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CN102033081A - 基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法 - Google Patents

基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法 Download PDF

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CN102033081A CN 201010507836 CN201010507836A CN102033081A CN 102033081 A CN102033081 A CN 102033081A CN 201010507836 CN201010507836 CN 201010507836 CN 201010507836 A CN201010507836 A CN 201010507836A CN 102033081 A CN102033081 A CN 102033081A
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刘俊岩
王扬
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Abstract

一种基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法，它是一种利用计算机软件对红外图像序列进行处理实现红外锁相法热波无损检测的新方法，方法的实施步骤包括：焦平面红外热像仪采集热波信号图像序列、正弦规律调制的卤素光源激励和热波信号数字锁相处理与特征图像分析。采用该方法进行无损检测时，焦平面阵列式红外热像仪5固定在三角架16上，并与计算机11的数据采集卡连接，利用基于图像序列红外锁相处理软件12完成红外热像仪的初始化及图像显示。将卤素光源6固定在专用支架7上，保证入射光尽可能照射到样件2待检区域内，函数发生器14通过信号线15与光源功率放大器13相连，控制卤素光源6的光强按照正弦规律变化。卤素光源6的入射光照射到样件2表面，产生激励热波4。基于图像序列的红外锁相处理软件12记录样件2表面产生的反射热波3或透射热波1，利用锁相处理模块提取热波信号特征信息和形成特征图像，图像处理与分析模块对热波特征图像进行处理与分析，提取样件2内部缺陷特征，实现对样件2内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。

