考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测装置及方法，所述装置包括红外热激励源、红外热激励控制系统、红外采集设备、冷却装置、红外图像接收处理设备，其中：所述红外热激励源的加热源为卤素灯，其数量为两个；所述红外热激励控制系统由数据采集卡、控制器、D触发器、功率放大器和卤素灯驱动器组成；所述红外采集设备由红外热像仪和热像仪升降台组成；所述冷却装置由电风扇、电机驱动器组成；所述红外图像接收处理设备为计算机。本发明考虑了脉冲信号上升沿与下降沿对被测试件表面的影响，改善了脉冲红外热成像法在加热被测试件时出现的表面受热不均的现象，降低了图像噪声的干扰，提高了红外图像的信噪比。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种红外热波无损检测方法，具体涉及一种考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测方法。

背景技术

随着汽车制造、航空航天等工业化的快速发展，金属材料、非金属材料以及复合材料得到了更加广泛地应用。这些材料在制备、加工以及服役过程中，不可避免的会产生摩擦、磨损、裂纹、脱粘等缺陷，如果不及时检测诊断，将会影响相关零部件的使用性能，甚至发生操作安全，引发生产安全及事故。常用的无损检测技术主要包括超声检测、渗透检测、涡流检测以及射线检测，其中：红外热波无损检测技术是近年来飞速发展并且应用广泛的一门新兴检测技术；超声检测虽然检测灵敏度高，但是对结构复杂的小零件很难实现；渗透检测虽然简单易操作，但是对精密仪器件有破坏作用；涡流检测虽然检测效率高，但是只适用于可导电的材料；射线检测虽然检测效果好，但是设备昂贵，检测成本高。与常用的无损检测技术相比，红外热波无损检测技术实际问题应用中有着迅速有效、直观反应、检测效果好、不损伤元件内部结构、对环境无污染、检测成本低等优点，在电力行业的运行检修与维护、机械行业精密仪器的制造与加工有着不可忽视的作用。

现阶段，红外热波无损检测依据热激励方式的不同可分为脉冲热成像法、锁相热成像法以及超声热成像法。锁相热成像法在实际应用中会出现加热时间长、现场实际情况复杂，认为控制比较困难，用于现场的快速检测难度较大。脉冲热成像法在高能闪光的照射下，会出现加热不均，由于不同材料的反射率并不相同，导致检测效果不理想，表面受热不均，易受到其他红外线对结果的干扰。超声热成像法则会引起缺陷处发生界面摩擦，改变原有位置。当采用脉冲热激励信号对被测试件激励时，红外热像仪采集到的图像对比度低、噪声干扰大，很难检测到脉冲信号上升沿和下降沿对被测试件的影响。而且在对激励源加载脉冲热激励信号时，往往会忽略脉冲热激励信号的上升沿对被测试件的影响，上升沿对被测试件有很高的能量冲击响应，在被测试件收到脉冲热激励信号的上升沿能量冲击时，温度场会瞬间发生很大变化，往往在上升沿来临的几秒内，红外热像仪能够采集到最佳，最明显的效果对比图，因此考虑上升沿对被测试件的影响很有必要。

通常认为，使用脉冲热激励信号对被测试件加热时，热激励源会立刻达到额定功率，当热激励信号停止激励时，热激励源就会立即响应，功率瞬间降为零；实际问题中考虑到脉冲热激励信号有一个上升与下降的过程，脉冲热激励信号作用于热激励源后，卤素灯从起始功率为零加热至额定功率期间有一段急速上升的过程，并且当卤素灯对被测试件加热时，也会产生一部分能量损耗，因此激励信号在初始时需要有一段急速上升的过程，发出的热量也无法完全传递到被测试件中。当卤素灯停止加热时，往往在被测试件表面有很大一部分热量，在下降沿来临之后会有一段缓慢下降时间，被测试件很长时间内都在缓慢的散发热量，因此需要缩短被测试件的冷却时间，提高下降速度。

