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CN107110801B - 用于对测试对象上的表面附近的结构进行无损检验的热成像检验装置及方法 - Google Patents

用于对测试对象上的表面附近的结构进行无损检验的热成像检验装置及方法 Download PDF

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CN107110801B
CN107110801B CN201580061137.0A CN201580061137A CN107110801B CN 107110801 B CN107110801 B CN 107110801B CN 201580061137 A CN201580061137 A CN 201580061137A CN 107110801 B CN107110801 B CN 107110801B
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Abstract

一种热成像检验装置并用于对测试对象上的表面附近的结构进行无损检验，包括用于将热能施加至测试对象的待加热的表面区域的加热装置；用于在施加热能之后对测试对象的待测量的表面区域上的空间温度分布的时间轮廓进行检测的热传感器装置，其中待测量的表面区域包括待加热的表面区域以及与待加热的表面区域邻近的待测量的外部表面区域；以及用于对空间温度分布的时间轮廓进行评估从而因此对待测量的表面区域上的表面附近的结构的至少一个参数进行检测的评估装置。

Description

用于对测试对象上的表面附近的结构进行无损检验的热成像 检验装置及方法
背景技术
当生产零件时，特别是生产具有小壁厚的零件时，遵守限定的壁厚对于稳定性及因此对于质量是重要的。特别地，使用例如具有相对大量的散布(dispersion)的方法，例如，如层压、精确模具铸造(dead-mold casting)或离心铸造，需要在连续基础上度量地验证所得到的值，以能够识别近表面缺陷，如脱层(层压过程)、气体夹杂(精确模具铸造)或壁厚不足(离心铸造)。置于测量装置上的需求包括：根据应用的领域，用于过程集成的短测量时间，对待测试对象的少量应力，这是由于例如在照射的情况下的热输入以及长生命和低成本所造成的。
由计算机断层摄影术表示对象的内部结构的三维检测的建立方法，其中X射线从不同的方向对测量的对象进行照射，其中从个别X射线图像重建三维对象。
存在不同大小、分辨率和速度的计算机断层成像。如果期望高测量速度，技术支出及因此的成本非常高，以至于在很多情况下都不能经济地应用此测量方法。
通过热成像方法提供一种用以降低成本的方法。借助于热成像方法(热像法)，有可能对靠近表面的试样且特别地具有薄壁厚的试样进行检验。
在一些热成像方法中，借助于以二维方式表现的热源或冷源使试样的表面遭受短期加热和/或冷却，以及借助于热成像摄像机(红外摄像机)对表面温度的后续时间轮廓进行记录并随后进行评价。当使用热方程时考虑如热导率、特定热容量及密度的材料参数，可随后从表面温度的时间轮廓得到如气体夹杂的深度或最顶层的厚度的几何性质。在此，重要的是，被检验的区域充分平行于表面而延伸，并要确定关于结构特征的热性质的差异。从参考文献[1]已知如热成像方法的示例。
此外，从现有技术已知解决方案，其中例如借助于激光点实现表面的局部加热，且由点检测器对热成像系统进行光学跟踪。基于点检测器，甚至在慢扫描系统中，此解决方案能够实现照明和热检测之间的固定时间常数。可在参考文献[2]、[3]、[4]及[5]中找到其示例。
从参考文献[6]已知一种简化的方法，其中对特定时间点处的表面温度进行检测，而不是检测表面温度的时间轮廓。
参考文献[7]提供了热成像方法的通用概述。
发明内容
本发明的目的在于提供用于测试对象处的近表面结构的无损检验的改进的热成像检验工具以及改进的热成像方法。
通过用于测试对象处的近表面结构的无损检验的热成像检验工具实现此目的，该热成像检验工具包括：
用于将热能施加至测试对象的待加热的表面区域的加热装置；
用于在热能的施加之后对测试对象的待测量的表面区域上的空间温度分布的时间轮廓进行检测的热传感器工具，待测量的表面区域包括待加热的表面区域以及与待加热的表面区域邻近的待测量的外部表面区域；以及
用于对空间温度分布的时间轮廓进行评估以对待测量的表面区域处的近表面结构的至少一个参数进行检测的评估工具。
在从参考文献[1]至[7]已知的解决方案中，将热量施加至试样的待加热的表面区域，并对此恰好的待加热的表面区域的表面温度进行测量。借助于垂直于表面区域的热传播，确定试样的待加热的表面区域处的热性质或待加热的且被逐一测量的表面区域的热性质的差异，其中差异将随后形成用于确定试样的近表面结构的参数的基础。
