，峰值时间通常受曲线拟合参数的选择影响较大；

2.其结果是对多个点的积分平均，不仅依赖于一个点，经过积分平均后可有效消除噪声的影响，相对其他方法来说受噪声影响较小和单个点的随机性影响小。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于反射式的两个不同深度对应积分平均-时间曲线；

图2为反射式脉冲红外热波技术的原理图；

图3为不锈钢试件反射式脉冲红外热波f曲线；

图4为不锈钢试件反射式脉冲红外热波技术积分平均-时间曲线；

图5为不锈钢试件反射式脉冲红外热波技术特征时间与缺陷深度平方关系及其线性拟合对比；

图6为不锈钢试件透射式脉冲红外热波温度幅度曲线；

图7为不锈钢试件透射式脉冲红外热波积分平均-时间曲线；

图8不锈钢试件透射式特征时间-缺陷深度平方关系及其线性拟合对比；

图9不锈钢试件反射式双层介质第二层介质积分平均-时间曲线；

图10不锈钢试件反射式特征时间-水量平方关系及其线性拟合对比。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的理论基础是基于脉冲平面热源激励下的一维热传导方程求解问题，受平行于介质表面的均匀脉冲热源作用时，热传导方程可简化为：

其中，T(x,t)是t时刻x处的温度，qδ(t)δ(x)是脉冲热源函数，q为常数，是在单位面积上施加的热量，k(W/m·K)是热传导率。密度ρ(kg/m³)与比热c的乘积是介质材料的体热容，热扩散系数为α＝k/(pc)，对某一特定介质，一般情况下α可视为常数。

在反射式脉冲红外热波技术中，热传导方程的解可表达为：

其中，e为被测件的蓄热系数，n为脉冲传播到两种材料界面发生的n次反射，L为被测件厚度(或缺陷深度)。

在透射式脉冲红外热波技术中，热传导方程的解可表达为：

当反射式脉冲红外热波技术应用于双层结构中第二层介质厚度测量时，当忽略热波在第二层介质中多次热反射项时，其热传导方程对应的解可表达为：

式中，d₀和d分别为第一层和第二层介质厚度，α₁和α₂分别为第一层和第二层介质的热扩散系数，n为热波脉冲传播到第一层和第二层介质界面发生的n次反射，R为第一层和第二层之间的热反射系数，定义为：

其中，e₁和e₂分别为第一层和第二层介质的蓄热系数。

对于反射式脉冲红外热波技术用于测量缺陷深度或试件厚度、测量双层介质中第二层介质厚度，以及透射式脉冲红外热波技术用于测量试件厚度，本发明提出利用积分平均等于特定值时对应时刻进行定量测量。

一、利用反射式脉冲红外热波技术对缺陷深度或试件厚度定量测量

反射式脉冲红外热波技术其理论基础基于公式(2.1)，在该式的基础上，求积分：

上式所描述的积分S(t₀)可理解为曲线f在时间段[0，t₀]内所覆盖的面积。

公式(2.1)两端同时乘以对应时间，并定义新的时间变量f：

对上式积分可得：

式(4)和式(6)所描述的积分可分别理解为曲线T和f在时间段[0,t₀]内所覆盖的面积S。但是这两个公式中，缺陷深度L和特征时间t₀的相对关系不统一，缺陷深度和特征时间均存在1次方或2次方。为了统一缺陷深度和特征时间相对关系，式(6)和式(8)分别除以和可得：

经过上述步骤处理，以上两式中，缺陷深度的指数相对特征时间的指数关系均为2倍关系。

现假设有两个深度分别为L1和L2的缺陷，且对f求积分时对应时间特征时间t0分别为t1和t2，则有：

上述两式要相等，则需要满足：

如果对上式两端求平方，则可得到与脉冲红外热波技术中其他定量测厚方法类似的关系，即特征时间与缺陷深度平方成线性关系，且整个处理结果可近似叫做积分平均。上述处理中，首先直接对降温曲线积分，然后除以t^1/2；或首先对热波降温曲线乘以对应时间t，然后进行积分，最后除以t^3/2。

通过数值模拟，我们还发现其他类似处理也可得到特征时间与缺陷深度平方成正比，比如：先乘以t^1/3，然后除以t^(1/3+1/2)；乘以t^1/4，然后除以t^(1/4+1/2)等等，均可得到类似的线性关系。其总体规律是最终除的时间的指数比先乘的时间的指数大1/2，可归纳为在预处理步骤中：