发明内容

为了考虑脉冲信号上升沿与下降沿对被测试件表面的影响、改善脉冲红外热成像法出现的表面受热不均的问题、降低红外热像仪采集到的图像噪声干扰，并且考虑实际问题中卤素灯激励源从开始加热到额定加热到停止加热的延时现象，本发明提供了一种考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测装置，包括红外热激励源、红外热激励控制系统、红外采集设备、冷却装置、红外图像接收处理设备，其中：

所述红外热激励源的加热源为卤素灯，其数量为两个，卤素灯设置有卤素灯罩；

所述红外热激励控制系统由数据采集卡、控制器、D触发器、功率放大器和卤素灯驱动器组成；

所述红外采集设备由红外热像仪和热像仪升降台组成；

所述冷却装置由电风扇、电机驱动器组成；

所述红外图像接收处理设备为计算机；

所述卤素灯、红外热像仪、热像仪升降台和电风扇固定在玻璃遮罩内；

所述卤素灯水平倾斜30°至50°放置于红外热像仪的左右两侧；

所述红外热像仪固定在热像仪升降台上；

所述红外热像仪的输入端与计算机的输出端相连；

所述计算机的输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述数据采集卡的输出端与控制器的输入端相连；

所述控制器的输出端与D触发器的输入端相连；

所述D触发器的输出端与功率放大器的输入端相连；

所述功率放大器的输出端与卤素灯驱动器的输入端相连；

所述卤素灯驱动器的输出端分别与两个卤素灯的输入端相连；

所述电风扇的输入端与电机驱动器的输出端相连；

所述电机驱动器的输入端与计算机的输出端相连。

一种利用上述装置实现考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测的方法，包括如下步骤：

S1：将装置中各个元件按顺序摆放好，搭建起试验台，用试件夹具将被测试件固定在玻璃遮罩内，调节被测试件和热像仪升降台，使被测试件的中心位置与红外热像仪镜头处于同一高度位置；

S2：开启红外热像仪并进行焦距调整，使计算机的显示屏上显示出清晰的被测试件的红外热图；

S3：对卤素灯进行预热，在计算机中对采样频率、所需脉宽以及加热功率进行设置，输入脉冲热激励信号；

S4：红外热像仪采集加热前2秒的被测试件表面温度，同时使用计算机触发脉冲热激励信号，开始进行实验；

S5：当时钟脉冲的上升沿来临时，D触发器捕捉到D输入端的高电平，Q输出端置1，脉冲热激励信号上升沿信号有效，同时触发卤素灯开始对被测试件表面进行加热；当时钟脉冲的下一个上升沿来临时，D输入端也来临下降沿，Q输出端置0，脉冲热激励信号下降沿信号有效，同时触发卤素灯停止对被测试件的表面进行加热；当时钟脉冲的下一个上升沿来临时，D输入端为低电平，Q输出端保持原来状态，不动作；

S6：红外热像仪将采集到的图像数据实时输出到计算机中，通过软件进行图像数据处理；

S7：当实验结束之后，计算机控制电风扇对被测试件进行冷却降温。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明使用2个卤素灯对被测试件进行加热，利用灯罩将热激励源发出的光线聚集到被测试件表面，红外热激励源能够提供大功率加热源，避免出现加热不均的现象，能够有效地集中光束，使光束集中照射到被测试件上。

2、本发明考虑到被测试件对耐热程度的影响以及红外热像仪处高温环境下对红外热像仪耐热性的要求，采用冷却装置对红外热像仪降温，延长红外热像仪的使用寿命，减少被测试件的冷却时间，缩短实验周期。

3、本发明考虑了脉冲热激励信号的上升沿与下降沿能量发生跃变的瞬间对实验结果地影响。

4、本发明考虑了脉冲信号上升沿与下降沿对被测试件表面的影响，改善了脉冲红外热成像法在加热被测试件时出现的表面受热不均的现象，降低了图像噪声的干扰，提高了红外图像的信噪比。