与此相反，根据本发明，为确定空间温度分布作准备，不仅针对待加热的表面区域还针对与待加热的表面区域邻近的待测量的外部表面区域确定所述温度分布。待加热的表面区域和待测量的外部表面区域形成待测量的整个表面区域。
为了确定有意义的空间温度分布，特别地，对在待测量的表面区域的至少两个不同的测量点处呈现的各自温度进行检测是有必要的。然而，考虑到实现改进的且更准确的可评估性的目标，可提供明显更多的不同的测量点。例如可提供10-500个不同的测量点。
在此上下文中，在待加热的表面区域处提供至少一个测量点并在待测量的外部表面区域处提供至少一个另一测量点是必要的。
根据本发明，为在不同时间点处对空间温度分布进行重复检测作准备，以因此对用于待测量的表面区域的空间温度分布的时间轮廓进行检测。例如，随后可借助于热方程对空间温度分布的时间轮廓进行分析，所述分析随后用于确定测试对象的近表面结构的至少一个参数。
在热输入之后的特定的时间内或特定时间点处，例如可借助于矩阵热成像摄像机对周围环境进行测量。此涉及对除了热输入的位置之外的外表热分布的时间轮廓的记录。可由合适的函数对在热输入的位置周围的环境的个别点处的空间温度增长进行拟合，例如，通过对热方程进行求解。因此，可甚至在非常有缺陷的或嘈杂的图像和热成像视频序列的情况下或在例如归因于加热或冷却而未处于热平衡状态下的测量的对象的情况下对热性质进行推断。通过考虑关于未通过热输入直接加热的环境的相对行为，可改进结果。
所述贡献可被用来得出关于热的传播以及因此的恒定的热材料参数的邻接区域的深度的结论。
通过确定比待加热的区域大的区域内的空间温度分布的时间轮廓，可对例如叠加的独立的外部影响(如环境温度的变化)或叠加的独立的内部影响(如归因于噪音或有缺陷的校准的测量系统的缺陷)进行补偿，与之前已知的解决方案不同，其中仅确定待加热的区域处的温度的时间轮廓。因此，可以比至今已可能更准确地对试样的近表面结构的兴趣参数进行检测。
特别地对于在热传感器工具的分辨率的数量级下的非常小的温度变化，噪声对系统的测量准确性的影响相当大。在现有技术中，可借助于改进的且因此成本更高的测量技术或借助于增加的热输入，即借助于待加热的表面的更高起始温度来尝试解决此问题。然而，对于例如食品工业中的大量的应用，需要对热输入进行限制从而维持冷链。由于使用所发明的解决方案，可对噪声进行比现有技术已可能的更好的补偿，也可相对于现有技术减少热输入的量，从而使得检验工具的应用领域增加。
根据本发明的有益的另一开发，参数为测试对象的壁的厚度。实践中，在很多情况下能够以无损的方式对测试对象的壁的厚度进行识别是可取的。确实如此，特别是对于例如所有种类的中空体，例如对于工艺的中空体(如容器或导管)或对于被提供作为食品的中空体(如中空的巧克力)。
根据本发明的有益的另一开发，参数为测试对象的壁的密度。此外，在实践中能够以无损的方式对测试对象的壁的密度进行识别常常是可取的。确实如此，特别是对于铸造体，其中密度的变化是包含杂质的象征。特别地，可因此识别在铸造体中存在的气体杂质。
根据本发明的方便的另一开发，将待加热的表面区域配置为点形、开放曲线形式的线形、闭合曲线形式的线形、圆形或椭圆形。可以以高度浓缩和/或集中的方式实现热量的输入，以使得热量可保持为小的。实验已示出当待加热的表面区域具有线性闭合曲线的形式时可以达到尤其精确的结果。在此情况下，具体地，可能对发生在被曲线包围的区域之中及其外部的表面处的空间温度分布进行评估。
根据本发明的有益的另一开发，待加热的表面区域包括至少两个隔开的待加热的表面子区域，其是同一待测量的表面区域的部分。在此上下文中，可关于空间温度分布对位于待加热的表面子区域之间的表面的部分以及不位于待加热的表面子区域之间的表面的部分进行检验，其可进一步增加测量的准确度等级。
根据本发明的有益的另一开发，加热装置用于借助于电磁波将热能施加至待加热的表面区域。电磁波可以例如是微波、光波或激光波。在此尤其有益的是，可将加热装置布置在距试样一定距离处，以使得加热装置将不损害热传感器工具的检测区域。
根据本发明的方便的另一开发，加热装置用于借助于机械激励将热能施加至待加热的表面区域。所述机械激励可以进行接触或可以以非接触方式实现，例如借助于超声波。
根据本发明的有益的另一开发，加热装置用于借助于热传导将热能施加至待加热的表面区域。以此方式，可实现集中热输入，以使得热量可以是特别小的。
根据本发明的方便的另一开发，加热装置用于通过在待加热的表面区域处生成电流将热能施加至待加热的表面区域。以此方式，可以以几乎无损耗的方式将热能施加至待加热的表面区域。
根据本发明的有益的另一开发，热传感器工具包括一维传感器，例如数字线路传感器。例如，传感器可以是CCD线路传感器、CMOS线路传感器或模拟线路传感器。此类线路传感器在低成本下是可用的，并且尤其适用于以一维(如线性)方式确定空间温度分布的情况。然而，原则上，还有可能在使用线路传感器的同时借助于多个线性镜头生成二维热图像。
