專利名稱：基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用主動式紅外熱波檢測手段來實現(xiàn)材料或構(gòu)件內(nèi)部缺陷及損傷的 無損檢測與分析方法，尤其涉及了一種基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測新方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)也不斷完善，已成為保證產(chǎn)品質(zhì) 量和設(shè)備運行安全的必要手段。目前代表性的無損檢測技術(shù)主要有射線檢測(RT)、超聲檢 測(UT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)和電磁檢測(ET)等。射線檢測(RT) —般適用于鑄 件、焊接件、非金屬制品及復(fù)合材料等，不受材料和幾何形狀的限制，射線檢測對氣孔、夾渣 及未焊透等體積型缺陷比較敏感。但射線檢測的設(shè)備投資較大，不易發(fā)現(xiàn)與射線垂直方向 上的裂紋，不便給出缺陷深度，同時安裝及安全方面有嚴(yán)格的要求，不適于現(xiàn)場原位檢測， 檢測周期長、效率低，且膠片照相法的膠片消耗大而使成本較高。超聲波檢測(UT)主要適 用于鍛件、焊接件、膠接接頭及非金屬材料構(gòu)件檢測。該方法對缺陷比較敏感，獲得結(jié)果速 度快、定位方便，但對于小而薄的復(fù)雜零件難以檢測，需要耦合劑進(jìn)行耦合，粗晶材料也會 加劇散射，形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行檢測，檢測速度慢，周期長。磁粉檢測(MT)主要適用于 具有鐵磁性材料表面和近表面缺陷的無損檢測，對于鐵磁性材料表面缺陷具有較高的靈敏 度，操作簡便，結(jié)果可靠，顯示也直觀，但檢測范圍只限于鐵磁性材料，定量測定缺陷相對較 困難，對于有色金屬、奧氏體不銹鋼、非金屬及非導(dǎo)磁性材料不能采用該技術(shù)進(jìn)行檢測。滲 透檢測(PT)是用于表面開口缺陷檢測，適用于各種非疏松材質(zhì)。滲透檢測的原理簡明易 懂，設(shè)備也比較簡單，操作相對簡便，靈敏度高，顯示缺陷直觀，但使用的試液易揮發(fā)，只能 檢測表面開口缺陷，不能檢測多孔性材料。電磁檢測(ET)只用于導(dǎo)電材料表面和近表面缺 陷檢測，對于零件幾何形狀突變引起的邊緣效應(yīng)敏感，容易給出虛假的顯示。
盡管目前存在了基本成熟的五大常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)無損檢測技術(shù)，這些方法各有所長，也 各有其局限性，主動式紅外熱波無損檢測技術(shù)仍以其獨特的優(yōu)點不斷得到重視。紅外熱波 無損檢測技術(shù)具有快速、非接觸、無須耦合、大面積及遠(yuǎn)距離檢測等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件損 傷或缺陷深度、各種涂層及夾層結(jié)構(gòu)蒙皮厚度測量和內(nèi)部材料與結(jié)構(gòu)特性識別，適用于檢 測金屬與非金屬材料，不受任何材料特性的限制。而紅外鎖相法熱波無損檢測技術(shù)能夠克 服加熱不均、探測深度淺等缺點，特別受到航天航空材料領(lǐng)域的青睞，因此，實現(xiàn)高效可靠 的紅外鎖相法熱波無損檢測具有重要的現(xiàn)實意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法， 應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，得到表面溫度或熱波信號特征信息，分析特征 信息與特征圖像實現(xiàn)缺陷的識別與探測，這是一種快速、大面積及準(zhǔn)確的紅外熱波無損檢 測新方法。
根據(jù)本發(fā)明，一種基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法，由焦平面紅 外熱像儀采集熱波信號圖像序列、正弦規(guī)律調(diào)制的鹵素光源激勵和熱波信號數(shù)字鎖相處理 與圖像分析三個步驟組成，將焦平面陣列式紅外熱像儀固定在三角架上，利用數(shù)據(jù)線與計 算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡連接，啟動基于圖像序列紅外鎖相處理軟件，通過該軟件完成紅外熱像 儀的初始化及圖像顯示，可通過調(diào)節(jié)角度、高度和移動三角架底座調(diào)整紅外熱像儀與樣件 的相對位置，手動調(diào)節(jié)紅外熱像儀的調(diào)焦鏡頭，保證樣件待檢測區(qū)域在屏幕上清晰可見。