5、本发明采用D触发器来捕捉热激励信号的上升沿与下降沿，采用玻璃遮罩来降低空气中其他红外线对实验结果的干扰，因为热激励源及其组件对被测试件加热过程有一定的延时性，因此需要使用冷却装置缩短被测试件的冷却时间，提升温度曲线下降速度，减少下一次实验因为试件余热带来的干扰。

附图说明

图1为本发明红外热波无损检测装置的结构示意图；

图2为本发明试件夹具的结构示意图；

图3为本发明实际波形加载图；

图4为本发明D触发器波形图；

图5为本发明理论波形与实际波形结果对比图；

图中，1：试验台、2：试件夹具、2-1：移动导轨、2-2：底座、2-3：顶座、2-4：第一滑块、2-5：第二滑块、2-6：第一螺母、2-7：弹簧、2-8：第二螺母、3：被测试件、4：电风扇、5：风扇座、6：第一根导线、7：第一灯罩、8：第一卤素灯、9：红外热像仪、10：热像仪升降台、11：第二导线、12：玻璃遮罩、13：双绞线、14：电机驱动器、15：第三导线、16：计算机、17：第四导线、18：第二灯罩、19：第二卤素灯、20：数据采集卡、21：第五导线、22：控制器、23：第六导线、24 ：D触发器、25：第七导线、26：功率放大器、27：通风管、28：第八导线、29：第九导线、30：卤素灯驱动器。

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。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测装置，如图1所示，所述装置包括红外热激励源、红外热激励控制系统、红外采集设备、冷却装置、红外图像接收处理设备，其中：

所述红外热激励源的加热源为第一卤素灯12和第二卤素灯19，激励信号为长脉冲波，被测试件3正对着红外热像仪9，第一卤素灯12和第二卤素灯19水平倾斜30°至50°放置于红外热像仪9的左右两侧，利用第一灯罩7和第二灯罩18将第一卤素灯12和第二卤素灯19发出的光线聚集到被测试件表面。被测试件3、红外热激励源、红外采集设备、冷却装置均需要放置于玻璃遮罩12中，在加热前先对第一卤素灯12和第二卤素灯19预热。

所述红外采集设备由红外热像仪9和热像仪升降台10组成，红外热像仪9能够采集到被测试件3发出的人类肉眼无法看到的红外线，转化为可视的红外图像序列。用试件夹具2将被测试件3固定在玻璃遮罩12内，将红外热像仪9固定于热像仪升降台10上，调整红外热像仪9与被测试件3的前后位置，对热像仪升降台10的高度进行上下调整，使红外热像仪9镜头与被测试件3中心位置上下高度相同；调整红外热像仪9与被测试件3的前后位置，使被测试件3与红外热相仪9镜头的前后距离保持在30cm至50cm之间左右，优选为50cm。通过调节试件夹具2与热像仪升降台10的上下高度位置与前后位置，将被测试件3的中心位置正对于红外热像仪9的镜头处。在第一卤素灯8和第二卤素灯19对被测试件3加热之前先进行预热，红外热像仪9需要先采集加热前的被测试件3的表面温度；使用计算机16对采样频率、所需脉宽以及加热功率进行设置，红外热像仪9的输入端通过双绞线13与计算机16的输出端相连。