根据本发明的方便的另一开发，热传感器工具包括二维传感器，例如数字图像传感器。所述传感器可以(例如)是CCD矩阵传感器、CMOS矩阵传感器或模拟矩阵传感器。此类传感器在低成本下也是可用的。然而，其能够通过使用仅一个镜头捕捉二维热图像。
根据本发明的尤其有益的另一开发，加热装置用于以同时的或时间重叠的方式将热能施加至多个待加热的表面区域，热传感器工具用于以同时的或时间重叠的方式在测试对象的多个待测量的表面区域上对在热能的施加之后的空间温度分布的那些时间轮廓进行检测，待测量的表面区域各自包括待加热的表面区域中的一个以及邻近于各个待加热的表面区域的一个外部表面区域；以及其中评估工具用于以同时的或时间重叠的方式对空间温度分布的时间轮廓进行评估，从而以同时的或时间重叠的方式对多个待测量的表面区域处的近表面结构的至少一个参数进行检测。
“同时”在此应该意味着各个事件开始于相同的时间点且结束于相同的时间点。此外，“时间重叠”被理解为意味着后一事件开始于前一事件的开始和结束之间。
在本发明的此另一开发的上下文中，可能在短时间内对多个表面区域进行检验。
如果加热装置用于发出电磁波，加热装置可包括光学器件，其将生成的电磁波聚焦于多个待加热的表面区域上。
根据本发明的有益的另一开发，评估工具用于在对空间温度分布的时间轮廓进行评估时考虑待测量的表面区域关于热传感器工具的光轴的倾角的空间轮廓。
为了测试对象内的热流量的准确评估，沿表面确定温度分布是必要的。然而，由于透视变形，例如由于热传感器工具的光学性质，不可能直接沿表面确定温度分布。特别地，当热传感器工具的视线(即光轴)不垂直地入射至各个测量点时此适用，这(特别地)对于关于垂直于光轴布置的平面而倾斜的测试对象的平面表面或对于至少在一些区域中关于垂直于光轴布置的平面而明显地倾斜的测试对象的弯曲表面是如此。
此外，利用倾斜的以及特别地利用弯曲的表面，产生的问题在于待加热的表面区域的大小及形状可取决于表面的倾斜度和/或曲率，以使得针对各个表面区域的热量也改变。
通过考虑待测量的表面区域相对于热传感工具的光轴的倾角的空间轮廓，可对归因于透视变形的误差以及归因于针对表面区域的热量的变化的误差进行补偿。
根据本发明的有益的另一开发，对加热装置进行配置以使得热能至测试对象的待加热的表面区域的施加可依据倾角的空间轮廓而实现。
因此，可能根据倾角的空间轮廓使得热量的输入遭受开环或闭环控制。例如，加热装置的功率或加热装置的运行持续时间可能遭受开环或闭环控制。以此方式，可以避免的是，在待加热的表面区域几乎垂直于热施加的方向的情况下的测试对象的局部过热以及在待加热的表面区域几乎平行于热施加的方向的情况下的测试对象的不可估计的小的热量。
根据本发明的有益的另一开发，热成像检验工具包括用于对倾角的空间轮廓进行检测的倾角检测工具。例如，倾角检测工具可包括激光区段摄像机。借助于光学激光区段摄像机，归因于借助于加热装置的已知光路的三角测量，可轻易地确定测试对象的入射点的位置以及表面的曲率和定向。
为此，待加热的表面区域的位置可被用来实现其在倾角的空间轮廓中的准确定位。如果需要，可借助于用来加热的激光或借助于单独的激光生成附加线，从而增加覆盖面积并因此增加分辨率。换言之，可首先以高分辨率从加热过程单独地对倾角的空间轮廓进行检测，在此情况下，待加热的表面区域可作为用于使得倾角的空间轮廓及空间温度分布相一致的参考。
以此方式，也可以检验具有复杂的外部形状的测试对象而无需明确已知所述形状。
根据本发明的有益的另一开发，热成像检验工具包括用于生产校准体(calibration body)(特别地，楔形的校准体)的铸造模具。借助于照射输入的热依赖于功率的谱和空间分布且依赖于源所照射的表面面积以及依赖于表面的反射和/或吸收系数。归因于许多影响因素且归因于其幅值有时是变化的或难以识别的事实，布置的校准先于对近表面结构进行检验是有益的。为此，可使用具有可被识别的具有从较低到较高的值变化的已知厚度的楔形形状且已从与测量的对象相同的材料生产的校准体。所提供的铸造模具能够容易地生产与各个测试对象对应的校准体。
在另一方面中，通过用于测试对象处的近表面结构的无损检验的方法实现此目的。该方法包括以下步骤：
借助于加热装置将热能施加至测试对象的待加热的表面区域；
在热能的施加之后借助于热传感器工具检测在测试对象处的待测量的表面区域上的空间温度分布的时间轮廓，待测量的表面区域包括待加热的表面区域以及与待加热的表面区域邻近的外部表面区域；以及
借助于评估工具对空间温度分布的时间轮廓进行评估，从而对在待测量的表面区域处的近表面结构的至少一个参数进行检测。
在所发明的热成像检验工具结果的上下文中论述优点。应理解的是，所发明的方法可包括在所发明的热成像检验工具的上下文中描述的其他方法步骤。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明及其优点，其中：