將鹵素光源固定在專用支架上，鹵素光源應(yīng)與紅外熱像儀的鏡頭保持在同一個平 面內(nèi)，鹵素光源通過專用支架調(diào)整入射光線與樣件待檢區(qū)域表面外法線的夾角，一般應(yīng)盡 量保持二者重合，但最大夾角應(yīng)小于60°，保證入射光盡可能照射到樣件待檢區(qū)域內(nèi)。由電 源線與光源功率放大器輸出端相連，函數(shù)發(fā)生器的調(diào)制信號輸出端通過信號線與光源功率 放大器的弱信號輸入端相連，實現(xiàn)鹵素光源發(fā)出的光強(qiáng)按照正弦規(guī)律變化。
手動打開光源功率放大器的輸出開關(guān)，使鹵素光源的入射光強(qiáng)按正弦規(guī)律激勵到 樣件的待檢區(qū)域，產(chǎn)生激勵熱波，同時基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件的記錄模塊對樣 件表面產(chǎn)生的反射熱波或透射熱波進(jìn)行記錄，記錄至少一個周期，為了提高信噪比，應(yīng)記錄 2 3個周期，紅外熱像儀采樣頻率設(shè)置應(yīng)滿足乃奎斯特法則，即采樣頻率應(yīng)滿足調(diào)制頻率 2倍以上。將記錄后的文件存儲到計算機(jī)相應(yīng)目錄下，利用基于圖像序列的紅外鎖相處理軟 件的鎖相處理模塊進(jìn)行熱波信號處理，提取熱波信號特征信息，形成特征信息圖像，基于圖 像序列的紅外鎖相處理軟件的圖像處理與分析模塊對熱波特征信息圖像進(jìn)行處理與分析， 提取樣件內(nèi)部缺陷的特征參數(shù)，即缺陷形狀、尺寸及位置等，實現(xiàn)對樣件內(nèi)部缺陷及損傷的 快速、準(zhǔn)確的無損檢測。
根據(jù)本發(fā)明，該方法采用焦平面陣列式紅外熱像儀像素320XM0，全幅最大采樣 頻率為170Hz。
根據(jù)本發(fā)明，該方法采用CP62M光源作為鹵素光源，該光源在光譜波段3. 1 5. 6μπι范圍內(nèi)具有較好光譜能量分布和加熱響應(yīng)時間短的特點。在進(jìn)行無損檢測時，專用 支架用于固定鹵素光源，可實現(xiàn)入射光線角度調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明，該方法采用自行開發(fā)的基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件完成熱波 信號的采集、熱波信號處理及特征信息圖像處理與分析，實現(xiàn)樣件內(nèi)部缺陷的無損檢測。
本發(fā)明利用計算機(jī)軟件對紅外圖像序列進(jìn)行處理，實現(xiàn)了紅外鎖相法熱波無損檢 測，基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法是一種利用數(shù)字信號處理方法提取表 面熱波信號特征信息并進(jìn)行分析的方法，它結(jié)合了信息處理技術(shù)與計算機(jī)圖像處理技術(shù)的 長處，同時可拓寬低分辨率焦平面陣列式紅外熱像儀的應(yīng)用范圍。針對亞表面或內(nèi)部缺陷 及損傷，利用基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法，可同時得到的樣件表面熱 波信號多個特征信息，并進(jìn)行缺陷的識別和探測，實現(xiàn)對內(nèi)部缺陷及損傷的快速及準(zhǔn)確的 無損檢測。


圖1基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測示意圖2紅外熱像儀調(diào)整示意圖3光源調(diào)整示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法是利用計算機(jī)軟件 處理紅外圖像序列實現(xiàn)樣件內(nèi)部缺陷的紅外鎖相熱波無損檢測的。圖中焦平面陣列式紅外 熱像儀5固定在三角架16上，與計算機(jī)11的數(shù)據(jù)采集卡連接，利用基于圖像序列紅外鎖相 處理軟件12完成紅外熱像儀的初始化及圖像顯示。鹵素光源6固定在專用支架7上，保證 入射光盡可能照到樣件2表面，函數(shù)發(fā)生器14通過信號線15與光源功率放大器13相連， 控制鹵素光源6光強(qiáng)按照正弦規(guī)律變化。入射光照射到樣件2表面，產(chǎn)生激勵熱波4?；?于圖像序列的紅外鎖相處理軟件12記錄樣件2表面產(chǎn)生的反射熱波3或透射熱波1，并提 取熱波信號特征信息和形成特征圖像，圖像處理與分析模塊對熱波特征圖像進(jìn)行處理與分 析，提取樣件2內(nèi)部缺陷特征，實現(xiàn)對樣件2內(nèi)部缺陷及損傷的快速、準(zhǔn)確的無損檢測。
