专利名称：太阳能热激励红外热波成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有热激励的红外热波成像无损检测系统，采用太阳能作为热激励源，特别适合于户外物体的热波无损检测。属于红外无损检测的技术领域。
背景技术：
具有热激励的红外热波成像技术是于近年来发展迅速的一种新型无损检测方法，其特点是可以远距离非接触、大面积快速检测，因而特别适合于在线、在役检测，对于及时发现各种材料内部隐患，减少或避免重大事故的发生，具有重要的应用价值。热波成像无损检测基本原理是采用热激励源投射到被测物体上，对被检测区域进行加热，使其温度明显高于环境温度，这个温度差会引起热传导，使热能从表面向物体内部传导。如果物体内部的热学特性具有非均匀性，比如断裂或空隙等缺陷，将会影响到热流道传播，则被测物体的表面温度分布便会受到相应的影响。利用红外摄像仪接收来自被加热区域的热辐射，通过分析被测物体红外图像随时间的变化可以得知被测物体的内部结构及缺陷。热激励红外热波成像技术已被有效地运用在各种材料的无损检测中。相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，热激励红外热波成像技术具有独特的优势。而且这个技术尤其对复合材料的检测十分有效。复合材料的运用已成为现代航空航天领域装备先进性的重要标志之一。随着各种特殊金属材料和复合材料在机身、机翼、涡轮叶片、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及机身结构等部位的应用，对无损检测的要求逐步增加。同样在新能源领域的复合材料应用也在快速成长，如风力发电机的叶片目前主要都是由玻璃纤维填充树脂材料制成的。通常复合材料是采用多层纤维胶合的方式或蜂窝夹层结构，具有高强度和重量轻的优点。由于在制造和使用的过程中经常会产生内部缺陷，如分层、脱粘、裂缝等，大大影响了材料的强度和使用寿命。对复合材料的无损检测虽然可以采用传统的超声探伤技术，但该技术要求探头接触被测物体，逐点扫描，费时费力。对于结构复杂的材料，如蜂窝状板材，超声波技术的检测则是十分困难。很多无损检测的需求是在户外，如风力发电机的叶片，雷达罩，建筑物，甚全包括飞行器等。这些物体都十分庞大，对于热激励红外热波成像技术来说，为了到达较高的检测速度，需要使用很大的热激励功率。以风力发电机叶片为例，其面积很大，长度可达五、六十米，宽度可在两米以上。而且叶片材料是约二、三十毫米厚的玻璃纤维复合材料，导热率很低，热波成像的时候热激励与图像采集周期很长，为了达到一定检测速度，系统必须能进行大面积成像，因此热激励功率至少在数千瓦甚至数万瓦以上，而且这些热激励源应当是可以被投射到较远的距离。虽然激光器是最理想的选择，因为它特别适合于进行远距离加热。但是即使是千瓦级的大功率激光器的价格也十分昂贵，而且精密的光学系统不能承受颠簸，对环境温度要求高，同时其耗电量大，需要大量冷却水，不适合在野外作业，这些问题严重限制了它在户外的实际应用。
发明内容
本发明的目的就是针对上述热波无损检测技术的不足，提供一种适合于户外应用的热波成像无损检测系统。它采用聚焦太阳能的技术，有效地解决了现有技术中大功率热激励源不足的问题。其系统具有功率大，性能稳定，成本低廉，易于运输等优点，特别适合野外作业。按照本发明提供的技术方案，其系统包括红外热成像仪，数据采集及控制系统，热激励源。所述红外摄像仪用于采集被测物体的热波图像，其检测的敏感波段通常在2-12微米范围；所述数据采集及控制系统用于对热波图像进行处理，并控制整个系统的运行；所述热激励源由多个大面积的反射镜组成，用于将太阳光聚焦并投射到被测物体表面。虽然反射镜可以采用能聚焦的弧面形状，但这样对被测物体的距离有限制，要求在焦距附近。这限制了很多应用场合，所以平面镜是更佳的选择。每个反射镜都有独立的机械调节系统控制镜面的角度，形成一个阵列反射镜系统，使得太阳的能量能够聚集到一起，大幅增加单位面积的加热能量。地球表面的太阳能每平方米大概在1000瓦左右，如果采用I平方米面积的镜子组成一个4x4的阵列，则会聚起来的能量可以达到16000瓦左右。并且太阳光基本是准直的，只要镜面平整，反射光可以投射到很远的地方。另外相对于激光器只有单一的波长，太阳光具有宽带光谱，从紫外到红外，因而对各种光学特性的被测物体都可以有较好的吸收。对些应用场合需要比较长的加热时间，所述太阳能热激励系统具有自动跟踪太阳位置的功能，以保持太阳光一直照射在被测物体的固定部位上。自动跟踪系统可以在每个反射镜支架上安装一个二维调整装置，即在两个方向可以偏转。这种安排的优点是所有反射镜的调整系统都是统一的设计，每个调节系统只需转动一面反射镜，负荷低，易于控制。另外一种方法是在每个反射镜支架上安装一个一维调整装置，用于调整光斑重叠的距离，即焦点的位置。整个反射镜阵列作为一个整体进行太阳的跟踪。这个整体的调节需要是在两个方向的。这样设计的优点在于在跟踪太阳时，只有一个调整机构需要控制，光斑重合性不变，当然所需调整的负载要大很多。当然太阳的移动很慢，需要的驱动功率不必很高。