图1展示所发明的热成像检验工具的第一实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象的相关示意性主视图；
图2展示测试对象的示例性热图像以及以暂时偏移(offset)方式在测试对象的待测量的表面区域的区域内捕捉的热图像形式的空间温度分布的放大的示例性时间轮廓；
图3展示暂时偏移位置/温度轮廓形式的空间温度分布的示例性时间轮廓；
图4展示在具有大的壁厚的测试对象的局部俯视图中的示例性温度分布以及在具有较小壁厚的测试对象的局部俯视图中的示例性温度分布；
图5展示所发明的热成像检验工具的第二实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象的相关示意性主视图；
图6展示所发明的热成像检验工具的第三实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象的相关示意性主视图；以及
图7展示用于生产校准体的铸造模具的示意性三维表示以及借助于铸造模具生产的校准体的示意性三维表示。
具体实施方式
下文中，将以相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件或具有相同的或等同功能的元件。
在下面的描述中，将更加详细地描述具有本发明的多数特征的实施例，从而提供本发明的增进的理解。然而，应当注意的是，也可在忽略所描述的个别特征的情况下实施本发明。还应当注意的是，也可以以不同的方式对在各种实施例中展示的特征进行组合，除非这被明确否认或将导致冲突。
图1展示所发明的热成像检验工具1的第一实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象PO的相关示意性主视图。
热成像检验工具1包括：
用于将热能施加至测试对象PO的待加热的表面区域BO的加热装置2；
用于在施加热能之后对测试对象PO的待测量的表面区域VO上的空间温度分布的时间轮廓进行检测的热传感器工具3，其中待测量的表面区域VO包括待加热的表面区域BO以及与待加热的表面区域BO邻近的待测量的外部表面区域AO；以及
用于对空间温度分布的时间轮廓进行评估从而对待测量的表面区域VO处的近表面结构的至少一个参数进行检测的评估工具4。
从参考文献[1]至[7]已知的解决方案中，热量被施加至试样的待加热的表面区域，并对此恰好的待加热的表面区域的表面温度进行测量。借助于垂直于表面区域的热传播，将对试样的待加热的表面区域处的热性质或待加热的且被逐一测量的表面区域的热性质的差异进行确定，其中差异将随后形成用于确定试样的近表面结构的参数的基础。
与之相反，根据本发明，为确定空间温度分布作准备，不仅针对待加热的表面区域BO还针对与待加热的表面区域BO邻近的待测量的外部表面区域AO而对所述温度分布进行确定。待加热的表面区域BO和待测量的外部表面区域AO形成待测量的整个表面区域VO。
为了确定有意义的空间温度分布，特别地，对在待测量的表面区域VO的至少两个不同的测量点处呈现的各自温度进行检测是有必要的。然而，考虑到实现改进的且更准确的可评估性的目标，可提供明显更多的不同的测量点。例如可提供10-500个不同的测量点。
在此上下文中，在待加热的表面区域BO处提供至少一个测量点并在待测量的外部表面区域AO处提供至少一个另一测量点是必要的。
根据本发明，为在不同时间点处对空间温度分布进行重复检测作准备，以因此对用于待测量的表面区域VO的空间温度分布的时间轮廓进行检测。例如，随后可借助于热方程对空间温度分布的时间轮廓进行分析，随后所述分析用于确定测试对象PO的近表面结构的至少一个参数。
在热输入之后的特定的时间内或特定时间点处，例如可借助于矩阵热成像摄像机对周围环境VO进行测量。矩阵热成像摄像机包括位于检测区域EB中心的光轴OA。上文涉及对除了热输入的位置BO之外的待测量的表面区域VO内的外表热分布的时间轮廓的记录。可由合适的函数对在热输入的位置周围的环境的个别点处的空间温度增长进行拟合，例如，通过对热方程进行求解。因此，可甚至在非常有缺陷的或嘈杂的图像和热成像视频序列的情况下或在例如归因于加热或冷却而未处于热平衡状态下的测量的对象的情况下对热性质进行推断。通过考虑关于未通过热输入直接加热的环境AO的相对行为，可改进结果。
所述贡献可被用来得出关于热的二维传播以及因此的恒定的热材料参数的邻接区域的深度的结论。
通过确定比待加热的区域OB大的区域VO内的空间温度分布的时间轮廓，可对例如叠加的独立的外部影响(如环境温度的变化)或叠加的独立的内部影响(如归因于噪音或有缺陷的校准的测量系统的缺陷)进行补偿，与之前已知的解决方案不同，其中仅确定待加热的区域处的温度的时间轮廓。因此，可以比至今已可能更准确地对试样PO的近表面结构的兴趣参数进行检测。