Description

基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法
技术领域
本发明涉及利用主动式红外热波检测手段来实现材料或构件内部缺陷及损伤的无损检测与分析方法，尤其涉及了一种基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测新方法。
背景技术
随着现代科学与工业技术的发展，无损检测技术也不断完善，已成为保证产品质量和设备运行安全的必要手段。目前代表性的无损检测技术主要有射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和电磁检测(ET)等。射线检测(RT)一般适用于铸件、焊接件、非金属制品及复合材料等，不受材料和几何形状的限制，射线检测对气孔、夹渣及未焊透等体积型缺陷比较敏感。但射线检测的设备投资较大，不易发现与射线垂直方向上的裂纹，不便给出缺陷深度，同时安装及安全方面有严格的要求，不适于现场原位检测，检测周期长、效率低，且胶片照相法的胶片消耗大而使成本较高。超声波检测(UT)主要适用于锻件、焊接件、胶接接头及非金属材料构件检测。该方法对缺陷比较敏感，获得结果速度快、定位方便，但对于小而薄的复杂零件难以检测，需要耦合剂进行耦合，粗晶材料也会加剧散射，形状复杂的结构难以进行检测，检测速度慢，周期长。磁粉检测(MT)主要适用于具有铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测，对于铁磁性材料表面缺陷具有较高的灵敏度，操作简便，结果可靠，显示也直观，但检测范围只限于铁磁性材料，定量测定缺陷相对较困难，对于有色金属、奥氏体不锈钢、非金属及非导磁性材料不能采用该技术进行检测。渗透检测(PT)是用于表面开口缺陷检测，适用于各种非疏松材质。渗透检测的原理简明易懂，设备也比较简单，操作相对简便，灵敏度高，显示缺陷直观，但使用的试液易挥发，只能检测表面开口缺陷，不能检测多孔性材料。电磁检测(ET)只用于导电材料表面和近表面缺陷检测，对于零件几何形状突变引起的边缘效应敏感，容易给出虚假的显示。
尽管目前存在了基本成熟的五大常规标准无损检测技术，这些方法各有所长，也各有其局限性，主动式红外热波无损检测技术仍以其独特的优点不断得到重视。红外热波无损检测技术具有快速、非接触、无须耦合、大面积及远距离检测等优点，能够实现构件损伤或缺陷深度、各种涂层及夹层结构蒙皮厚度测量和内部材料与结构特性识别，适用于检测金属与非金属材料，不受任何材料特性的限制。而红外锁相法热波无损检测技术能够克服加热不均、探测深度浅等缺点，特别受到航天航空材料领域的青睐，因此，实现高效可靠的红外锁相法热波无损检测具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法，应用红外热成像技术和数字信号处理技术，得到表面温度或热波信号特征信息，分析特征信息与特征图像实现缺陷的识别与探测，这是一种快速、大面积及准确的红外热波无损检测新方法。
根据本发明，一种基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法，由焦平面红外热像仪采集热波信号图像序列、正弦规律调制的卤素光源激励和热波信号数字锁相处理与图像分析三个步骤组成，将焦平面阵列式红外热像仪固定在三角架上，利用数据线与计算机的数据采集卡连接，启动基于图像序列红外锁相处理软件，通过该软件完成红外热像仪的初始化及图像显示，可通过调节角度、高度和移动三角架底座调整红外热像仪与样件的相对位置，手动调节红外热像仪的调焦镜头，保证样件待检测区域在屏幕上清晰可见。
将卤素光源固定在专用支架上，卤素光源应与红外热像仪的镜头保持在同一个平面内，卤素光源通过专用支架调整入射光线与样件待检区域表面外法线的夹角，一般应尽量保持二者重合，但最大夹角应小于60°，保证入射光尽可能照射到样件待检区域内。由电源线与光源功率放大器输出端相连，函数发生器的调制信号输出端通过信号线与光源功率放大器的弱信号输入端相连，实现卤素光源发出的光强按照正弦规律变化。
手动打开光源功率放大器的输出开关，使卤素光源的入射光强按正弦规律激励到样件的待检区域，产生激励热波，同时基于图像序列的红外锁相处理软件的记录模块对样件表面产生的反射热波或透射热波进行记录，记录至少一个周期，为了提高信噪比，应记录2～3个周期，红外热像仪采样频率设置应满足乃奎斯特法则，即采样频率应满足调制频率2倍以上。将记录后的文件存储到计算机相应目录下，利用基于图像序列的红外锁相处理软件的锁相处理模块进行热波信号处理，提取热波信号特征信息，形成特征信息图像，基于图像序列的红外锁相处理软件的图像处理与分析模块对热波特征信息图像进行处理与分析，提取样件内部缺陷的特征参数，即缺陷形状、尺寸及位置等，实现对样件内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。
根据本发明，该方法采用焦平面阵列式红外热像仪像素320×240，全幅最大采样频率为170Hz。
根据本发明，该方法采用CP62UK光源作为卤素光源，该光源在光谱波段3.1～5.6μm范围内具有较好光谱能量分布和加热响应时间短的特点。在进行无损检测时，专用支架用于固定卤素光源，可实现入射光线角度调整。
根据本发明，该方法采用自行开发的基于图像序列的红外锁相处理软件完成热波信号的采集、热波信号处理及特征信息图像处理与分析，实现样件内部缺陷的无损检测。
本发明利用计算机软件对红外图像序列进行处理，实现了红外锁相法热波无损检测，基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法是一种利用数字信号处理方法提取表面热波信号特征信息并进行分析的方法，它结合了信息处理技术与计算机图像处理技术的长处，同时可拓宽低分辨率焦平面阵列式红外热像仪的应用范围。针对亚表面或内部缺陷及损伤，利用基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法，可同时得到的样件表面热波信号多个特征信息，并进行缺陷的识别和探测，实现对内部缺陷及损伤的快速及准确的无损检测。
附图说明
图1基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测示意图；
图2红外热像仪调整示意图；
图3光源调整示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法是利用计算机软件处理红外图像序列实现样件内部缺陷的红外锁相热波无损检测的。图中焦平面阵列式红外热像仪5固定在三角架16上，与计算机11的数据采集卡连接，利用基于图像序列红外锁相处理软件12完成红外热像仪的初始化及图像显示。卤素光源6固定在专用支架7上，保证入射光尽可能照到样件2表面，函数发生器14通过信号线15与光源功率放大器13相连，控制卤素光源6光强按照正弦规律变化。入射光照射到样件2表面，产生激励热波4。基于图像序列的红外锁相处理软件12记录样件2表面产生的反射热波3或透射热波1，并提取热波信号特征信息和形成特征图像，图像处理与分析模块对热波特征图像进行处理与分析，提取样件2内部缺陷特征，实现对样件2内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。
本发明的具体实施包括三个部分：焦平面红外热像仪采集热波信号图像序列、正弦规律调制卤素光源激励和热波信号数字锁相处理与特征图像分析。
一、焦平面红外热像仪采集热波信号图像序列步骤
步骤1：将焦平面阵列式红外热像仪5固定在三角架16上，通过用数据线9与计算机11上的数据采集卡连接；
步骤2：启动基于图像序列红外锁相处理软件12，通过该软件完成红外热像仪的初始化及图像显示；
步骤3：通过调节角度、高度和移动三角架底座调整红外热像仪与样件(2)的相对位置(如图2所示)，手动调节红外热像仪的调焦镜头，保证样件2的待检测区域在计算机11的屏幕上清晰可见。
二、正弦规律调制卤素光源激励步骤
步骤1：将卤素光源6固定在专用支架7上，卤素光源6与焦平面红外热像仪5的镜头保持在同一平面内；
步骤2：卤素光源6通过专用支架7调整入射光线与样件2的待检区域表面外法线的夹角(如图3所示)，一般应尽量保持二者重合，但最大夹角应小于60°，保证入射光尽可能照射到样件2的待检区域内；
步骤3：电源线8与光源功率放大器13的输出端相连，函数发生器14的调制信号输出端通过信号线15与光源功率放大器13的弱信号输入端相连，实现卤素光源6发出的光强按照正弦规律变化。
三、热波信号数字锁相处理与特征图像分析步骤
步骤1：手动打开光源功率放大器1的输出开关，使卤素光源6的入射光强按正弦规律激励样件2产生激励热波4；
步骤2：基于图像序列的红外锁相处理软件12的记录模块对样件2待检区域表面产生的反射热波3或透射热波1进行记录，记录至少一个周期，为了提高信噪比，应记录2～3个周期，焦平面红外热像仪5的采样频率设置应满足乃奎斯特法则，即采样频率满足调制频率2倍以上，将记录后文件存储到计算机11相应目录下；
步骤3：选择基于图像序列的红外锁相处理软件12的锁相处理模块的信号处理方法，对采集的红外图像序列进行处理与分析，提取热波信号的特征信息，形成特征信息图像；
步骤4：利用基于图像序列的红外锁相处理软件12的图像处理与分析模块对热波特征图像进行处理与分析，提取样件2内部缺陷的特征参数，实现对样件2检测区域内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。
四、无损检测实例
为了说明该方法的实际检测效果，进行了金属板材与复合材料样件的无损检测实验。
金属板材样件的无损检测实验：采用中碳钢C30制作带有平低孔的模拟缺陷样件。卤素光源激励参数：功率1KW，调制频率0.12Hz；焦平面红外热像仪的记录参数：采样频率37Hz，采样时间20s；分析参数：分析频率0.12Hz，分析时间10s。
复合材料样件的无损检测实验：制作碳纤维蒙皮泡沫夹层结构模拟脱粘缺陷样件，碳纤维蒙皮厚度2mm。卤素光源激励参数：功率2KW，调制频率0.042Hz；焦平面红外热像仪的记录参数：采样频率37Hz，采样时间50s；分析参数：分析频率0.042Hz，分析时间50s。
实际检测结果为：金属板样件实际检测的相位图项和瞬态时间常数图像能够很好的反映出平底孔缺陷的形状及大小，但缺陷深度较大，缺陷直径较小，缺陷很难清晰分辨出来。复合材料样件实际检测的缺陷形状可准确的识别，探测缺陷深度值与实际值相接近，最大误差＜10％。但总体上采用本发明的方法都实现了对样本内部缺陷及损伤的相对快速、准确的无损检测。

