本發(fā)明屬于成像檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域中不斷涌現(xiàn)一系列新材料，新材料的高質(zhì)量保證對(duì)整個(gè)工業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。復(fù)合材料在加工工藝過(guò)程及后續(xù)使用過(guò)程易產(chǎn)生脫粘、氣孔、鼓包等缺陷，金屬材料易產(chǎn)生表面裂紋、內(nèi)部氣孔及內(nèi)部應(yīng)力等，這些缺陷嚴(yán)重威脅最終產(chǎn)品的使用性能。由于新材料與傳統(tǒng)材料的加工工藝不同，所以一些傳統(tǒng)成熟的加工工藝已經(jīng)不適用于新材料的生產(chǎn)，所以必須在其非連續(xù)加工與連續(xù)加工的原材料、半成品、成品及產(chǎn)品構(gòu)件提供工序質(zhì)量控制，以此防止不符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品流入市場(chǎng)，避免徒勞無(wú)功所導(dǎo)致的工時(shí)、人力、原材料以及能源的浪費(fèi)。在以上工藝質(zhì)量控制過(guò)程中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。但傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，譬如超聲、射線、渦流等手段存在對(duì)表層及淺表層缺陷不敏感等劣勢(shì)，同時(shí)在不損壞材料的前提下無(wú)法對(duì)缺陷幾何結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。主動(dòng)式紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其具有非接觸、直觀、探測(cè)面積大及高效率等優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)式紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)特別適用于各種材料的表層及淺表層缺陷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷的高信噪比檢出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)材料表層及淺表層缺陷檢測(cè)不敏感及無(wú)法形成材料缺陷的三維幾何形貌的難題，提供一種基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)方法，基于光熱輻射測(cè)量原理，這種方法利用傅里葉定律中熱擴(kuò)散過(guò)程中熱擴(kuò)散深度與擴(kuò)散時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)樣件缺陷的檢測(cè)及缺陷三維的幾何形貌重構(gòu)。其具體的實(shí)施過(guò)程為，首先采用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集模塊（具有函數(shù)發(fā)生功能）產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)控制氙燈電源，使其產(chǎn)生短時(shí)高強(qiáng)度電流，進(jìn)而控制氙燈閃光，光照射到試驗(yàn)樣件后由于存在光熱效應(yīng)，試驗(yàn)樣件出現(xiàn)溫度漲落與紅外輻射。試驗(yàn)樣件受到氙燈照射后迅速升溫，繼而降溫，其中升溫時(shí)間較降溫時(shí)間短，因此相比較而言，降溫過(guò)程包含大量的與材料幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及光熱物理參數(shù)相關(guān)聯(lián)的特征。材料輻射出的信號(hào)被紅外熱像儀接收，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)處理算法提取試驗(yàn)樣件光熱特性達(dá)到對(duì)試驗(yàn)樣件缺陷的判定。其中本發(fā)明中所采用的信號(hào)處理方法為多種特征提取算法（脈沖相位法、主成分分析法及多項(xiàng)式擬合系數(shù)法），通過(guò)提取的特征圖像對(duì)試驗(yàn)樣件缺陷進(jìn)行檢測(cè)。后續(xù)提取與熱擴(kuò)散時(shí)間相關(guān)聯(lián)的特征圖像序列進(jìn)行層析成像，進(jìn)而形成缺陷的三維幾何形貌重構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括三維移動(dòng)臺(tái)、第一氙燈、第一氙燈電源線、紅外熱像儀、以太網(wǎng)線、計(jì)算機(jī)、usb數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)采集卡、bnc觸發(fā)信號(hào)線、垂直升降臺(tái)、第二氙燈電源線、bnc數(shù)據(jù)線、氙燈電源、第二氙燈；

所述紅外熱像儀信號(hào)輸出端通過(guò)以太網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)信號(hào)輸入端相連接，所述計(jì)算機(jī)信號(hào)輸出端通過(guò)usb數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸出端一通過(guò)bnc觸發(fā)信號(hào)線與紅外熱像儀信號(hào)輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸出端二通過(guò)bnc數(shù)據(jù)線與氙燈電源相連接，所述氙燈電源通過(guò)第一氙燈電源線與第一氙燈相連接，氙燈電源通過(guò)第二氙燈電源線與第二氙燈相連接，所述紅外熱像儀放置在垂直升降臺(tái)上，所述三維移動(dòng)臺(tái)用于承載試驗(yàn)樣件。

