一种热栅格扫描热成像无损检测方法与流程

本发明属于红外无损检测技术领域，具体涉及一种适用于薄膜的热栅格扫描热成像无损检测方法。

背景技术：

薄膜结构在工业、科研、生活等各方面有广泛应用，是一种十分重要的基本结构。半导体行业，比如芯片中含有大量的膜结构；显示屏主要是薄膜结构，当今快速发展的柔性电子概念，也主要由柔性薄膜组成；航空发动机、燃气轮机高温叶片等关键部件都由热障涂层进行热防护，此外还有各种环境障碍涂层等都是典型的薄膜结构。生活中空气净化，水净化等都由有各种渗透膜结构，此外家具的油漆，以及建筑的墙皮等都是典型的薄膜结构。

在影响材料和构件质量及安全性的诸多因素中，表面裂纹的危害性极大，而隐藏在材料内部的近表面裂纹往往又是致命裂纹的起点，具有极大的危险性和隐蔽性。在不损伤材料的前提下，常规的无损检测方法一般只能检测水平方向上的裂纹(如脱粘)，而对检测竖直方向上的裂纹(如开裂)则无能为力。而且，热波检测中，探测深度与波长相关，要想探测更小的缺陷，就要提高探测频率，这对于大多数红外热像仪来说，超出了其有效采样频率。因此如何检测深度极浅的近表面裂纹一直是各领域共同关注的重要问题。

目前的常规无损检测方法主要有电涡流、超声波、X射线等方法。但由于各种膜结构材料性质，应用环境的差异，导致这些方法在技术上有很多限制，普遍存在技术通用性差，精度低，对设备要求高等特点。电涡流检测，灵敏度高，但是只能用于检测导电基体上的薄膜，而且需要长时间逐点扫描，效率低，应用范围有限。超声波方法通用性强，但是检测薄膜材料时精度低，仍然需要逐点扫描，效率低。X射线方法检测精度高，但设备庞大，通用性极差。相比其他检测方法，热波检测方法具有通用性强的特点。热波可以在各种材料中传播，热波遇缺陷和界面后，会在缺陷或者界面处反射，最终对入射面的热信号形成影响，通过热像仪检出。通过分析热像仪的拾取信号，最终分析出缺陷的存在和位置，这是热波检测的基本原理。在各种检测方法中，红外热波检测方法具有的诸多优点，使其在薄膜裂纹检测中可以发挥重要作用。

常用的热波检测方法中，产生热源的方法可以分为面热源，线热源、和点热源。面热源通过加热灯对整个薄膜加热，控制光源的亮暗可以在表面形成均匀热波，热波垂直薄膜表面向内传播。线热源，主要通过激光在薄膜表面形成一束光斑，光斑在表面移动，形成一个水平移动的热波，通过热像仪检测延迟信号，来进行厚度测量。点热源方法也类似。目前已有的热波检测方法，大多要求热像仪采样频率较高，以实现对时间信号的精确区分。面热源方法面临同样的对热像仪性能的严格要求。而点热源方法单次探测面积小，检测耗时长。激光线扫描方法虽然对热像仪要求相对较低，但对信号的灵敏度反而提出了更高要求。虽然可以通过提高激光功率的办法增强信号，但是高功率的激光有可能造成表面损伤，在很多材料上不能应用。以上方法共同面临的技术问题是，当薄膜厚度很薄时，对热像仪采样频率或者信号灵敏度有极高的要求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种热栅格扫描热成像无损检测方法及其应用，克服现有热波检测方法对热像仪的采样频率或信号灵敏度有极高的要求的缺陷及对于竖直方向裂纹无法有效检测的难题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种热栅格扫描热成像无损检测方法，，通过热像仪记录栅格热源在薄膜表面形成的稳态热波的温度信号，对薄膜内部的水平和竖直方向的裂纹进行检测；

该方法具体包括以下步骤：

步骤一：采用栅格热源在薄膜表面形成均匀栅格分布的热源,在试件表面形成均匀强度正弦栅格分布的热源：A*Sin(W*x+U*t+ψ),其中，A为热源的幅值，W是空间频率，U是时间频率，x是试件表面移动方向的坐标，t为时间，ψ为相位，此为热波输入信号；

步骤二：固定热像仪，使栅格热波平行薄膜表面匀速移动，用热像仪记录试件表面温度信号，通过热像仪信号重新识别出试件表面各点的温度信号，并通过数据拟合出各点的热波信号A0*Sin(w0*x+u0*t)+ψ0，主要获取热波幅值A0，和相位ψ0，此热波为输出信号；

步骤三：通过使用MATLAB数据处理程序分析温度信号，拟合出试件表面各点温度信号的幅值和相位；

步骤四：画出检测结果的相位图和幅值图，通过对比表面热波信号的幅值和相位，寻找幅值或相位产生突变处，即可检测出裂纹所在位置。

针对输出信号A0*Sin(w0*x+u0*t)+ψ0中的四个参数A0、w0、u0和ψ0，所述的MATLAB数据处理程序是基于四参数拟合法，其中，初相位的确定方法为：先随意取一个较小的值，然后将拟合的结果再带入作为初值，结果收敛，说明初相位对拟合结果的影响较小，由于热传导达到稳态后，直流分量影响极小，因此可以取一个比较小的值(0～1)作为初值，得到相位初值后，根据正弦函数的特点，即可得到其他所需参数值。