特别地在具有以热传感器工具3的分辨率的数量级的非常小的温度变化的情况下，噪声对热成像检验工具1的测量准确性的影响相当大。在现有技术中，可借助于改进的且因此成本更高的测量技术或借助于增加的热输入，即借助于待加热的表面的更高起始温度来尝试解决此问题。然而，对于例如食品工业中的大量的应用，需要对热输入进行限制从而维持冷链。由于使用所发明的解决方案，可对噪声进行比现有技术已可能的更好的补偿，也可相对于现有技术减少热输入的量，从而使得热成像检验工具1的应用领域增加。
为了实现紧凑的布置以及加热装置2相对于热传感工具3的容易定向的可能性，在加热装置2的光路中可提供镜子。
根据本发明的有益的另一开发，参数为测试对象PO的壁WA的厚度DW。实践中，在很多情况下能够以无损的方式对壁WA的厚度DW进行识别是可取的。确实如此，特别是对于例如所有种类的中空体PO，例如对于工艺的中空体(如容器或导管)或对于被提供作为食品的中空体(如中空的巧克力PO)。
根据本发明的有益的另一开发，参数为测试对象PO的壁的密度。此外，在实践中能够以无损的方式对测试对象PO的壁WA的密度进行识别常常是可取的。确实如此，特别是对于铸造体PO，其中密度的变化是包含杂质的象征。特别地，可因此识别在铸造体PO中存在的气体杂质。
根据本发明的方便的另一开发，将待加热的表面区域BO配置为点形、开放曲线形式的线形、闭合曲线形式的线形、圆形或椭圆形。可以以高度浓缩和/或集中的方式实现热量的输入，以使得热量可保持为小的。实验已示出当待加热的表面区域BO具有线性闭合曲线的形式时可以达到尤其精确的结果。在此情况下，具体地，可能对发生在被曲线包围的区域OB之中或其外部的表面OF处的空间温度分布OTV进行评估。
根据本发明的有益的另一开发，待加热的表面区域BO包括至少两个隔开的待加热的表面子区域，其是相同的待测量的表面区域VO的部分。在此上下文中，可关于空间温度分布OTV对位于待加热的表面子区域之间的表面OF的部分以及不位于待加热的表面子区域之间的表面OF的部分进行检验，其可进一步增加测量的准确度等级。
根据本发明的有益的另一开发，加热装置2用于借助于电磁波EW将热能施加至待加热的表面区域BO。电磁波EW可以例如是微波、光波或激光波。在此尤其有益的是，可将加热装置2布置在距离试样PO一定距离处，以使得加热装置2将不损害热传感器工具3的检测区域EB。
根据本发明的方便的另一开发(未示出)，加热装置2用于借助于机械激励将热能施加至待加热的表面区域OB。所述机械激励可以进行接触或可以以非接触的方式实现，例如借助于超声波。
根据本发明的有益的另一开发(未示出)，加热装置2用于借助于热传导将热能施加至待加热的表面区域OB。以此方式，可实现集中热输入，以使得热量可以是特别小的。
根据本发明的方便的另一开发(未示出)，加热装置2用于通过在待加热的表面区域OB处生成电流将热能施加至待加热的表面区域OB。以此方式，可以以几乎无损耗的方式将热能施加至待加热的表面区域。
根据本发明的有益的另一开发(未示出)，热传感器工具3包括一维传感器，例如数字线路传感器。例如，传感器可以是CCD线路传感器、CMOS线路传感器或模拟线路传感器。此类线路传感器在低成本下是可用的，并且尤其适用于以一维(如线性)方式确定空间温度分布的情况。然而，原则上，还有可能在使用线路传感器的同时借助于多个线性镜头生成二维热图像。
根据本发明的方便的另一开发，热传感器工具3包括二维传感器，例如数字图像传感器。所述传感器可以(例如)是CCD矩阵传感器、CMOS矩阵传感器或模拟矩阵传感器。此类传感器在低成本下也是可用的。然而，其能够通过使用仅一个镜头捕捉二维热图像。
在另一方面中，本发明包括一种用于测试对象处的近表面结构的无损检验的方法，该方法包括以下步骤：
借助于加热装置2将热能施加至测试对象PO的待加热的表面区域BO；
在热能的施加之后借助于热传感器工具3对在测试对象PO处的待测量的表面区域VO上的空间温度分布OTV的时间轮廓ZV进行检测，待测量的表面区域VO包括待加热的表面区域BO以及与待加热的表面区域BO邻近的外部表面区域AO；以及
借助于评估工具4对空间温度分布OTV的时间轮廓ZV进行评估，从而对在待测量的表面区域VO处的近表面结构的至少一个参数进行检测。
图2展示测试对象PO的示例性热图像以及以暂时偏移方式在测试对象PO的待测量的表面区域VO的区域内捕捉的热图像形式的空间温度分布OTV的放大的示例性时间轮廓ZV。
热传感工具3可用来随着时间对在通过辐射加热的点BO周围的区域中的测量的对象PO的表面温度进行检测。在图2中，在左手边使用已在特定点处被加热的测量的对象PO绘示此情况。
通过在时间t1、t2、t3、t4以及t5处以二维方式捕捉的热图像绘示空间温度分布OTV的时间轮廓ZV，其绘示于图2的右手边。
特别是在具有相对于热传感器工具3的热分辨率的非常小的温度增长的情况下，存在如下问题：测量的热分布被其噪声叠加。借助于颜色编码的温度分布可在图2中容易看出此情况。