图1为传统的热激励红外热波成像无损检测系统示意图，采用激光作为热激励源。图2为本发明的热波成像无损检测系统示意图，采用太阳能热激励方式。图3为一种用于聚焦太阳能的阵列式平面反射镜组合的示例。图4为本发明一种实施方式示意图，反射镜矩阵的每个反射镜具有独立的二维调节机构。图5为本发明一种实施方式示意图，反射镜矩阵可以二维调节，每个反射镜具有独立的一维调节机构。图6为本发明一种实施方式示意图，具有自动跟踪太阳位置的功能。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1所示的是一个常规的热激励红外热波成像无损检测系统，激励源44发射的光束对被测物体43的待测部位42进行加热并由此产生热传导，所述待测部位42的表面辐射红外波能量被红外摄像仪45所接收，所产生的图像被送到数据采集控制单元46进行处理及存储。图2所示的是本发明提出的采用聚焦太阳能作为热激励源的外热波成像无损检测系统。聚光系统48将太阳能聚焦并反射到被测物体43的待测部位42，所述聚光系统48具有二维调节机构46，用于跟踪锁定太阳的位置，以保持太阳能的光斑一直稳定地照射在被检测部位42。由于反射镜的面积很大，所以可以采用组合平面镜的办法来实现。图3所示的是一个3x3阵列的平面镜49组合，其焦斑的尺寸为单个平面镜49的面积，光照强度是所有平面镜反射光的叠加，即9倍的太阳光辐照及接近10000瓦的热激励功率。根据被测物体的距离，所述平面镜阵列具备有改变聚焦点的能力，同时还行跟踪太阳的功能，因此每个独立的平面镜需要有二维调整的机构。图4所示的是一种实现平面镜二维调整的实施例。本发明的太阳能聚焦系统包括多个平面反射镜49，每个所述反射镜49安装在一个一维俯仰角可调的支架51上，全部俯仰角可调支架51被安置在支撑台52上并形成整齐阵列，反射镜之间留有少许空隙以便于镜面的旋转。所述俯仰角可调支架51的俯仰调节方向是正对着反射镜阵列的中心54。所述支撑台52连接在一个二维可调支撑机构50上。每个独立的反射镜49的偏转角度决定于该反射镜和整个阵列中心的距离和阵列中心到被加热区域的距离。整个阵列形成聚焦效应，在焦点的部位焦斑的大小决定于单个反射镜的尺寸，而光的强度决定于反射镜的数量。以图4为例，如果每个反射镜的尺寸为I平方米，则在被测物体上将形成一个I平方米大小，光功率在9000多瓦左右的光斑。上述实施例的优点在于对物体的聚焦和跟踪太阳的功能分别调整，焦斑的光强稳定。但是在反射镜数量大时，二维可调支撑机构50的负荷会很大。为此，图5展示另一种实现平面镜二维调整的实施例。每个独立的反射镜49都安装在二维可调支撑机构55上，全部二维可调支撑机构55安置在支撑基板52上并形成整齐阵列。每个反射镜49的角度调节需要同时满足聚焦被测物体和跟踪太阳的要求。其优点在于每个二维可调支撑机构55只承担一个反射镜的偏转，负荷低，而且所有反射镜的二维可调支撑机构55都完全相同，有利于生产安装。太阳跟踪技术目前发展的十分成熟，有很多方式可以采用。图6所示的是采用可见光摄像机58的辅助跟踪系统。所述可见光摄像机58不断地采集被测物体43和太阳能聚焦的光斑42的图像，比较光斑相对于被测物体的移动，计算出偏移量再通过控制二维可调支撑机构50纠正光斑位置的偏差。
权利要求
1.一种红外热波成像无损检测系统，包括红外摄像仪(45)，热激励源，及数据采集控制单元(46)，其特征是:所述热激励源采用聚焦太阳能。
2.根据权利要求1所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是:所述聚焦太阳能热激励源(48)具有自动跟踪太阳移动的功能，使得所述聚焦太阳能热激励源(48)的焦点在被测物体上不因太阳移动而发生偏移。
3.根据权利要求1所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是:所述聚焦太阳能热激励源(48)包括至少可以在一维方向进行调节的基座(50)，所述基座(50)上设有支撑台(52)，所述支撑台(52)上设有多个反射镜(49);每个所述反射镜(49)具有独立的至少可以在一维方向俯仰调节的机构(51)。
4.根据权利要求3所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是:所述反射镜(49)为凹面镜。
5.根据权利要求3所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是:所述反射镜(49)为平面镜。
6.根据权利要求2所述的红外热波成像无损检测系统，其特征是:所述聚焦太阳能热激励源(48)自动跟踪系统进一步包括可见光摄像机(58)。
7.一种太阳能热激励红外热波成像无损检测方法，包括如下步骤: a.设置太阳能聚焦系统(48)，使得每个平面反射镜(49)的反射光都聚焦在在被测物体的上的待测位置； b.数据采集控制单元(46)通过可见光摄像机(58)的图像，分析所述太阳能的焦点位置相对于待测物体的位移； c.通过调节所述聚焦太阳能热激励源(48)的偏转方向，使得所述太阳能的焦点在所述被测物体上的位置保持不变； d.数据采集控制单元(46)采集红外热波图像并进行处理及储存。
全文摘要
本发明涉及一种采用太阳能进行热激励的红外热波成像在线无损检测系统，用于解决户外热激励功率不足的问题。系统包括红外热成像仪，太阳能聚焦系统，控制系统及数据处理器。具有自动跟踪太阳移动的功能，特别适用于检户外大型物体的内部缺陷及结构的红外热波无损检测。
文档编号G01N21/88GK103175846SQ20131008659
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者陈力 申请人:南京诺威尔光电系统有限公司