一種利用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)的方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：確定要測(cè)量的試驗(yàn)樣件，將其放置在三維移動(dòng)臺(tái)上；

步驟二：開(kāi)啟基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，此步驟包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、氙燈電源及紅外熱像儀設(shè)備的開(kāi)啟；

步驟三：對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行非均勻性較正，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件輔助紅外熱像儀調(diào)整成像檢測(cè)視野，通過(guò)調(diào)節(jié)三維移動(dòng)臺(tái)使圖像成像清晰；

步驟四：計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)而控制氙燈電源，進(jìn)而控制第一氙燈及第二氙燈光強(qiáng)，調(diào)整第一氙燈及第二氙燈位置，使二者能均勻地照射試驗(yàn)樣件；

步驟五：計(jì)算機(jī)控制軟件信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出，控制氙燈電源觸發(fā)第一氙燈及第二氙燈發(fā)光，同時(shí)此控制信號(hào)通過(guò)bnc觸發(fā)信號(hào)線控制紅外熱像儀進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集；

步驟六：計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)線對(duì)紅外熱像儀采集的圖像序列進(jìn)行記錄，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理與信號(hào)提取，進(jìn)而進(jìn)行缺陷識(shí)別與判定；通過(guò)提取的與熱擴(kuò)散深度相關(guān)聯(lián)的特征圖像序列進(jìn)行缺陷的三維幾何重構(gòu)。

本發(fā)明中，測(cè)試材料針對(duì)各種材料表層及淺表層缺陷；

本發(fā)明中，氙燈電源功率選擇依據(jù)材料缺陷信息而定。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

（1）本發(fā)明采用基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料及合成材料的表層及淺表層缺陷完全無(wú)損傷、非接觸、高效的檢測(cè)，同時(shí)不受檢測(cè)材料尺寸限制；

（2）本發(fā)明采用脈沖熱源激勵(lì)方式對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行主動(dòng)式熱激勵(lì)加載，此種方式可較好地降低熱流橫向熱擴(kuò)散，進(jìn)而提高缺陷檢測(cè)的檢測(cè)信噪比（可以較為容易的檢測(cè)徑深比≥2的缺陷）；

（3）本發(fā)明基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及方法采用氙燈作為光源可以保證能量的短時(shí)高功率（1/600s時(shí)間，短時(shí)峰值功率4000w）注入；

（4）本發(fā)明基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及方法可以實(shí)現(xiàn)材料缺陷的三維重構(gòu)。

綜上，本發(fā)明的基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及方法適用于航空航天、微電子、核電等領(lǐng)域的復(fù)合材料、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料及合成材料表層及淺表層缺陷檢測(cè)、定量評(píng)價(jià)與缺陷三維幾何重構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層材料的試驗(yàn)樣件光學(xué)圖片；

圖3為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層材料的脈沖相位法幅值圖；

圖4為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層材料的脈沖相位法相位圖；

圖5為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層材料的主成分分析結(jié)果圖；

圖6為cfrp材料三維層析檢測(cè)結(jié)果的試驗(yàn)樣件光學(xué)圖片；

圖7為cfrp材料三維層析檢測(cè)結(jié)果的試驗(yàn)樣件連續(xù)特征圖像；

圖8為cfrp材料三維層析檢測(cè)結(jié)果的試驗(yàn)樣件三維層析結(jié)果圖；

圖9為cfrp材料三維層析檢測(cè)結(jié)果的試驗(yàn)樣件缺陷位置剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式記載的是一種基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)（如圖1所示），所述系統(tǒng)包括三維移動(dòng)臺(tái)1、試驗(yàn)樣件2、第一氙燈3、第一氙燈電源線4、紅外熱像儀5、以太網(wǎng)線6、計(jì)算機(jī)7、usb數(shù)據(jù)線8、數(shù)據(jù)采集卡（具有任意函數(shù)發(fā)生功能）9、bnc觸發(fā)信號(hào)線10、垂直升降臺(tái)11、第二氙燈電源線12、bnc數(shù)據(jù)線13、氙燈電源14、第二氙燈15；

