CN103926274B - 一种cfrp层板缺陷的红外热波雷达成像无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种CFRP层板缺陷的红外热波雷达成像无损检测方法与系统，所述方法为：调整激光光源扩束整形装置与被测样件的空间位置，使激光均匀照射到试样表面，控制数据采集卡产生线性调频脉冲信号，驱动激光功率驱动器，使光纤激光器的功率按照线性调频脉冲信号规律变化；采集被测CFRP试样表面的热波雷达信号；对采集的表面热波雷达信号进行处理，提取热波雷达信号的时频域特征信息，通对特征信息图像的处理与分析，提取样件内部缺陷的特征参数，实现对样件内部缺陷及损伤的无损检测。所述系统包括光纤激光器、激光功率驱动器、数据采集卡、激光光源扩束整形装置、焦平面红外热像仪及计算机。本发明实现了对CFRP层板缺陷的快速、准确检测。

Description

一种CFRP层板缺陷的红外热波雷达成像无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种利用主动式红外热波检测手段来实现CFRP层板缺陷无损检测的方法与系统，尤其涉及了一种红外热波雷达成像无损检测方法与系统。

背景技术

随着材料科学与工业检测技术的快速发展，无损检测技术已成为保证产品质量的必要手段之一。碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic，CFRP）是近几十年发展起来的一种新型材料，广泛应用于航空航天、汽车、船舶工业等领域。碳纤维增强复合材料在成型与使用过程中容易产生多种缺陷与损伤，目前CFRP层板缺陷的常规无损检测技术主要有射线检测（RT）、超声检测（UT）和电磁检测（ET）。射线检测（RT）不受材料和几何形状的限制，对气孔、夹渣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，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，检测成本较高。超声波检测（UT）对缺陷比较敏感，检测速度快、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，形状复杂的结构难以进行检测，检测速度慢，周期长。电磁检测（ET）只用于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。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。红外锁相法热波无损检测技术是目前应用最广泛的红外热波无损检测技术之一，该技术能够克服加热不均、检测速度慢等缺点，但采用该技术检测CFRP内部不同深度的缺陷时，需要选择合适调制频率，否则将会出现内部缺陷的漏检。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外热波雷达成像无损检测方法与系统，采用线性调频脉冲信号对加热热源进行调制，克服了锁相法热波检测技术的缺陷，能够实现对CFRP内部不同深度缺陷的准确可靠检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种红外热波雷达成像无损检测方法，包括以下步骤：

S1、调整激光光源扩束整形装置与被测样件的空间位置，使激光均匀照射到试样表面，利用BNC数据线将数据采集卡的模拟输出通道端口与激光功率驱动器的模拟调制信号输入端口相连，由计算机控制数据采集卡产生线性调频脉冲信号，驱动激光功率驱动器，使光纤激光器的功率按照线性调频脉冲信号规律变化；

S2、利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接，利用BNC数据线连接数据采集卡脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口，打开激光器，通过计算机对焦平面红外热像仪运行触发控制，采集被测CFRP试样表面的热波雷达信号，记录至少2~3个周期，为了完整地采集到热波雷达信号的时频域特征信息，焦平面红外热像仪采样频率应设置为线性调频信号最高频率的5~10倍，将采集到的图像数据存储到计算机相应目录下；

S3、对采集的表面热波雷达信号进行处理，提取热波雷达信号的时频域特征信息，利用时频域特征信息建立表征CFRP内部层板缺陷的特征图像，通对特征信息图像的处理与分析，提取样件内部缺陷的特征参数，实现对样件内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。

更具体地，以上所述的一种CFRP层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法，所述的步骤S1中，激光光源扩束装置通过调整支架调整入射光线与样件待检区域表面外法线的夹角，其最大夹角应小于60°，光纤激光器的调制方式可以设置为外部模拟调制方式或外部TTL调制方式。

更具体地，以上所述的一种CFRP层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法，所述的步骤S2中，通过焦平面红外热像仪的触发控制实现积分时间及采样频率的设置，焦平面红外热像仪的采集触发模式可以设置为外部触发或内部触发，当设置为外部触发模式时，焦平面红外热像仪的图像采集动作将由触发信号输入端口的脉冲信号触发，当设置为内部触发模式时，焦平面红外热像仪的采样帧频将由焦平面红外热像仪的内部采样时钟控制。