所述的步骤四中，在对由红外热像仪所拍摄的温度分布图处理后，得到能反映裂纹信息的相位图和幅值图。

所述栅格热源包括采用激光光源形成均匀的多条纹光栅、采用平行电热丝平铺后形成平行热栅格、通过投影仪投影成稳定光栅或在均匀热盘表面布置平行分布的冷却管道。

本发明还提供了热栅格扫描热成像无损检测方法用于薄膜材料厚度检测。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(I)本发明的检测方法，降低了对热像仪采样频率和信号灵敏度的要求，采用栅格热源，即在薄膜表面制造均匀的条形分布的热源，形成一个稳定的空间热源。随着栅格热源的移动，在薄膜表面形成一个均匀分布的空间热波。对薄膜上任一点都形成了一个稳定的热波，表面各点间的热波只在热栅格移动方向上存在相位差。当热波遇到裂纹时会被反射，再传到表面，被热像仪拾取。这种表面条纹分布的热波的传播深度受热波表面波长(即热栅格周期)调制，表面波长越短，则热波传播深度越浅。因此改变表面波长，即可测出裂纹深度。通过处理反射波与入射波的关涉图像，还可以分析出薄膜的厚度。此方法的最大优点是，采用空间分布的稳态热波对薄膜裂纹进行检测，而不是采用热波瞬态响应信号，因此对热像仪的采样频率要求较低，对信号灵敏度要求也较低。

(II))栅格热波的探测深度由两个因素决定，表面波长与栅格在表面上的移动速度决定，表面波长越短，探测深度越浅。栅格移动速度越快，探测深度越浅。

(III)采用表面热波信号的相位进行裂纹深度检测，优点是受薄膜表面的各种缺陷干扰少，比如表面颜色、表面元素分布等。

(IV)采用表面热波幅值进行检测，优点是对热像仪信号的灵敏度要求低，尤其适用于对可以承受高温的薄膜。对可以承受高温的薄膜，比如陶瓷薄膜，可以简单的提高热源功率，采用普通灵敏度的热像仪即可实现高灵敏度检测。

附图说明

图1是热栅格扫描热成像无损检测方法实验系统图

图2是热栅格扫描热成像无损检测方法与红外锁相法探测深度对比图

图3是热栅格扫描热成像无损检测方法检测陶瓷薄膜内部竖直裂纹实验的结果图。

图4是数值模拟热栅格扫描热成像无损检测方法检测薄膜内部水平方向裂纹的温度分布云图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

所述的热栅格扫描热成像无损检测方法适用于陶瓷薄膜、建筑涂层损伤检测的应用，但不局限于此类。

参照图1所述，一个典型的热栅格扫描热成像无损检测方法实验系统，主要组成部分有热激励系统、红外热像仪、数据处理系统；

参照图2所述，热栅格扫描热成像法探测深度小于红外锁相法，且在有效探测深度内，新方法的相位差更大，检测效果更优；

参照图3所述，由实验验证了热栅格扫描热成像法对陶瓷薄膜内部竖直裂纹的有效检测；

参照图4所述，数值模拟热栅格扫描热成像无损检测方法检测薄膜内部水平方向裂纹的温度分布云图。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种热栅格扫描热成像无损检测方法，本检测方法步骤如下：

实施例1可以检测陶瓷薄膜中的竖直方向裂纹。

探测频率0.02Hz，热栅格波长40cm，试件尺寸为40cm×4cm×1cm，表面用APS喷涂氧化钇稳定氧化锆(8wt.％YSZ)制备TBC涂层，厚度为200μm。

为了方便理解发明的实施，下面对本发明的实施给出具体应用说明。

(1)通过电脑软件生成移动光栅图像，采用投影仪向薄膜表面投影，为了增强热波信号，最好采用传统的热光源投影仪，而不是LED光源的投影。

(2)通过热像仪记录薄膜表面温度信号。在热波的一个时间周期内，每1/4周期采集一张热波图像，共记录四个时间点的热波信号图像。

(3)对热波图像的任一点的温度信号拟合A0*Sin(w0*x+u0*t+ψ0)，得到A0和ψ0。

(4)生成一副由A0构成的图像，并通过观察是否有突变来确定是否存在裂纹。

实施例2：

遵从上述技术方案，采用MATLAB进行数值模拟分析，本实施例给出一种热栅格扫描热成像无损检测方法，本检测方法步骤如下：

实施例2可以检测陶瓷薄膜中的水平方向裂纹。

探测频率0.02Hz，热栅格波长40cm，试件尺寸为1cm×0.3cm×0.1cm，材料为405不锈钢，水平裂纹长度0.06cm，深度0.02cm。

为了方便理解发明的实施，下面对本专利的实施给出具体应用说明。

(1)热源加载形式为100*sin(0.02π*t+0.5*x)，起始温度为0，边界条件为除加热面外其他各面均为绝热边界条件；

(2)自行编写热传导计算程序，得到试件表面各点温度随时间变化规律；

(3)将试件表面任一点的温度信号拟合为A0*Sin(w0*x+u0*t)+ψ0的形式，并得到A0和ψ0；

(4)生成一副由A0或ψ0构成的图像，并通过观察是否有突变来确定是否存在裂纹。