本發(fā)明的具體實施包括三個部分焦平面紅外熱像儀采集熱波信號圖像序列、正 弦規(guī)律調(diào)制鹵素光源激勵和熱波信號數(shù)字鎖相處理與特征圖像分析。
一、焦平面紅外熱像儀采集熱波信號圖像序列步驟
步驟1 將焦平面陣列式紅外熱像儀5固定在三角架16上，通過用數(shù)據(jù)線9與計 算機(jī)11上的數(shù)據(jù)采集卡連接；
步驟2 啟動基于圖像序列紅外鎖相處理軟件12，通過該軟件完成紅外熱像儀的 初始化及圖像顯示；
步驟3 通過調(diào)節(jié)角度、高度和移動三角架底座調(diào)整紅外熱像儀與樣件(2)的相對 位置(如圖2所示)，手動調(diào)節(jié)紅外熱像儀的調(diào)焦鏡頭，保證樣件2的待檢測區(qū)域在計算機(jī) 11的屏幕上清晰可見。
二、正弦規(guī)律調(diào)制鹵素光源激勵步驟
步驟1 將鹵素光源6固定在專用支架7上，鹵素光源6與焦平面紅外熱像儀5的 鏡頭保持在同一平面內(nèi)；
步驟2 鹵素光源6通過專用支架7調(diào)整入射光線與樣件2的待檢區(qū)域表面外法 線的夾角(如圖3所示)，一般應(yīng)盡量保持二者重合，但最大夾角應(yīng)小于60°，保證入射光 盡可能照射到樣件2的待檢區(qū)域內(nèi)；
步驟3 電源線8與光源功率放大器13的輸出端相連，函數(shù)發(fā)生器14的調(diào)制信號 輸出端通過信號線15與光源功率放大器13的弱信號輸入端相連，實現(xiàn)鹵素光源6發(fā)出的 光強(qiáng)按照正弦規(guī)律變化。
三、熱波信號數(shù)字鎖相處理與特征圖像分析步驟
步驟1 手動打開光源功率放大器1的輸出開關(guān)，使鹵素光源6的入射光強(qiáng)按正弦 規(guī)律激勵樣件2產(chǎn)生激勵熱波4 ；
步驟2 基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件12的記錄模塊對樣件2待檢區(qū)域表 面產(chǎn)生的反射熱波3或透射熱波1進(jìn)行記錄，記錄至少一個周期，為了提高信噪比，應(yīng)記錄 2 3個周期，焦平面紅外熱像儀5的采樣頻率設(shè)置應(yīng)滿足乃奎斯特法則，即采樣頻率滿足 調(diào)制頻率2倍以上，將記錄后文件存儲到計算機(jī)11相應(yīng)目錄下；
步驟3 選擇基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件12的鎖相處理模塊的信號處理 方法，對采集的紅外圖像序列進(jìn)行處理與分析，提取熱波信號的特征信息，形成特征信息圖像；
步驟4 利用基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件12的圖像處理與分析模塊對熱波 特征圖像進(jìn)行處理與分析，提取樣件2內(nèi)部缺陷的特征參數(shù)，實現(xiàn)對樣件2檢測區(qū)域內(nèi)部缺 陷及損傷的快速、準(zhǔn)確的無損檢測。
四、無損檢測實例
為了說明該方法的實際檢測效果，進(jìn)行了金屬板材與復(fù)合材料樣件的無損檢測實驗。
金屬板材樣件的無損檢測實驗采用中碳鋼C30制作帶有平低孔的模擬缺陷樣 件。鹵素光源激勵參數(shù)功率1KW，調(diào)制頻率0. 12Hz ；焦平面紅外熱像儀的記錄參數(shù)采樣 頻率37Hz，采樣時間20s ；分析參數(shù)分析頻率0. 12Hz，分析時間10s。
復(fù)合材料樣件的無損檢測實驗制作碳纖維蒙皮泡沫夾層結(jié)構(gòu)模擬脫粘缺陷樣 件，碳纖維蒙皮厚度2mm。鹵素光源激勵參數(shù)功率2KW，調(diào)制頻率0. 042Hz ；焦平面紅外熱像 儀的記錄參數(shù)采樣頻率37Hz，采樣時間50s ；分析參數(shù)分析頻率0. 042Hz，分析時間50s。
實際檢測結(jié)果為金屬板樣件實際檢測的相位圖項和瞬態(tài)時間常數(shù)圖像能夠很好 的反映出平底孔缺陷的形狀及大小，但缺陷深度較大，缺陷直徑較小，缺陷很難清晰分辨出 來。復(fù)合材料樣件實際檢測的缺陷形狀可準(zhǔn)確的識別，探測缺陷深度值與實際值相接近，最 大誤差< 10%。但總體上采用本發(fā)明的方法都實現(xiàn)了對樣本內(nèi)部缺陷及損傷的相對快速、 準(zhǔn)確的無損檢測。
權(quán)利要求