所述红外热激励控制系统包括数据采集卡20、控制器22、D触发器24、功率放大器26和卤素灯驱动器30，数据采集卡20用来输出实验所需的脉冲热激励信号，控制器22用来控制数据采集卡20输出的脉冲热激励波形，D触发器24用来捕捉热脉冲激励信号上升沿与下降沿，功率放大器26用来放大热激励信号的功率，卤素灯驱动器30则用来驱动热激励源工作。计算机16的输出端通过第四导线17与数据采集卡20的输入端相连；数据采集卡20的输出端通过第五导线21与控制器22的输入端相连；控制器22的输出端通过与第六导线23与D触发器24的输入端相连；D触发器24则用来捕捉热激励信号的上升沿与下降沿，D触发器24的输出端通过第七导线25与功率放大器26的输入端相连，功率放大器能够放大电信号的功率，达到需要的功率值；功率放大器26的输出端通过第八导线28与卤素灯驱动器30的输入端相连，卤素灯驱动器30的输出端通过第九导线29与第二导线11相连，第二导线11将第一卤素灯8和第二卤素19相连。当脉冲热激励信号的上升沿沿来临时，D触发器24将会迅速的捕捉到高电平，脉冲热激励信号上升沿信号有效，同时触发第一卤素灯8和第二卤素灯19开始对被测试件3表面进行加热；当脉冲热激励信号的下降沿沿来临时，D触发器24将会迅速的捕捉到低电平，脉冲热激励信号下降沿信号有效，同时触发第一卤素灯8和第二卤素灯19停止对被测试件3的表面进行加热。

所述冷却装置由电风扇4、风扇座5、电机驱动器14组成，电风扇4安装于风扇座5上，风扇座5固定在玻璃遮罩12上，电风扇4的输入端通过第一根导线6连接到电机驱动器14的输出端，电机驱动器的输入端通过第三根导线15连接到计算机的输出端。当卤素灯加热完毕实验结束之后，被测试件3因为存在余热无法及时散出，表面温度很高，影响下次实验结果，因此需要冷却装置给被测试件3降温；通过计算机16控制电风扇4的转动时间，电机驱动器14驱动电风扇4旋转，给被测试件3通风冷却，通过通风管27带走被测试件3的余热。被测试件3、红外热激励源、红外采集设备、电风扇4均需要放置于玻璃遮罩中，考虑到被测试件3对耐热程度的影响，以及红外热像仪9处高温环境下，对红外热像仪9耐热性的要求，采用冷却装置对红外热像仪9降温，延长红外热像仪9的使用寿命。玻璃遮罩的光学性能为：对可见光透明，对红外线不透明；放置玻璃遮罩，可有效的减少外部其他物体的红外辐射对红外热像仪采集的图像噪声，减少噪声干扰，提高图像的信噪比。

所述红外图像接收处理设备由计算机16完成主要功能；计算机16主要用来设置脉冲信号的波形、脉宽、功率，第一卤素灯8和第二卤素灯19的预热、加热、停止的状态，以及红外热像仪9的采样时间、采样频率、图片帧数，对红外热像仪9采集进行触发。同时用来接收红外热像仪9采集的原始数据，以及对图像进行处理，对数据进行对比与分析，还要进行去噪声去干扰，以及对风扇冷却时间进行控制。

实际问题中，脉冲传递到第一卤素灯8和第二卤素灯19之后，第一卤素灯8和第二卤素灯19需要有一定的加热响应时间，并且第一卤素灯8和第二卤素灯19加热时会产生一部分热量损耗，因此实际功率达不到加载的热激励功率要求，往往在初始时间断有一段急速上升的过程；当第一卤素灯8和第二卤素灯19加热停止时，在被测试件3表面仍然有很大部分的热量没有消失，因此被测试件3很长时间内都在缓慢的散发热量。波形加载图如图3所示。

本实施方式中，所述第一卤素灯8和第二卤素灯19的最大功率应该小于等于2000W。

本实施方式中，如图4所示，所述D触发器24的cp输入端输入时钟脉冲波形，D触发器24的D输入端输入脉冲热激励波形，D触发器24的Q输出端输出捕捉热激励信号的上升沿与下降沿以后的脉冲波形。当脉冲激励信号上升时，D触发器24捕捉到上升沿沿信号，高电平有效，第一卤素灯8和第二卤素灯19开始对被测试件3进行加热；当脉冲激励信号下降时，D触发器24捕捉到下一周期的上升沿，低电平有效，卤素灯立即停止对被测试件的加热；当下一个波形周期的上升沿来临时，由于D触发器24有记忆功能，所以将会保持原来工作状态，所以下一个波形则不会触发热激励源在次对被测试件3进行二次加热。

