一种扫描热激励红外成像检测系统及方法与流程

本发明涉及一种红外成像系统与方法，特别是采用扫描热激励源的方式产生热波，属红外无损检测技术领域。

背景技术：

红外热波成像无损检测技术的基本原理是，首先采用热激励源对被测物体表面进行短周期加热，在被测物体的表面产生一个脉冲热流，即所谓热波，并向物体内部传播。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，热波的传播会受到扰动，部分热波会被反射回到物体的表面。利用红外热像仪连续采集来自被测物体表面的热辐射图像，通过分析这些图像随时间变化的特性，可以得到热波受物体内部缺陷反射的时间和强度，从而判断出这些缺陷的大小、深度及性质。

随着新材料、新能源、高速铁路、核工业及航空航天等工业的快速发展，对无损检测技术的要求日益增加。红外热波无损检测技术具有检测速度快、成像面积大、非接触及远距离探测等优点，因此应用广泛。例如可应用于对半导体材料，如太阳能电池、集成电路的封装、半导体光源的封装导热性能等的测试；金属及其他非透明薄膜及涂层的测量；飞机和航天器外壳的内部粘合状况及腐蚀程度、水下舰只的外壳、气体和液体的输送管线、火车轨道及轮盘、锅炉锅体、汽车外壳及漆层质量等进行评估，等等。

在采用红外热波成像技术进行检测时，根据样品的特性有两种热激励方式。对于比较薄的样品、特别是高导热率的材料，例如半导体晶片及太阳能硅片等，采用热激励时间很短的脉冲方式，否则热波的回波到达表面时热激励还没结束，影响检测效果。而对于导热率差且厚度很大的样品，热波的变化缓慢，通常采用连续的热激励源，如大功率红外灯，连续长时间加热，然后停止热激励后再进行图像采集。

为了实现高能量脉冲热激励，目前国际市场上的部分产品采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源，其脉冲宽度只有10毫秒左右，很适合用于产生短脉冲热激励。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如不能远距离作用，灯管的使用寿命有限，设备体积大等。在对脉冲宽度要求不是很高的情况下，另一种有效的方法是采用高功率连续辐射源，如金属卤素灯。这种热激励源价格低、重量轻、热效率高。但为了在短时间产生较大强度的热激励，要求有很高的功率，例如达到数千瓦，这对供电线路的负载能力有一定的要求，特别是在希望采用电池供电的情况下，这带来了很大困难。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对目前红外热波成像无损检测技术中热激励源的不足，提出一种新的采取扫描形式的热激励装置。其基本原理是采用线状热激励源对试件表面进行扫描，在这种情况下试件表面在某一时刻只有一个局部被加热，因此热激励源的功率大幅下降。通过改变扫描速度达到改变试件表面受热激励时间长短的目的，由于扫描整个试件表面使得总的热激励时间得到延长，这样总的热激励能量可以达到很高。

采用扫描的方式进行热激励，由于试件表面各点的热激励时间不同，因此需要对每行热波信号进行延时校正，使得图像上面所有点都具有相同的热激励时刻。

附图说明

图1为红外热波成像原理示意图；

图2为本发明的一种实施方式；

图3为本发明的另一种实施方式；

图4为本发明的又一种实施方式；

图5为几种热激励源的形式；

图6为扫描热激励延时校正示意图。

具体实施方式

为了使本发明的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施例与附图对本发明做进一步的说明。

图1所示的是热波红外成像无损检测的基本原理，光辐射源10对样品表面11进行短脉冲加热，产生脉冲热波12向样品内部传播，当遇到内部缺陷12时，将有一部分热波能量14被反射到样品表面，反射回来的时间、信号强度等和缺陷深度及性状相关。红外热像仪15用于采集试件表面温度分布的变化，通过对这些连续采集的热波图像进行分析，便可以得知界试件内部缺陷的状况。热波信号的传播速度在不同的材料中是不一样的，比如塑料等隔热材料中的传播速度要远远低于金属等高导热材料。并且由于热波传播的扩散性，传播所需时间和传播距离成平方关系。因此如果缺陷比较深，或者材料中的热波传播速度比较低，可以采用较长的热激励周期。但对于比较浅的缺陷，或者材料为高导热的金属，热激励的周期就必须很短，否则热波反射到表面时热激励还没完成，将影响到热波信号的检测。

