一种基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法与流程

本发明属于成像检测技术领域，具体涉及一种基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法。

背景技术：

随着国民经济的飞速发展，工业领域中不断涌现一系列新材料，新材料的高质量保证对整个工业的发展起到至关重要的作用。复合材料在加工工艺过程及后续使用过程易产生脱粘、气孔、鼓包等缺陷，金属材料易产生表面裂纹、内部气孔及内部应力等，这些缺陷严重威胁最终产品的使用性能。由于新材料与传统材料的加工工艺不同，所以一些传统成熟的加工工艺已经不适用于新材料的生产，所以必须在其非连续加工与连续加工的原材料、半成品、成品及产品构件提供工序质量控制，以此防止不符合质量要求的产品流入市场，避免徒劳无功所导致的工时、人力、原材料以及能源的浪费。在以上工艺质量控制过程中，无损检测技术的应用显得尤为重要。但传统的无损检测技术，譬如超声、射线、涡流等手段存在对表层及浅表层缺陷不敏感等劣势，同时在不损坏材料的前提下无法对缺陷几何结构实现三维重构。主动式红外热波无损检测技术是一种新兴的无损检测技术，其具有非接触、直观、探测面积大及高效率等优点。主动式红外热波无损检测技术特别适用于各种材料的表层及浅表层缺陷，可以实现对材料缺陷的高信噪比检出。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的传统无损检测方法对材料表层及浅表层缺陷检测不敏感及无法形成材料缺陷的三维几何形貌的难题，提供一种基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法。

脉冲激励的动态热层析成像检测方法，基于光热辐射测量原理，这种方法利用傅里叶定律中热扩散过程中热扩散深度与扩散时间的相关性进行试验样件缺陷的检测及缺陷三维的几何形貌重构。其具体的实施过程为，首先采用计算机控制数据采集模块（具有函数发生功能）产生脉冲信号，脉冲信号控制氙灯电源，使其产生短时高强度电流，进而控制氙灯闪光，光照射到试验样件后由于存在光热效应，试验样件出现温度涨落与红外辐射。试验样件受到氙灯照射后迅速升温，继而降温，其中升温时间较降温时间短，因此相比较而言，降温过程包含大量的与材料几何结构参数及光热物理参数相关联的特征。材料辐射出的信号被红外热像仪接收，进而通过信号处理算法提取试验样件光热特性达到对试验样件缺陷的判定。其中本发明中所采用的信号处理方法为多种特征提取算法（脉冲相位法、主成分分析法及多项式拟合系数法），通过提取的特征图像对试验样件缺陷进行检测。后续提取与热扩散时间相关联的特征图像序列进行层析成像，进而形成缺陷的三维几何形貌重构。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统，所述系统包括三维移动台、第一氙灯、第一氙灯电源线、红外热像仪、以太网线、计算机、usb数据线、数据采集卡、bnc触发信号线、垂直升降台、第二氙灯电源线、bnc数据线、氙灯电源、第二氙灯；

所述红外热像仪信号输出端通过以太网线与计算机信号输入端相连接，所述计算机信号输出端通过usb数据线与数据采集卡信号输入端相连接，所述数据采集卡信号输出端一通过bnc触发信号线与红外热像仪信号输入端相连接，数据采集卡信号输出端二通过bnc数据线与氙灯电源相连接，所述氙灯电源通过第一氙灯电源线与第一氙灯相连接，氙灯电源通过第二氙灯电源线与第二氙灯相连接，所述红外热像仪放置在垂直升降台上，所述三维移动台用于承载试验样件。

一种利用上述系统实现基于脉冲激励的动态热层析成像检测的方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：确定要测量的试验样件，将其放置在三维移动台上；

步骤二：开启基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统，此步骤包括计算机、数据采集卡、氙灯电源及红外热像仪设备的开启；

步骤三：对红外热像仪进行非均匀性较正，进而通过计算机控制软件辅助红外热像仪调整成像检测视野，通过调节三维移动台使图像成像清晰；

步骤四：计算机控制数据采集卡进而控制氙灯电源，进而控制第一氙灯及第二氙灯光强，调整第一氙灯及第二氙灯位置，使二者能均匀地照射试验样件；

步骤五：计算机控制软件信号通过数据采集卡输出，控制氙灯电源触发第一氙灯及第二氙灯发光，同时此控制信号通过bnc触发信号线控制红外热像仪进行实时图像数据采集；

步骤六：计算机通过以太网线对红外热像仪采集的图像序列进行记录，并通过计算机控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行缺陷识别与判定；通过提取的与热扩散深度相关联的特征图像序列进行缺陷的三维几何重构。

