CN106442624A - 一种基于时‑空调制方式的红外热波成像系统与检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时‑空调制方式的红外热波成像系统与检测方法，属于红外成像无损检测领域。计算机通过VGA控制线与DMD控制器信号连接，DMD控制器通过控制线与DMD数字显微晶片板信号连接，半导体激光器电源通过电源线与半导体激光器电连接，半导体激光器通过光纤与准直镜连接，计算机通过以太网线与红外热像仪信号连接。本发明所述的一种基于时‑空调制方式的红外热波成像系统与检测方法，对检测试件的加热均匀，在检测时对检测试件上的微裂纹敏感，且系统造价低廉。

Description

一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统与检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统与检测方法，属于红外成像无损检测领域。

背景技术

当前，常见的薄层材料如复合材料、涂层材料、金属板材及树脂材料等，本身具有较好的力学性能，但在加工制造过程中，易产生裂纹、气孔及脱粘等缺陷，严重影响材料的使用性能。因此，如何保证材料良好的使用性能，及时、高效地检测出材料缺陷等问题，在整个工艺流程中显得尤为重要。红外热波无损检测技术作为一种主动式红外检测技术，由于其具有非接触、直观、探测面积大及无损伤等优点，广泛地应用于各种薄层材料缺陷检测领域。

目前针对红外热波无损检测技术的研究主要集中在主动激励热信号加载方式及热辐射信号提取算法的相关研究领域。根据主动激励热信号加载方式的不同，主要可以分为，红外脉冲法热波无损检测技术、红外锁相法热波无损检测技术及红外热波雷达无损检测技术等。但目前以上方法都存在激励热流对试件加热不均、对微裂纹缺陷检测不敏感及仪器设备昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种基于时-空（即时间与空间）调制方式的红外热波成像系统与检测方法，以克服目前常见的红外热成像无损检测技术/系统，即脉冲法、锁相法及热波雷达法存在的加热不均、检测微裂纹时不敏感、系统造价昂贵等劣势。

本发明提出的是一种基于DMD（Digital Micro mirror Device）数字显微晶片的时间与空间同步调制红外热波成像系统与检测方法。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，其组成包括计算机、以太网线、红外热像仪、半导体激光器电源、电源线、半导体激光器、光纤、准直镜、DMD数字显微晶片板、控制线、DMD控制器及VGA控制线；

所述的计算机设有两个信号输出端，计算机的其中一个所述的信号输出端通过VGA控制线与DMD控制器的信号输入端连接，计算机的另一个信号输出端通过以太网线与红外热像仪的信号输入端连接，所述的DMD控制器的信号输出端通过控制线与DMD数字显微晶片板的信号输入端连接，所述的半导体激光器电源的电流输出端通过电源线与半导体激光器的电流输入端连接，所述的半导体激光器的激光发射端通过光纤与准直镜的激光接收端连接，所述的准直镜镜口对准DMD数字显微晶片板。

进一步的，所述的半导体激光器为808nm半导体激光器。

进一步的，所述的DMD数字显微晶片板上设有若干个DMD数字显微晶片，每个DMD数字显微晶片上阵列着至少10万个微反射镜。

利用本发明的系统实现基于时-空调制方式的红外热波成像的检测方法，所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件进行装夹固定；

步骤二：开启所述的基于时-空调制方式的红外热波成像系统中的计算机、红外热像仪、DMD控制器、半导体激光器和DMD数字显微晶片板；

步骤三：设置所述的半导体激光器峰值功率为1W，调整所述的准直镜或DMD数字显微晶片板的位置，以实现激光光路的校准；

步骤四：通过实时观察计算机的显示器，调整所述的红外热像仪焦距，使红外热像仪对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：将每个所述的DMD数字显微晶片中包含的所有微反射镜调至OFF状态，增大半导体激光器功率至20W~50W，计算机控制DMD控制器，使所述的DMD控制器控制的DMD数字显微晶片板采用逐点逐行开启的方式，此时所述的DMD数字显微晶片板反射出的激光光束则对所述的被检测试件表面进行逐点或逐行扫描；或者，使DMD控制器控制的DMD数字显微晶片板上不同区域的微反射镜按不同频率进行ON或OFF状态的变换，此时则表现为DMD数字显微晶片反射出的激光光束在被检测试件表面不同位置以不同频率热流进行注入；

步骤六：在激光光束照射被检测试件表面的同时，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，并通过计算机的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件表面缺陷的识别与判定，至此，完成了对被测试样件4的红外热波成像检测。

进一步的，步骤一、步骤五和步骤六中，所述的被检测试件的表面材料若为反光度高的材料。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）本发明通过计算机控制DMD数字显微晶片上不同区域的光照强度，克服了传统检测方法加热不均的影响；