更具体地，以上所述的一种CFRP层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法，所述的步骤S3中，采用相关算法（时域信号处理分析的常用算法）、希尔伯特变换算法及傅立叶变换算法提取热波雷达信号的时频域特征信息，利用时频域特征图像，实现对样件内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。

一种红外热波雷达成像无损检测系统，包括光纤激光器、激光功率驱动器、数据采集卡、激光光源扩束整形装置、焦平面红外热像仪及计算机，其中：

所述光纤激光器与激光功率驱动器用以为检测提供稳定的热源；

所述数据采集卡用以实现模拟信号的输出与采集，具有可编程函数接口，能够产生焦平面红外热像仪采集图像所需的脉冲触发信号；

所述激光光源扩束整形装置用以对光纤激光器输出的激光光束进行准直、扩束及整形，本发明的激光扩束整形装置是根据热播雷达成像检测需要由准直镜、工程漫射体、套管与转接环依次组装而成；

所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图；

所述计算机通过控制数据采集卡信号的输出与采集，控制焦平面红外热像仪采集被测试样表面热波雷达信号，提取热波雷达信号的时频域特征信息，并形成特征图像，确定缺陷的形状、尺寸与位置等信息；

所述激光光源扩束装置与光纤激光器连接，光纤激光器与激光功率驱动器相连，数据采集卡的模拟输出通道端口与激光功率驱动器的模拟调制信号输入端口相连，数据采集卡脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口连接，计算机分别与数据采集卡和焦平面红外热像仪连接。

本发明中，采用焦平面红外热像仪像素320×256，热灵敏度20mK，全幅最大采样频率为170Hz。

本发明中，采用半导体光纤激光器作为激励热源，激光波长808nm，最高功率50W，最高调制频率为100kHz。

本发明中，采用数据采集卡产生模拟调制信号，最高采样率为 250 kS/s。

本发明中，采用准直镜对激光光束进行准直，准直后，光束直径为7.5mm，采用工程漫射体对准直后的光束进行整形，整形后，光束发散角为20°。

本发明中，采用焦平面红外热像仪完成热波雷达信号的采集，采用相关算法、希尔伯特变换算法及傅立叶变换算法实现热波雷达信号时频域特征的提取，并形成特征图像，在此基础上通过对特征图像的处理与分析，实现样件内部缺陷的无损检测。

本发明通过对焦平面红外热像仪采集的红外图像序列进行处理，实现了红外热波雷达成像无损检测，红外热波雷达成像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雷达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。针对CFRP内部层板缺陷，利用红外热波雷达成像无损检测方法，可同时得到的样件表面热波雷达信号多个特征信息，并进行缺陷的识别和探测，实现对CFRP内部层板缺陷的快速及准确的无损检测。

附图说明

图1为红外热波雷达成像无损检测系统示意图；

图2为激光扩束装置示意图。

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。

如图1所示，红外热波雷达成像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无损检测。图中焦平面红外热像仪18与计算机14的以太网接口连接，利用计算机14完成焦平面红外热像仪18的初始化及图像显示。激光光源扩束整形装置4将激光照射到被测样件1表面，数据采集卡11通过信号线13与激光功率驱动器15相连，控制光纤激光器6光强按照线性调频规律变化。入射光照射到被测样件1表面，产生线性调频热波2。记录被测样件1表面产生的表面热波雷达信号，并提取热波雷达信号的时频域特征信息和形成特征图像，对特征图像进行处理与分析，提取被测样件1内部缺陷特征，实现对被测样件1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：线性调频规律调制的激光光源激励、焦平面红外热像仪采集图像序列和热波雷达信号处理与特征图像分析。

一、线性调频规律调制的激光光源激励步骤

步骤1：按照图2将工程漫射体19、套管20、准直镜21与转接环22依次组装激光光源扩束整形装置4，通过光纤5(SMA905)与光纤激光器6连接，激光光源扩束整形装置4与焦平面红外热像仪18的镜头保持在同一平面内；

步骤2：调整激光光源扩束整形装置4的入射角度，保证入射光尽可能照射到被测样件1的待检区域内；

步骤3：数据采集卡11的模拟信号输出端通过信号线13与激光功率驱动器15的模拟调制信号输入端相连，通过USB数据线12将数据采集卡11与计算机14相连；

步骤4：将光纤激光器6通过第一电源线7与激光功率驱动器15相连，将光纤激光器6的半导体制冷器通过第二电源线8与激光功率驱动器15相连，打开激光功率驱动器15的电源开关10，将激激光功率驱动器15设置为外部模拟调制模式，设置线性调频脉冲信号参数，实现光纤激光器6发出的光强按照线性调频脉冲规律变化。