本实施方式中，如图2所示，所述试件夹具2包括移动导轨2-1、底座2-2、顶座2-3、第一滑块2-4、第二滑块2-5、第一螺母2-6、弹簧2-7、第二螺母2-8，其中：移动导轨2-1上安装有底座2-2，底座2-2上设置有第二螺母2-8，顶座2-3上设置有第一滑块2-4、第二滑块2-5和第一螺母2-6，底座2-2和顶座2-3之间连接有弹簧2-7。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置实现考虑脉冲热激励信号上升沿与下降沿的红外热波无损检测的方法，所述方法具体实施步骤如下：

第一步：将具体实施方式一所述装置中各个元件按顺序摆放好，搭建起试验台1，用试件夹具2将被测试件3固定在玻璃遮罩12内，试件夹具2在移动导轨2-1上进行前后位置移动，移动底座2-2，保持移动导轨2-1上的被测试件3位置与红外热相仪9镜头的前后距离保持在30cm至50cm之间左右，优选为50cm。

第二步：旋转第一螺母2-6，调节第一滑块2-4与第二滑块2-5的位置，将被测试件3固定夹紧在顶座2-3上。

第三步：旋转第二螺母2-8，调节底座2-2与顶座2-3的上下高度，通过弹簧2-7的升降，将被测试件3的中心位置与红外热像仪9镜头处同一高度位置。

第四步：开启红外热像仪9并进行焦距调整，使计算机16的显示屏上显示出清晰的被测试件3的红外热图。

第五步：同时将第一卤素灯8和第二卤素灯19水平倾斜30°至50°摆放于红外热像仪9的左右两侧，优选角度为30°。

第六步：按照图1所示，依次连接线路，并接通电源，启动实验设备。

第七步：对第一卤素灯8和第二卤素灯19经行预热，在计算机16中输入脉冲热激励信号。

第八步：红外热像仪9采集加热前2秒的被测试件3表面温度，同时使用计算机16触发热激励信号，开始进行实验。

第九步：当时钟脉冲的上升沿来临时，D触发器捕捉到D输入端的高电平，Q输出端置1，脉冲热激励信号上升沿信号有效，同时触发卤素灯开始对被测试件表面进行加热；当时钟脉冲的下一个上升沿来临时，D输入端也来临下降沿，Q输出端置0，脉冲热激励信号下降沿信号有效，同时触发卤素灯停止对被测试件的表面进行加热；当时钟脉冲的下一个上升沿来临时，D输入端为低电平，Q输出端保持原来状态，不动作。

第十步：热激励结束后，红外热像仪9采集到被测试件3的图像数据传递至计算机16中进行数据处理。

第十一步：因为被测试件3存在余热无法及时散出影响下次实验结果，因此需要用电风扇4冷却降温，通过通风管27带走被测试件3的余热。

在本发明中，由图5所示理论波形与实际波形结果对比图可知，在0~5秒的加热期间，实际波形略冲低于理论脉冲，也就是说，实际上收到激励源传导的功率低于理论上传导的功率，这是因为热传导过程中有一部分能量损耗。只有在加热结束的一小段时间内，理论波形下降，在5.5秒时才短暂的出现理论上传递的功率与实际上传递的波形相同的情况。当停止加热后，理论上的温度下降很快，而实际上的温度下降速度没有理论波形下降速度快，这是因为被测试件散热很慢，这是因为在被测试件表面，有一个很长时间的热交换过程，因此需要电风扇的快速冷却，有利于被测试件的快速散热。