Claims (3)

1.一种基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法，由焦平面红外热像仪采集热波信号图像序列、正弦规律调制的卤素光源激励、热波信号数字锁相处理与图像分析三个步骤组成，其特征在于：
首先，将焦平面阵列式红外热像仪(5)固定在三角架(16)上，利用数据线(9)与计算机(11)的数据采集卡连接，启动基于图像序列红外锁相处理软件(12)，通过该软件完成红外热像仪的初始化及图像显示，可通过调节角度、高度和移动三角架底座调整红外热像仪与样件(2)的相对位置，手动调节红外热像仪的调焦镜头；
然后，将卤素光源(6)固定在专用支架(7)上，卤素光源(6)与焦平面红外热像仪(5)的镜头保持在同一平面内，卤素光源(6)通过专用支架(7)调整入射光线与样件(2)的待检区域表面外法线的夹角，保持二者重合，或最大夹角小于60°，保证入射光照射到样件(2)的待检区域内，由电源线(8)与光源功率放大器(13)的输出端相连，函数发生器(14)的调制信号输出端通过信号线(15)与光源功率放大器(13)的弱信号输入端相连，实现卤素光源(6)发出的光强按照正弦规律变化；
最后，手动打开光源功率放大器(13)的输出开关，使卤素光源(6)的入射光强按正弦规律激励样件(2)产生激励热波(4)，同时基于图像序列的红外锁相处理软件(12)的记录模块对样件(2)待检区域表面产生的反射热波(3)或透射热波(1)进行记录，记录至少一个周期，红外热像仪采样频率设置满足调制频率2倍以上，将记录后文件存储到计算机(11)相应目录下，利用基于图像序列的红外锁相处理软件(12)的锁相处理模块进行热波信号处理与分析，提取热波信号的特征信息，形成特征信息图像，基于图像序列的红外锁相处理软件(12)的图像处理与分析模块对热波特征信息图像进行处理与分析，提取样件(2)内部缺陷的特征参数，实现对样件(2)检测区域内部缺陷及损伤的无损检测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法采用的焦平面阵列式红外热像仪(5)像素320×240，全幅最大采样频率为170Hz。
3.如权利要求1、2所述的方法，其特征在于，在进行无损检测时，专用支架(7)用于固定卤素光源(6)，实现入射光线角度调整。
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