二、焦平面红外热像仪采集图像序列步骤

步骤1：将焦平面红外热像仪18通过第一数据线16与计算机14上的以太网接口连接，将焦平面红外热像仪18通过第二数据线17与数据采集卡11上的脉冲信号输出端口连接；

步骤2：通过计算机14与数据采集卡11完成焦平面红外热像仪18的初始化设置及实时图像显示，调节焦平面红外热像仪18的调焦镜头，保证被测样件1的待检测区域在计算机15的屏幕上清晰可见；

步骤3：打开激光功率驱动器15的输出开关9，使光纤激光器6的入射光强按线性调频脉冲规律激励被测样件1产生表面热波雷达信号2；

步骤4：通过焦平面红外热像仪18的图像采集对被测样件1待检区域表面产生的热波雷达信号3进行记录，记录2~3个周期，为了完整地获取到热波雷达信号的时频域特征信息，焦平面红外热像仪18采样频率应设置为线性调频信号最高频率的5~10倍，将采集到的图像数据存储到计算机15相应目录下。

三、热波雷达信号处理与特征图像分析步骤

步骤1：采用相关算法、希尔伯特变换算法及傅立叶变换算法对采集的热波雷达信号进行处理与分析，提取热波雷达信号的时频域特征信息，并形成特征图像；

步骤2：通过对特征图像进行图像处理与分析，提取被测样件1内部缺陷的特征参数，实现对被测样件1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CFRP样件的无损检测实验。

CFRP件的无损检测实验：制作CFRP模拟分层缺陷试样，缺陷最大深度为2mm，最小直径为4mm。激光光源激励参数：功率30W，线性调频信号的初始频率0.01Hz，终止频率0.1Hz，脉冲周期为100s；焦平面红外热像仪的记录参数：采样频率50Hz，采样时间200s。

实际检测结果为：CFRP样件实际检测的缺陷形状可准确的识别，未出现缺陷漏检现象，探测缺陷深度值与实际值相接近，最大误差＜8% 。采用本发明的方法实现了对CFRP样件内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。

Claims (2)

1.一种红外热波雷达成像无损检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

S1、调整两个激光光源扩束整形装置与被测样件的空间位置，使激光均匀照射到试样表面，利用BNC数据线将数据采集卡的模拟输出通道端口与两个激光功率驱动器的模拟调制信号输入端口相连，由计算机控制数据采集卡产生线性调频脉冲信号，驱动两个激光功率驱动器，使两个光纤激光器的功率按照线性调频脉冲信号规律变化；所述光纤激光器的激光波长为808nm，最高功率为50W，最高调制频率为100kHz；所述数据采集卡最高采样率为250 kS/s；所述激光光源扩束整形装置由准直镜、工程漫射体、套管与转接环依次组装而成；采用准直镜对激光光束进行准直，准直后，光束直径为7.5mm，采用工程漫射体对准直后的光束进行整形，整形后，光束发散角为20°；

S2、利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接，利用BNC数据线连接数据采集卡脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口，打开激光器，通过计算机对焦平面红外热像仪运行触发控制，采集被测CFRP试样表面的热波雷达信号，记录至少2~3个周期，将采集到的图像数据存储到计算机相应目录下；所述焦平面红外热像仪采样频率设置为线性调频信号最高频率的5~10倍；所述焦平面红外热像仪的采集触发模式设置为外部触发或内部触发；所述焦平面红外热像仪的像素为320×256，热灵敏度为20mK，全幅最大采样频率为170Hz；当设置为外部触发模式时，焦平面红外热像仪的图像采集动作将由触发信号输入端口的脉冲信号触发，当设置为内部触发模式时，焦平面红外热像仪的采样帧频将由焦平面红外热像仪的内部采样时钟控制；

S3、对采集的表面热波雷达信号进行处理，提取热波雷达信号的时频域特征信息，利用时频域特征信息建立表征CFRP内部层板缺陷的特征图像，通对特征信息图像的处理与分析，提取样件内部缺陷的特征参数，实现对样件内部缺陷及损伤的快速、准确的无损检测。

2.根据权利要求1所述的红外热波雷达成像无损检测方法，其特征在于所述激光光源扩束整形装置通过调整支架调整入射光线与样件待检区域表面外法线的夹角，其最大夹角应小于60°。