然后积分后获得积分平均：

上式中k₁大于等于0，对于反射式脉冲红外热波技术直接用于缺陷深度测量，k₂＝1/2。

对于离散时间的实验数据，只能通过求和的方式得到积分平均。当k₁＝1/2时，图1按照上述理论公式和处理步骤模拟了两个不同深度L₁和L₂对应的积分平均-时间曲线，首先假定一积分平均值或求和平均值S_A0，提取积分平均等于S_A0的对应时间t₁和t₂作为特征时间，所提取的特征时间与缺陷深度应该满足式(11)。实际应用中，可首先采用缺陷深度已知的参考试件确定该类材料的特征时间与缺陷深度平方的线性关系，并利用该线性关系进行缺陷深度定量测量。

二、透射式脉冲红外热波技术试件厚度定量测量

如式(2.2)所描述的透射式的热传导方程与反射式方程类似，但区别在于其为一升温曲线。采用与反射式方法类似计算处理或数值模拟，通过类似处理方法可得到特征时间与缺陷深度平方成线性关系，区别在于处理步骤中最后积分除以的时间指数比开始乘以的时间指数大1，也就是式(13)中，k₁大于等于0，k₂＝1。比如：原始温度曲线直接积分，然后除以t；或原始温度曲线乘以时间平方根，然后除以t^3/2等等。

三、反射式脉冲红外热波技术双层介质第二层厚度测量

对于反射式脉冲红外热波技术双层结构中对第二层介质进行厚度测量，需要得到第二层介质和空气界面的热反射项，该项对应于式(2.3)中方括号内最后一项，即：

该式也可看作为第二层介质有限厚与第二层介质无限厚对应表面温度差，实际应用中可选取第二层介质较厚区域对应曲线作为参考曲线，待测区域曲线减去参考曲线可获得式(14)所描述的热反射项。采用与反射式方法直接测量缺陷深度类似计算处理或数值模拟，通过类似处理方法可得到特征时间与缺陷深度平方成线性关系：

式中，两参数均为常数，该项也为一常数，式(15)表明双层介质中第二层介质厚度平方与特征时间成线性关系，与上述两种直接测量缺陷深度或试件厚度的方法区别在于：该线性关系不通过原点；且该方法是对热反射项式(14)进行处理，而非直接对热波降温曲线进行处理。

该方法与反射式方法直接测量缺陷深度方法类似，类似的是数据处理步骤中最终除的时间的指数比先乘的时间的指数大1/2，即式(13)中，k₁大于等于0，k₂＝1/2。比如：直接积分，然后除以t^1/2；先乘以t^1/2，然后除以t等等，均可得到类似的线性关系。

上述描述中，对于待处理曲线积分处理前所乘时间项，上述三种方案分别采用乘以时间平方根、乘以时间零次方和乘以时间平方根，当然，也可以按照上述所分析的乘以其它时间项，最终再除以相应的时间项。

本发明的理论基础基于脉冲热成像法，假设利用理想脉冲热源在t＝0时刻作用于被检物体表面(x＝0)，且能量完全被表面吸收。在实际实验中，对被测物体加热时采用的加热设备可以是高能闪光灯或者其他脉冲式加热设备，为提高计算精度，应保证脉冲闪光灯作用时间足够短，热成像装置的采集频率宜设置较高。采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置。

图2为反射式脉冲红外热波技术的原理图，同时也是反应本发明方法的实际系统结构示意图。透射式脉冲红外热波技术采用图2类似的检测原理图，区别在于热像仪1和闪光灯2在试件4的异侧。。

下面将结合实施例来说明脉冲热成像法用于测量缺陷深度或试件厚度的过程。

制作了两个标准试件：第一个用6个平底洞模拟缺陷的不锈钢试件，其缺陷深度为1～6mm，采用反射式和透射式脉冲红外热波技术测量缺陷深度或试件厚度；第二个不锈钢试件，其底面制作四个1.1mm和四个2mm深平底洞模拟缺陷，在孔内注入不同量的水模拟双层结构中具有不同厚度的第二层介质，采用反射式脉冲红外热波技术测量水量的厚度。

参考图2，高能闪光灯2对被测物体4表面施加可见光能量，被测物体表面在闪光灯能量作用下温度升高，瞬间达到峰值，由于吸收热量表面与物体内部的温度差，热量沿深度方向从物体表面向物体内部传导。对于反射式方法，红外热像仪1实时记录被测物体吸收热量表面温场的变化；对于透射式方法，红外热像仪实时记录被测物体吸收热量背面温场的变化，计算机3采集红外热像仪得到的热图数据，得到被检测物体表面温场的热图序列。