1.一種基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法，由焦平面紅外熱像儀采集熱 波信號圖像序列、正弦規(guī)律調(diào)制的鹵素光源激勵、熱波信號數(shù)字鎖相處理與圖像分析三個 步驟組成，其特征在于首先，將焦平面陣列式紅外熱像儀(5)固定在三角架(16)上，利用數(shù)據(jù)線(9)與計算 機(jī)(11)的數(shù)據(jù)采集卡連接，啟動基于圖像序列紅外鎖相處理軟件(12)，通過該軟件完成紅 外熱像儀的初始化及圖像顯示，可通過調(diào)節(jié)角度、高度和移動三角架底座調(diào)整紅外熱像儀 與樣件O)的相對位置，手動調(diào)節(jié)紅外熱像儀的調(diào)焦鏡頭；然后，將鹵素光源(6)固定在專用支架(7)上，鹵素光源(6)與焦平面紅外熱像儀(5) 的鏡頭保持在同一平面內(nèi)，鹵素光源(6)通過專用支架(7)調(diào)整入射光線與樣件O)的待 檢區(qū)域表面外法線的夾角，保持二者重合，或最大夾角小于60°，保證入射光照射到樣件 ⑵的待檢區(qū)域內(nèi)，由電源線⑶與光源功率放大器(13)的輸出端相連，函數(shù)發(fā)生器(14) 的調(diào)制信號輸出端通過信號線(15)與光源功率放大器(13)的弱信號輸入端相連，實現(xiàn)鹵 素光源(6)發(fā)出的光強(qiáng)按照正弦規(guī)律變化；最后，手動打開光源功率放大器(13)的輸出開關(guān)，使鹵素光源(6)的入射光強(qiáng)按正弦 規(guī)律激勵樣件( 產(chǎn)生激勵熱波G)，同時基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件(1 的記 錄模塊對樣件( 待檢區(qū)域表面產(chǎn)生的反射熱波C3)或透射熱波(1)進(jìn)行記錄，記錄至少 一個周期，紅外熱像儀采樣頻率設(shè)置滿足調(diào)制頻率2倍以上，將記錄后文件存儲到計算機(jī) (11)相應(yīng)目錄下，利用基于圖像序列的紅外鎖相處理軟件(12)的鎖相處理模塊進(jìn)行熱波 信號處理與分析，提取熱波信號的特征信息，形成特征信息圖像，基于圖像序列的紅外鎖相 處理軟件(1 的圖像處理與分析模塊對熱波特征信息圖像進(jìn)行處理與分析，提取樣件(2) 內(nèi)部缺陷的特征參數(shù)，實現(xiàn)對樣件( 檢測區(qū)域內(nèi)部缺陷及損傷的無損檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法采用的焦平面陣列式紅外熱像儀(5) 像素320 X M0，全幅最大采樣頻率為170Hz。
3.如權(quán)利要求1、2所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行無損檢測時，專用支架(7)用于固 定鹵素光源(6)，實現(xiàn)入射光線角度調(diào)整。
全文摘要
一種基于圖像序列處理的紅外鎖相熱波無損檢測方法，它是一種利用計算機(jī)軟件對紅外圖像序列進(jìn)行處理實現(xiàn)紅外鎖相法熱波無損檢測的新方法，方法的實施步驟包括焦平面紅外熱像儀采集熱波信號圖像序列、正弦規(guī)律調(diào)制的鹵素光源激勵和熱波信號數(shù)字鎖相處理與特征圖像分析。采用該方法進(jìn)行無損檢測時，焦平面陣列式紅外熱像儀5固定在三角架16上，并與計算機(jī)11的數(shù)據(jù)采集卡連接，利用基于圖像序列紅外鎖相處理軟件12完成紅外熱像儀的初始化及圖像顯示。將鹵素光源6固定在專用支架7上，保證入射光盡可能照射到樣件2待檢區(qū)域內(nèi)，函數(shù)發(fā)生器14通過信號線15與光源功率放大器13相連，控制鹵素光源6的光強(qiáng)按照正弦規(guī)律變化。鹵素光源6的入射光照射到樣件2表面，產(chǎn)生激勵熱波4?；趫D像序列的紅外鎖相處理軟件12記錄樣件2表面產(chǎn)生的反射熱波3或透射熱波1，利用鎖相處理模塊提取熱波信號特征信息和形成特征圖像，圖像處理與分析模塊對熱波特征圖像進(jìn)行處理與分析，提取樣件2內(nèi)部缺陷特征，實現(xiàn)對樣件2內(nèi)部缺陷及損傷的快速、準(zhǔn)確的無損檢測。
文檔編號G01N25/72GK102033081SQ20101050783
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者劉俊巖, 王懋露, 王揚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)