代替点BO，借助于光学器件(衍射光学元件-DOE)，可同时地或--由扫描仪所作出--逐一地将多个点BO映射至测量的对象上。随后必须针对每个图像单独地执行热检测，或在距热的作用足够小的时间距离处实现热检测。
图3展示暂时偏移位置/温度轮廓OTV形式的空间温度分布OTV的示例性时间轮廓ZV。位置/温度轮廓OTV指示以一维方式(即在x方向)在时间t1、t2、t3、t4以及t5处的温度分布。
在左手边，图4展示在具有大的壁WA的厚度DW的测试对象PO的局部俯视图中的示例性温度分布，以及在右手边展示在具有较小的壁WA的厚度DW的测试对象PO的局部俯视图中的示例性温度分布。在各种情况中以等温线IT1、IT2、IT3(即相同温度的线)绘示温度分布。
可从图4中清晰地看出，除壁WA的厚度DW降低之外，其他所有保持不变，将导致等温线在x方向(即与表面OF平行)延伸跨越更大的区域。
归因于热传导，热能在测量的对象内传播，其可借助于在表面OF处的变化的热分布进行检测。以在几秒的范围内的温度分布OTV的时间轮廓在图2的右手边对此进行展示。对于厚的和薄的壁WA，在图4中绘示两种传播变形。因此，考虑在深度方向上无限延伸的且具有高导热性的体积(volume)，在深度的方向(即z方向)以及在横向的方向(即x方向)上传播，并且在扁平体积的情况下，实质上是在横向方向上传播。借助于时间轮廓和/或在特定限定的时间点上的热分布，可借助于一贯的高等级的热传导确定测量的对象PO的壁WA的厚度DW和/或本体的形状。
各种影响因素(测量的对象的温度以及环境温度、空气流动和/或环境的辐射以及测量的对象的特定的热容量和导热性)确定初始热输入、测量开始处的温度、测量的对象PO内的热的传播以及(因此)可在表面OF上识别的空间温度分布OTV的时间轮廓之间的关联。辐射率定义了实际表面温度和在热成像摄像机的波长范围内的识别的辐射之间的关联。
图5展示所发明的热成像检验工具1的第二实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象PO的相关示意性主视图。
根据本发明的尤其有益的另一开发，加热装置2用于以同时的或时间重叠的方式将热能施加至多个待加热的表面区域BO1、BO2，热传感器工具3用于以同时的或时间重叠的方式在测试对象PO的多个待测量的表面区域VO1、VO2上对在热能的施加之后的空间温度分布的那些时间轮廓进行检测，待测量的表面区域VO1、VO2各自包括待加热的表面区域BO1、BO2中的一个以及邻近于各个待加热的表面区域BO1、BO2的一个外部表面区域AO1、AO2；以及其中评估工具4用于以同时的或时间重叠的方式对空间温度分布的时间轮廓进行评估，从而以同时的或时间重叠的方式对多个待测量的表面区域VO1、VO2处的近表面结构的至少一个参数进行检测。
“同时”在此应意味着各个事件开始于相同的时间点且结束于相同的时间点。此外，“时间重叠”被理解为意味着后一事件开始于前一事件的开始和结束之间。
在本发明的此另一开发的上下文中，可能在短时间内对多个表面区域VO1、VO2进行检验。
如果加热装置2用于发出电磁波EW，加热装置2可包括光学器件5，其将生成的电磁波EW聚焦于多个待加热的表面区域BO1、BO2上。
图6展示所发明的热成像检验工具1的第三实施例的示意性俯视图以及放大表示的测试对象PO的相关示意性主视图。在图6中，将加热装置2、热传感器工具3以及倾角检测工具6绘示于一个平面内。此仅归因于与绘图相关的原因。现实中，更有利的是(例如)加热装置2和热传感器工具3跨越第一平面，并且热传感器工具3和倾角检测工具6跨越第二平面，这些平面相对于彼此以合适的角度布置。
根据本发明的有益的另一开发，评估工具4用于在对空间温度分布的时间轮廓进行评估时考虑待测量的表面区域VO关于热传感器工具3的光轴OA的倾角NE的空间轮廓。
为了测试对象PO内的热流量的准确的评估，沿表面OF确定温度分布是必要的。然而，归因于透视变形，例如由于热传感器工具3的光学性质，不可能直接沿表面确定温度分布。特别地，当热传感器工具3的视线(即光轴OA)不垂直地入射至各个测量点时此适用，这(特别地)在利用关于垂直于光轴OA布置的平面而倾斜的测试对象PO的平面表面OF的情况下，或在利用至少在一些区域中关于垂直于光轴OA布置的平面而明显地倾斜的测试对象PO的弯曲表面OF的情况下是如此。
此外，使用倾斜的以及尤其使用弯曲的表面OF，产生的问题在于待加热的表面区域BO的大小及形状可能取决于表面OF的倾斜度和/或曲率，以使得针对各个表面区域的热量也改变。
通过考虑待测量的表面区域VO相对于热传感工具3的光轴OA的倾角NE的空间轮廓，可对归因于透视变形的误差以及归因于针对表面区域的热量的变化的误差进行补偿。
根据本发明的有益的另一开发，对加热装置2进行配置以使得热能至测试对象PO的待加热的表面区域BO的施加可依据倾角NE的空间轮廓而实现。