（2）本发明通过控制DMD数字显微晶片上不同区域进行逐行扫描或多频率同时检测的方式，克服了对被检测试件裂纹缺陷检测不敏感及检测时间长等不足；

（3）本发明通过价格低廉的DMD数字显微晶片的使用替代了价格高昂的函数发生器或声光调制器的使用，降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明的基于时-空调制方式的红外热波成像系统的结构示意图。

图中：1-计算机、2-以太网线、3-红外热像仪、4-被检测试件、5-半导体激光器电源、6-电源线、7-半导体激光器、8-光纤、9-准直镜、10-DMD数字显微晶片板、11-控制线、12-DMD控制器、13-VGA控制线。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，其组成包括计算机1、以太网线2、红外热像仪3、半导体激光器电源5、电源线6、半导体激光器7、光纤8、准直镜9、DMD数字显微晶片板10、控制线11、DMD控制器12及VGA控制线13；

所述的计算机1设有两个信号输出端，计算机1的其中一个所述的信号输出端通过VGA控制线13与DMD控制器12的信号输入端连接，计算机1的另一个信号输出端通过以太网线2与红外热像仪3的信号输入端连接，所述的DMD控制器12的信号输出端通过控制线11与DMD数字显微晶片板10的信号输入端连接，所述的半导体激光器电源5的电流输出端通过电源线6与半导体激光器7的电流输入端连接，所述的半导体激光器7的激光发射端通过光纤8与准直镜9的激光接收端连接，所述的准直镜9镜口对准DMD数字显微晶片板10。

其中，红外热像仪3型号为FLIR SC 7000，响应波长为3.6~5.2μm。

具体实施方式二：如图1所示，根据具体实施方式一所述的一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，所述的半导体激光器7为808nm半导体激光器。

具体实施方式三：如图1所示，一种利用具体实施方式一或二所述的系统实现基于时-空调制方式的红外热波成像系统，所述的DMD数字显微晶片板10上设有若干个DMD数字显微晶片，每个DMD数字显微晶片上阵列着至少10万个微反射镜。

具体实施方式四：如图1所示，一种利用具体实施方式三所述的系统实现基于时-空调制方式的红外热波成像的检测方法，所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件4进行装夹固定；这里以被检测试件4为长方体形状为例，被检测试件4的长×宽×厚=10cm×10cm ×4 mm，被检测试件4的材料为CFRP材料（检测试件4预制有微裂纹缺陷；

步骤二：开启所述的基于时-空调制方式的红外热波成像系统中的计算机1、红外热像仪3、DMD控制器12、半导体激光器7和DMD数字显微晶片板10；

步骤三：（根据被检测试件4表面材料材质及厚度）设置所述的半导体激光器7峰值功率，将激光功率设置为1W，调整所述的准直镜9或DMD数字显微晶片板10的位置，以实现激光光路的校准；

步骤四：通过实时观察计算机1的显示器，调整所述的红外热像仪3焦距，使红外热像仪3对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：将每个所述的DMD数字显微晶片中包含的所有微反射镜调至OFF状态，增大半导体激光器7功率至（7）功率至20W~50W（优选30W），计算机1控制DMD控制器12，使所述的DMD控制器12控制的DMD数字显微晶片板10采用逐点逐行开启的方式，此时所述的DMD数字显微晶片板10反射出的激光光束则对所述的被检测试件4表面进行逐点或逐行扫描；或者，使DMD控制器12控制的DMD数字显微晶片板10上不同区域的微反射镜按不同频率进行ON或OFF状态的变换，此时则表现为DMD数字显微晶片反射出的激光光束在被检测试件4表面不同位置以不同频率热流进行注入；

步骤六：在激光光束照射被检测试件4表面的同时，计算机1通过以太网线2对红外热像仪3采集的图像序列进行记录，并通过计算机1的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件4表面缺陷的识别与判定，至此，完成了对被测试样件4的红外热波成像检测。

本实施方式中，逐点或逐行扫描速率以及多频率即不同频率扫描中频率范围选择根据被检测试件4表面材料材质与其结构参数而定。

具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种基于时-空调制方式的红外热波成像的检测方法，步骤一、步骤五和步骤六中，所述的被检测试件4的表面材料为反光度较低的试件（如黑色金属、碳纤维材料、铸铁等），若为反光度高的材料（如钛合金、铝合金、不锈钢等），则必须对其表面进行喷涂哑光漆处理，以增加其对光的吸收。