所述紅外熱像儀5信號(hào)輸出端通過(guò)以太網(wǎng)線6與計(jì)算機(jī)7信號(hào)輸入端相連接，所述計(jì)算機(jī)7信號(hào)輸出端通過(guò)usb數(shù)據(jù)線8與數(shù)據(jù)采集卡9信號(hào)輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集卡9信號(hào)輸出端一通過(guò)bnc觸發(fā)信號(hào)線10與紅外熱像儀5信號(hào)輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡9信號(hào)輸出端二通過(guò)bnc數(shù)據(jù)線13與氙燈電源14相連接，所述氙燈電源14通過(guò)第一氙燈電源線4與第一氙燈3相連接，氙燈電源14通過(guò)第二氙燈電源線12與第二氙燈15相連接，所述紅外熱像儀5放置在垂直升降臺(tái)11上，所述三維移動(dòng)臺(tái)1用于承載試驗(yàn)樣件2。

具體實(shí)施方式二：一種利用具體實(shí)施方式一所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)的方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：確定要測(cè)量的試驗(yàn)樣件2，將其放置在三維移動(dòng)臺(tái)1上；

步驟二：開(kāi)啟基于脈沖激勵(lì)的動(dòng)態(tài)熱層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，此步驟包括計(jì)算機(jī)7、數(shù)據(jù)采集卡9、氙燈電源14及紅外熱像儀5設(shè)備的開(kāi)啟；

步驟三：對(duì)紅外熱像儀5進(jìn)行非均勻性較正，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)7控制軟件輔助紅外熱像儀5調(diào)整成像檢測(cè)視野，通過(guò)調(diào)節(jié)三維移動(dòng)臺(tái)1使圖像成像清晰；

步驟四：計(jì)算機(jī)7控制數(shù)據(jù)采集卡9進(jìn)而控制氙燈電源14，進(jìn)而控制第一氙燈3及第二氙燈15光強(qiáng)，調(diào)整第一氙燈3及第二氙燈15位置，使二者能均勻地照射試驗(yàn)樣件2；

步驟五：計(jì)算機(jī)7控制軟件信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡9輸出，控制氙燈電源14觸發(fā)第一氙燈3及第二氙燈15發(fā)光，同時(shí)此控制信號(hào)通過(guò)bnc觸發(fā)信號(hào)線10控制紅外熱像儀5進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集；

步驟六：計(jì)算機(jī)7通過(guò)以太網(wǎng)線6對(duì)紅外熱像儀5采集的圖像序列進(jìn)行記錄，并通過(guò)計(jì)算機(jī)7控制軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理與信號(hào)提取，進(jìn)而進(jìn)行缺陷識(shí)別與判定；通過(guò)提取的與熱擴(kuò)散深度相關(guān)聯(lián)的特征圖像序列進(jìn)行缺陷的三維幾何重構(gòu)；至此，完成了對(duì)試驗(yàn)樣件2的動(dòng)態(tài)熱層析熱波成像檢測(cè)。

本發(fā)明具體實(shí)施方式中試驗(yàn)樣件以包覆層材料（圖2）及cfrp材料（圖6）為例，其中圖3，圖4，圖5為包覆層材料檢測(cè)效果圖，圖7為cfrp材料特征圖，圖8為cfrp材料三維重構(gòu)圖，圖9為cfrp材料三維重構(gòu)缺陷剖面圖。由圖3、圖4，圖5可以清晰的看出預(yù)制缺陷。圖7給出的是對(duì)cfrp試件的連續(xù)特征圖像，通過(guò)對(duì)連續(xù)特征圖像進(jìn)行三維重構(gòu)可得到缺陷的三維重構(gòu)圖（如圖8所示）。對(duì)圖8中三個(gè)截線位置分別對(duì)h1~h3、h4~h6、h7~h9進(jìn)行剖切，可獲取圖9所示剖面圖。從圖中可以明顯的看出不同深度缺陷的深度差異。