因此，可能根据倾角NE的空间轮廓使得热量的输入遭受开环或闭环控制。例如，加热装置2的功率或加热装置2的运行持续时间可能遭受开环或闭环控制。以此方式，可以避免的是，在待加热的表面区域BO几乎垂直于热施加的方向的情况下的测试对象PO的局部过热以及(另一方面)在待加热的表面区域OB几乎平行于热施加的方向的情况下的测试对象PO的不可估计的小的热量。
根据本发明的有益的另一开发，热成像检验工具1包括用于对倾角NE的空间轮廓进行检测的倾角检测工具6。例如，倾角检测工具6可包括激光区段摄像机。借助于光学激光区段摄像机，归因于借助于加热装置2的已知光路的三角测量，可轻易地确定测试对象PO的入射点的位置和表面OF的曲率以及定向。可将激光区段摄像机调谐至加热装置2的谱。
为此，待加热的表面区域的位置可被用来实现其准确定位。如果需要，可借助于用来加热的激光或借助于单独的激光生成附加线，从而增加覆盖面积并因此增加分辨率。换言之，可首先以高分辨率从加热过程单独地对倾角NE的空间轮廓进行检测，在此情况下，待加热的表面区域BO可作为用于使得倾角NE的空间轮廓及空间温度分布OTV相一致的参考。
以此方式，对具有复杂的外部形状的测试对象进行检验也是有可能的而无需明确已知所述形状。
图7展示用于生产校准体的铸造模具的示意性三维表示以及借助于铸造模具生产的校准体的示意性三维表示。
根据本发明的有益的另一开发，热成像检验工具1包括用于生产校准体8(特别是楔形的校准体8)的铸造模具7。借助于照射输入的热依赖于功率的谱和空间分布且依赖于源所照射的表面面积以及依赖于表面的反射和/或吸收系数。归因于许多影响因素且归因于其幅值有时是变化的或难以识别的事实，布置1的校准先于对近表面结构进行检验是有益的。为此，可使用具有可被识别的具有从较低到较高的值变化的已知厚度d1和d2的楔形形状且已从与测量的对象PO相同的材料生产的校准体8。所提供的铸造模具7能够容易地生产与各个测试对象PO对应的校准体8。
铸造模具7包括底部9，底部9包含狭缝10并沿着校准体8的厚度d变化的方向延伸。此外，铸造模具7具有四个侧壁11以及用于狭缝10的封罩12。铸造模具7在顶部开口，以使得当狭缝10被封罩12封闭时可填充以可铸材料。一旦可铸材料凝固，可移除封罩12，以使得校准体8的下侧暴露于狭缝10的区域中。此时，仍位于铸造模具7内的校准体8可用来校准，因为在狭缝10的区域中的校准体8内的温度传播实质上不受铸造模具7的影响。标记13用来在校准期间定位校准体8。
图7中绘示的铸造模具7用于从可铸材料生产校准体8。对模具7进行配置，以使得封罩12是可移除的，从而使得校准体8暴露于狭缝10之上。借助于标记13，可沿着标记13之间的直连接线从外部读出狭缝10的中心的位置以及校准体8的厚度，并在校准时对其进行考虑。为了识别光学参数，校准体8绕着合适的旋转轴旋转。以此方式，可以确定表面性质对测量过程的影响。
附图标记：
1 热成像检验工具
2 加热装置
3 热传感器工具
4 评估工具
5 分束器
6 倾角检测工具
7 铸造模具
8 校准体
9 底部
10 狭缝
11 侧壁
12 封罩
13 标记
PO 测试对象
OF 表面
BO 待加热的表面区域
VO 待测量的表面区域
AO 待测量的外部表面区域
DW 测试对象的壁厚
EB 检测区域
OA 光轴
WA 壁
EW 电磁波
ZV 空间温度分布的时间轮廓
OTV 空间温度分布
d 校准体的厚度
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Claims (16)

1.一种用于测试对象(PO)处的近表面结构的无损检验的热成像检验工具，包括：
加热装置(2)，用于将热能施加至所述测试对象(PO)的待加热的表面区域(BO)；
热传感器工具(3)，用于在热能的施加之后对所述测试对象(PO)的待测量的表面区域(VO)上的空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行检测，所述待测量的表面区域(VO)包括所述待加热的表面区域(BO)以及与所述待加热的表面区域(BO)邻近的待测量的外部表面区域(AO)；以及
评估工具(4)，用于对所述空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行评估以对所述待测量的表面区域(VO)处的近表面结构的至少一个参数进行检测；
其中所述评估工具(4)用于在对所述空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行评估时考虑所述待测量的表面区域(VO)关于所述热传感器工具(3)的光轴(AO)的倾角(NE)的空间轮廓。
2.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述参数是所述测试对象(PO)的壁(WA)的厚度(DW)。