实施例一、采用反射式脉冲红外热波技术测量缺陷深度

采用第一个不锈钢标准试件，提取不锈钢试件热图中每个平底孔中心像素降温曲线，以第一帧做归一化，然后乘以对应时间平方根获得新的时间序列f，如图3所示。对序列f求积分平均而获得序列S_A，如图4所示。参照图1，理论上积分平均曲线应该为单调递增序列，但是图4中1mm孔对应曲线后半段为单调递减，这是由于缺陷深度较小，其三维热扩散较明显造成的，而其他曲线在所示时间段内可看做是单调递增序列。由图4可以看出，假如纵坐标取为某一值，不同曲线对应时刻体现出其对应深度信息。图5结果为对应于积分平均值取为0.3和0.35时不同曲线对应特征时间与缺陷深度平方的关系曲线，该图中同时显示了其对应线性拟合曲线，可以看出实验所提取特征时间与缺陷深度平方具有较好线性关系。实际应用中要首先选择积分平均值S_A0，然后提取其对应时刻。由图5可以看出，不同S_A0值时对应特征时间均与缺陷深度平方有较好线性关系，只是其线性关系不同，同时也说明S_A0值的可选择范围较大。比如选取S_A0值为0.3时，通过线性拟合得到特征时间与缺陷深度平方的线性关系式的斜率a和截距b。对于待检测试件，采用相同实验方案和实验参数，重复上述步骤和处理，选取相同S_A0值为0.3，得到其对应特征时间t₁，根据所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到缺陷深度。

实施例二、透射式脉冲红外热波技术测量试件厚度

仍然采用第一个不锈钢标准试件，首先由透射式实验方案获得红外热图序列，提取不锈钢试件热图中每个平底孔中心像素升温曲线，其结果显示在图6中。由于本发明中透射式方案和反射式方案采用同一个试件，平底孔的直径相对较小且平底孔深度和试件厚度差异较大，该试件对于透射式方案来说，加热或数据采集会有一定困难，导致图6中5～6mm两个孔的曲线基本没有升温。因而，下述处理中仅对1-4mm四个孔进行处理。以每条曲线最大值做归一化得到新的时间序列f，对序列f求积分平均而获得序列S_A，如图7所示。选取S_A0值为0.3，提取其对应时刻为特征时间t₀。图8为相应特征时间与缺陷深度平方关系，同时比较了其线性拟合曲线，由该图可以看出，其线性较好，提取其线性关系式的斜率a和截距b。对于待检测试件，采用相同实验方案和实验参数，重复上述步骤和处理，选取相同S_A0值为0.3，得到其对应特征时间t₁，根据所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到试件厚度。

实施例三、采用反射式脉冲红外热波技术测量双层介质第二层介质厚度

采用第二个标准试件，在一个1.1mm孔内注满水作为参考孔，其他1.1mm孔内分别注入不同水量进行反射式脉冲红外热波实验。提取不锈钢试件热图中水孔中心像素降温曲线以及满水孔对应降温曲线作为参考曲线，以第一帧进行归一化。各不同水量归一化降温曲线减去满水孔归一化降温曲线得到热对比度曲线，然后乘以相应时间平方根得到f时间序列。对序列f求积分平均而获得序列S_A，如图9所示。选取S_A0值为0.3，提取其对应时刻为特征时间，图10为相应特征时间-缺陷深度平方关系，同时比较了其线性拟合曲线。由该图可以看出，其线性较好，提取其线性关系式的斜率a和截距b。对于待检测试件，采用相同实验方案和实验参数，重复上述步骤和处理，选取相同S_A0值为0.3，得到其对应特征时间t₁，根据所得到的斜率a和截距b，由线性关系式和t₁计算得到缺陷深度。

本发明所提出的基于积分平均值对应时刻进行定量测量的方法，可用于反射式脉冲红外热波技术缺陷深度或试件厚度测量、透射式脉冲红外热波技术试件厚度测量和反射式脉冲红外热波技术测量双层结构第二层介质厚度。本发明首先对原始温度曲线经过一定变换后计算积分平均，然后预设积分平均为某一固定值，并提取其对应时间为本发明方法的特征时间，该特征时间与缺陷深度平方成线性关系。通过两个试件，三个不同方案的实验结果来看，所提取的特征时间与缺陷深度平方均具有较好的线性关系，由图6所示原始温度曲线可以看出，由于本发明中所用热像仪使用年限较长，其信噪比等方面性能导致所获得曲线不仅噪声大且有较大信号波动，如果采用性能更优越的热像仪，其线性应该会更好。图3和图6所示的原始实验数据显示其受噪声影响较大，但是经过大量数据的求和平均即积分平均计算，所得到的积分平均-时间曲线均较光滑，在提取S_A0对应时刻时不会产生较大误差。尽管在应用时需要首先分析标准试件或参考试件的积分平均曲线S_A来选择S_A0值，但是由上述2个不同试件的不同实验方案或不同定量测量应用可以看出，不同应用其S_A0值范围较接近，且可选择范围较大，也可固定为某值，比如0.3。实际应用中，可选用相同材料制作试件，按照上述步骤得到特征时间与缺陷深度平方的线性关系的斜率a和截距b，对于待测试件，采用相同实验方案、实验参数、数据处理参数和数据处理步骤得到特征时间t₁，由线性关系式和t₁计算得到第二层介质厚度。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。