本发明中，测试材料针对各种材料表层及浅表层缺陷；

本发明中，氙灯电源功率选择依据材料缺陷信息而定。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）本发明采用基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统，可以实现复合材料、金属材料、无机非金属材料及合成材料的表层及浅表层缺陷完全无损伤、非接触、高效的检测，同时不受检测材料尺寸限制；

（2）本发明采用脉冲热源激励方式对试验样件进行主动式热激励加载，此种方式可较好地降低热流横向热扩散，进而提高缺陷检测的检测信噪比（可以较为容易的检测径深比≥2的缺陷）；

（3）本发明基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法采用氙灯作为光源可以保证能量的短时高功率（1/600s时间，短时峰值功率4000w）注入；

（4）本发明基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法可以实现材料缺陷的三维重构。

综上，本发明的基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统及方法适用于航空航天、微电子、核电等领域的复合材料、金属材料、无机非金属材料及合成材料表层及浅表层缺陷检测、定量评价与缺陷三维几何重构。

附图说明

图1为本发明基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统结构示意图；

图2为固体火箭发动机包覆层材料的试验样件光学图片；

图3为固体火箭发动机包覆层材料的脉冲相位法幅值图；

图4为固体火箭发动机包覆层材料的脉冲相位法相位图；

图5为固体火箭发动机包覆层材料的主成分分析结果图；

图6为cfrp材料三维层析检测结果的试验样件光学图片；

图7为cfrp材料三维层析检测结果的试验样件连续特征图像；

图8为cfrp材料三维层析检测结果的试验样件三维层析结果图；

图9为cfrp材料三维层析检测结果的试验样件缺陷位置剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统（如图1所示），所述系统包括三维移动台1、试验样件2、第一氙灯3、第一氙灯电源线4、红外热像仪5、以太网线6、计算机7、usb数据线8、数据采集卡（具有任意函数发生功能）9、bnc触发信号线10、垂直升降台11、第二氙灯电源线12、bnc数据线13、氙灯电源14、第二氙灯15；

所述红外热像仪5信号输出端通过以太网线6与计算机7信号输入端相连接，所述计算机7信号输出端通过usb数据线8与数据采集卡9信号输入端相连接，所述数据采集卡9信号输出端一通过bnc触发信号线10与红外热像仪5信号输入端相连接，数据采集卡9信号输出端二通过bnc数据线13与氙灯电源14相连接，所述氙灯电源14通过第一氙灯电源线4与第一氙灯3相连接，氙灯电源14通过第二氙灯电源线12与第二氙灯15相连接，所述红外热像仪5放置在垂直升降台11上，所述三维移动台1用于承载试验样件2。

具体实施方式二：一种利用具体实施方式一所述系统实现基于脉冲激励的动态热层析成像检测的方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：确定要测量的试验样件2，将其放置在三维移动台1上；

步骤二：开启基于脉冲激励的动态热层析成像检测系统，此步骤包括计算机7、数据采集卡9、氙灯电源14及红外热像仪5设备的开启；

步骤三：对红外热像仪5进行非均匀性较正，进而通过计算机7控制软件辅助红外热像仪5调整成像检测视野，通过调节三维移动台1使图像成像清晰；

步骤四：计算机7控制数据采集卡9进而控制氙灯电源14，进而控制第一氙灯3及第二氙灯15光强，调整第一氙灯3及第二氙灯15位置，使二者能均匀地照射试验样件2；

步骤五：计算机7控制软件信号通过数据采集卡9输出，控制氙灯电源14触发第一氙灯3及第二氙灯15发光，同时此控制信号通过bnc触发信号线10控制红外热像仪5进行实时图像数据采集；

步骤六：计算机7通过以太网线6对红外热像仪5采集的图像序列进行记录，并通过计算机7控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行缺陷识别与判定；通过提取的与热扩散深度相关联的特征图像序列进行缺陷的三维几何重构；至此，完成了对试验样件2的动态热层析热波成像检测。

本发明具体实施方式中试验样件以包覆层材料（图2）及cfrp材料（图6）为例，其中图3，图4，图5为包覆层材料检测效果图，图7为cfrp材料特征图，图8为cfrp材料三维重构图，图9为cfrp材料三维重构缺陷剖面图。由图3、图4，图5可以清晰的看出预制缺陷。图7给出的是对cfrp试件的连续特征图像，通过对连续特征图像进行三维重构可得到缺陷的三维重构图（如图8所示）。对图8中三个截线位置分别对h1~h3、h4~h6、h7~h9进行剖切，可获取图9所示剖面图。从图中可以明显的看出不同深度缺陷的深度差异。