从上述可知，红外热波无损检测设备的一个重要条件就是能在试件表面产生一个短周期的热脉冲，这需要采用很高功率的热激励源。特别适用的一种热激励源是大功率闪光灯，它可以在几十毫秒的时间里释放上万焦耳的能量。但闪光灯的电源体积和重量都较大，不便携带，因此更方便适用的是红外线卤素灯，对于一些不需要很短脉冲热激励的样品十分合适。但为了脉冲热激励周期不至于过长，灯管的功率要求很高，通常在数千甚至上万瓦以上。这一方面会增加设备的体积，还会对使用环境的电源线路带来较大负担。特别是在希望采用移动电源的情况下，如此大的功率及电流都会使得电源的体积与重量变得过于庞大。

为此一种有效的方法就是采用扫描热激励的方式，其基本原理是采用某种形状的热激励源对试件表面进行扫描，此时试件表面在任一时刻只有一个局部被加热，因此在保持热激励强度不变的情况下，对热激励源的功率需求大幅下降。热激励的周期决定于扫描速度，因此可以利用改变扫描速度来实现试件表面每点受热激励时间的长短。由于扫描完整个试件表面需要更多的时间，即总的热激励时间得到延长，这样总的热激励能量可以达到很高。例如如果试件表面有1平方米的面积，如果采用全部面积同时热激励的方式，功率1万瓦的辐射源加热1秒钟，即辐射了1万焦耳的能量。如果采用扫描的方法，假设采用加热面积为0.1平方米的热激励源，要达到同样强度与周期的热激励，可采用0.1平方米/秒的扫描速度，共扫描10秒钟。这样试件表面各点的热激励周期仍为1秒钟，但热激励的功率下降了10倍，只需1千瓦，总的热激励的能量维持不变，仍在1万焦耳。由于通常在热激励后的图像采集需要数秒乃至数百秒的时间，所以只要在扫描的同时对图像进行同步处理，这样扫描时间的延长对总的测试时间影响不大。而热激励源的功率大幅下降使得设备的体积、重量与成本都大幅降低。

图2所示的是本发明的一种实施方式，系统包括图像采集处理单元20，旋转台驱动21，旋转台22，热激励源23及红外热像仪15。热激励源23为一种可以投射较远距离的辐射源，如带聚焦反射镜的卤素灯等。热激励源23固定在旋转台22上，由旋转台驱动21控制对试件11的表面进行扫描。同时红外热像仪15采集试件表面的热波图像，并将数据送到图像采集处理单元20，通过对图像进行处理便可以分析出试件11内部缺陷的信息。图3所示的是另一种变通的实施方式，区别在于热激励源23采取固定方式，由一个安置在旋转台22上的反射镜25进行扫描，这样旋转台的负担大幅降低，可以变得更加轻巧，例如可以采用普通振镜带动反射镜来实现。

通常热激励源23在扫描结束后自身温度很高，因此在扫描结束时反射镜25可以转动一个较大角度，将热激励源23的自身热辐射挡住，以避免被试件11的表面反射到热像仪15中，干扰红外图像的采集。

在上述实施方式中的热激励源23通常比较难于提供高质量的聚焦光斑，也就是大部分的热激励源方式都不适合远距离投射，因此可采取图4所示的一种实施方式。这里的区别在于采用了直线运动的扫描平台32，在其上安置了线形的热激励源23，该热激励源相对贴近试件11的表面，在扫描平台驱动31的控制下对试件11进行扫描，同时红外热像仪15采集试件表面的热波信号并送到图像采集处理单元20。