3.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述参数是所述测试对象(PO)的壁(WA)的密度。
4.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述待加热的表面区域(BO)被配置为点形、开放曲线形式的线形、闭合曲线形式的线形、圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述待加热的表面区域(BO)包括至少两个隔开的待加热的表面子区域，所述至少两个隔开的待加热的表面子区域是相同的待测量的表面区域(VO)的部分。
6.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述加热装置(2)用于借助于电磁波(EW)将热能施加至所述待加热的表面区域(BO)。
7.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述加热装置(2)用于借助于机械激励将热能施加至所述待加热的表面区域(BO)。
8.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述加热装置(2)用于借助于热传导将热能施加至所述待加热的表面区域(BO)。
9.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述加热装置(2)用于通过在所述待加热的表面区域(BO)处生成电流将热能施加至所述待加热的表面区域(BO)。
10.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述热传感器工具(3)包括一维传感器。
11.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述热传感器工具(3)包括二维传感器。
12.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述加热装置(2)用于以同时的或时间重叠的方式将热能施加至多个待加热的表面区域(BO1，BO2)，所述热传感器工具(3)用于以同时的或时间重叠的方式在所述测试对象(PO)的多个待测量的表面区域(VO1，VO2)上对在热能的施加之后的所述空间温度分布(OTV)的那些时间轮廓(ZV)进行检测，待测量的表面区域(VO1，VO2)各自包括待加热的表面区域(BO1，BO2)中的一个以及邻近于各个待加热的表面区域(BO1，BO2)的一个外部表面区域(AO1，AO2)；以及其中所述评估工具(4)用于以同时的或时间重叠的方式对所述空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行评估，从而以同时的或时间重叠的方式对多个待测量的表面区域(VO1，VO2)处的近表面结构的至少一个参数进行检测。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的热成像检验工具，其中所述热成像检验工具(1)包括用于对所述倾角(NE)的空间轮廓进行检测的倾角检测工具(6)。
14.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中对所述加热装置(2)进行配置以使得热能至所述测试对象(PO)的待加热的表面区域(BO)的施加可依据所述倾角(NE)的空间轮廓而实现。
15.根据权利要求1所述的热成像检验工具，其中所述热成像检验工具(1)包括用于生产校准体(8)的铸造模具(7)。
16.一种用于测试对象(PO)处的近表面结构的无损检验的方法，包括：
借助于加热装置(2)将热能施加至所述测试对象(PO)的待加热的表面区域(BO)；
在热能的施加之后借助于热传感器工具(3)对在所述测试对象(PO)处的待测量的表面区域(VO)上的空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行检测，所述待测量的表面区域(VO)包括所述待加热的表面区域(BO)以及与所述待加热的表面区域(BO)邻近的外部表面区域(AO)；以及
借助于评估工具(4)对所述空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行评估，从而对所述待测量的表面区域(VO)处的近表面结构的至少一个参数进行检测，其中在对所述空间温度分布(OTV)的时间轮廓(ZV)进行评估的步骤中考虑所述待测量的表面区域(VO)关于所述热传感器工具(3)的光轴(AO)的倾角(NE)的空间轮廓。
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