工作原理：DMD数字显微晶片如今被广泛地应用于投影设备。每个DMD数字显微晶片的边长一般为0.55~0.95英寸（晶片为正方形），在每个DMD数字显微晶片上阵列有几十万到几百万个微反射镜。每个微反射镜都能将激光光线从两个方向反射出去，实际反射方向则视底层记忆晶胞的状态而定；当记忆晶胞处于ON状态时，微反射镜会以其中轴为基准顺时针旋转至+12°，记忆晶胞处于OFF状态，微反射镜会以其中轴为基准轴逆时针旋转至-12°。只要结合DMD数字显微晶片板10以及适当光源和投影光学系统，微反射镜就会把入射光反射进入或是离开红外热像仪3的透光孔，使得ON状态的微反射镜看起来非常明亮，OFF状态的微反射镜看起来就很黑暗。因此可以借助DMD数字显微晶片板10充当多个声光调制器的作用。时-空调制热波无损检测方法基于光热辐射测量（Photothermal radiometry,PTR）原理，采用计算机1控制DMD控制器12，使DMD数字显微晶片中每个微反射镜按指定信号规律变化，激光光源经过DMD数字显微晶片中处于ON状态的微反射镜照射到被检测试件4表面，规律变化的激光照射到被检测试件4后，由于存在光热效应，被检测试件4出现温度涨落与红外辐射，光热辐射信号与被检测试件4光热特性参数和结构相关，信号被红外热像仪3接收，进而通过信号处理算法提取被检测试件4光热特性达到对被检测试件4表面缺陷的判定。

Claims (5)

1.一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，其特征在于：其组成包括计算机（1）、以太网线（2）、红外热像仪（3）、半导体激光器电源（5）、电源线（6）、半导体激光器（7）、光纤（8）、准直镜（9）、DMD数字显微晶片板（10）、控制线（11）、DMD控制器（12）及VGA控制线（13）；

所述的计算机（1）设有两个信号输出端，计算机（1）的其中一个所述的信号输出端通过VGA控制线（13）与DMD控制器（12）的信号输入端连接，计算机（1）的另一个信号输出端通过以太网线（2）与红外热像仪（3）的信号输入端连接，所述的DMD控制器（12）的信号输出端通过控制线（11）与DMD数字显微晶片板（10）的信号输入端连接，所述的半导体激光器电源（5）的电流输出端通过电源线（6）与半导体激光器（7）的电流输入端连接，所述的半导体激光器（7）的激光发射端通过光纤（8）与准直镜（9）的激光接收端连接，所述的准直镜（9）镜口对准DMD数字显微晶片板（10）。

2.根据权利要求1所述的一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，其特征在于：所述的半导体激光器（7）为808nm半导体激光器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于时-空调制方式的红外热波成像系统，其特征在于：所述的DMD数字显微晶片板（10）上设有若干个DMD数字显微晶片，每个DMD数字显微晶片上阵列着至少10万个微反射镜。

4.一种利用权利要求3所述的系统实现基于时-空调制方式的红外热波成像的检测方法，其特征在于：所述的检测方法包括如下步骤：

步骤一：将被检测试件（4）进行装夹固定；

步骤二：开启所述的基于时-空调制方式的红外热波成像系统中的计算机（1）、红外热像仪（3）、DMD控制器（12）、半导体激光器（7）和DMD数字显微晶片板（10）；

步骤三：设置所述的半导体激光器（7）峰值功率为1W，调整所述的准直镜（9）或DMD数字显微晶片板（10）的位置，以实现激光光路的校准；

步骤四：通过实时观察计算机（1）的显示器，调整所述的红外热像仪（3）焦距，使红外热像仪（3）对焦合理，图像成像清晰；

步骤五：将每个所述的DMD数字显微晶片中包含的所有微反射镜调至OFF状态，增大半导体激光器（7）功率至20W~50W，计算机（1）控制DMD控制器（12），使所述的DMD控制器（12）控制的DMD数字显微晶片板（10）采用逐点逐行开启的方式，此时所述的DMD数字显微晶片板（10）反射出的激光光束则对所述的被检测试件（4）表面进行逐点或逐行扫描；或者，使DMD控制器（12）控制的DMD数字显微晶片板（10）上不同区域的微反射镜按不同频率进行ON或OFF状态的变换，此时则表现为DMD数字显微晶片反射出的激光光束在被检测试件（4）表面不同位置以不同频率热流进行注入；

步骤六：在激光光束照射被检测试件（4）表面的同时，计算机（1）通过以太网线（2）对红外热像仪（3）采集的图像序列进行记录，并通过计算机（1）的控制软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行被检测试件（4）表面缺陷的识别与判定，至此，完成了对被测试样件4的红外热波成像检测。

5.根据权利要求4所述的基于时-空调制方式的红外热波成像的检测方法，其特征在于：步骤一、步骤五和步骤六中，所述的被检测试件（4）的表面材料为反光度低的材料。