通常热激励源23在扫描结束后本身依然处于较高温度，其热辐射会通过试件11表面的反射影响到热波图像的采集。因此可以采用隔热板33挡住热激励源23自身的热辐射。隔热板33可以是固定的，也可以采用活动形式，在扫描结束时切入。

由于热激励源23与试件11的距离较近，因此热激励源的能量向四周的扩散有限，这样可以采用多种形式的热激励源。一些典型示例如图5所示，（a）图是采用红外灯管42，并加有柱面反射镜41将部分能量反射到试件表面。这种热激励源简单方便，功率大，加热均匀。红外灯管42有金属卤素灯、碳纤维灯等，辐射波长范围从近红外到远红外，可以根据试件表面条件进行选择。（b）图所示的是热风形式，该装置包括电加热管45和轴流风扇44。热风激励特别适合于表面对光吸收弱的试件，如涂了白色漆的表面，对光辐射吸收小。而热风与试件表面为接触热传导，可以比较有效的对其进行加热。（c）图所示的为电磁热激励方式，条形线圈47在通过大的高频电流后产生交变电磁场48，当导磁材料贴近时便可在该材料中产生涡流并发热，籍此可以对试件中的缺陷进行检测。当然热激励源23还不限于以上几种，其实可以包括各种能被试件吸收并产生热的能量形式，如电磁辐射、粒子辐射、超声波、热气流、交流磁场，等等。

采用扫描的方式进行热激励时，在扫描刚结束的区域应当立刻采集热波信号，这样可以及时捕捉热波信号刚开始下降时的变化，因为初期时的信息很重要。由于试件表面各点的热激励时间不同，因此需要对每行热波信号进行延时校正，使得最终图像上面所有点都具有相同的热激励时间。为了帮助理解延时校正的方法，可以参见图6（a），热像仪的视场62通过红外透镜61成像在热像仪的芯片60上，热激励区63在由下而上扫描，视场62中的三条线形区域1’、2’及3’成像在热像仪芯片60的像素行1、2及3上。由于热激励区63在扫描，线形区域1’、2’及3’受热激励的时间不一样，线形区域1’最早，线形区域3’最晚，如果同时对三个相邻像素行1，2及3的信号进行采集，则像素行3的信号最强，像素行1最弱，这是因为在扫描过后试件表面的温度在快速下降。如果连续采集三帧图像，并将每帧图像中的三个像素行的信号排列起来，得到图6（b）的曲线，圆圈代表像素行3的信号，在每帧图像中都是最强的，方块为像素行1的信号，在每帧图像中则都是最弱的。如果不进行延时校正，图像从上到下看起来是从明到暗。如果试件在线形区域1’、2’及3’的性质完全相同，那么三个像素行1，2及3的信号随时间变化曲线都完全相同，因此可以通过对各个像素行在三帧图像中的信号用同一个公式进行拟合，通过这个拟合曲线64便可以计算出任意时刻的信号值，从而得到具有同一延迟时刻的热波图像。在拟合过程中为了提高精度，需要知道每个像素值距热激励的时间延时，这个可以根据热激励源扫描速度及其在热像仪芯片上的投影来获得。

以上所述都是基于采用所谓凝视型热像仪，即热像仪芯片上的所有像素点同时积分热波信号。也有很多热像仪采用的是逐行扫描方式进行成像的，这样会引入另外一个由热像仪芯片逐行扫描所引起的延时。但是采取类似上述的手段，将这个延时叠加到由热激励源扫描所引起的延时上，同样可以进行延时校准。

以上所述的实施示例都是以试件固定，热激励源扫描的方式。但等效的方法也可以是热激励源固定，试件进行扫描，其基本原理和结果都是等同的。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性，在权利要求书的范围中对其进行修改、变化及等效，都将落于本发明的保护范围。