线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统

摘要

一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统，所述方法为：S1、调整超声波激励头与被测样件的空间位置，打开气缸压紧装置的开关，使超声波激励头与被测样件表面紧密接触，由计算机控制信号发生器产生线性调频脉冲信号，驱动超声波发生器功率放大器，使超声波的功率按照线性调频脉冲信号规律变化；S2、打开超声波发生器，采集被测样件表面热波信号；S3、对采集的表面热波信号进行处理，提取表面热波信号的时频域特征信息，通过时频域特征信息集成得到表征材料内部缺陷的特征图像。所述系统包括超声波激励装置、超声波发生器与功率放大器、信号发生器、焦平面红外热像仪及计算机。本发明实现了对材料内部缺陷的快速、准确检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用超声红激励的红外热波检测手段来实现材料缺陷无损检测的方法与系统，尤其涉及了一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统。

背景技术

超声红外热波无损检测技术是一种以超声波为激励源的主动式红外热波成像无损检测技术，该技术可有效的检测接触界面类型缺陷，如金属疲劳裂纹，复合材料分层、脱粘缺陷与硬脆材料裂纹及冲击损伤等。超声波在固体中的传播速度快，衰减小，当与材料内部缺陷发生相互作用时，将在缺陷区域产生热量，利用红外热像仪记录被测样件表面的温度信号，通过分析温度信号的特征信息，确定材料内部的缺陷。超声红外锁相热像技术是目前应用最广泛的超声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，但该方法温度信号的信噪比较低。

发明内容

为了进一步提高超声红外热波无损检测技术的探测深度、抑制背景噪声的影响，本发明提供了一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统，采用线性调频脉冲信号对超声波的强度进行调制，显著提高了检测结果的信噪比，提高了缺陷检测深度，能够实现对材料内部缺陷的准确可靠检测。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法，包括以下步骤：

S1、调整超声波激励头与被测样件的空间位置，打开气缸压紧装置的开关，使超声波激励头与被测样件表面紧密接触，利用BNC数据线将信号发生器的信号输出通道端口与超声波发生器功率放大器的模拟调制信号输入端口相连，由计算机控制信号发生器产生线性调频脉冲信号，驱动超声波发生器功率放大器，使超声波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，打开超声波发生器，通过计算机对焦平面红外热像仪进行触发，采集被测样件表面热波信号，记录至少2~3个周期，为了完整地获取表面热波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、对采集的表面热波信号进行处理，提取表面热波信号的时频域特征信息，通过时频域特征信息集成得到表征材料内部缺陷的特征图像，实现对样件内部缺陷及损伤的快速、准确检测。

更具体地，以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法，所述的步骤S1中，超声波激励头通过调整装置调整空间位置，使超声波激励头与被测样件待激励区域表面紧密接触。

更具体地，以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法，所述的步骤S2中，通过焦平面红外热像仪的触发控制可实现积分时间及采样频率设置。

更具体地，以上所述的一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法，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）与希尔伯特变换算法对采集的表面热波信号进行处理，提取表面热波信号的时频域特征信息，以灰度图的形式显示特征信息图像。

一种线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统，包括超声波激励装置、超声波发生器与功率放大器、信号发生器、焦平面红外热像仪及计算机，其中：

所述超声波激励装置用以实现超声波激励头位置的调整，它包括超声波调整台、气管、气压表、气缸压紧装置、超声波激励头固定架及超声波激励头，气缸压紧装置与超声波激励头相连接，并一同固定在超声波激励头固定架上，超声波激励头固定架放置在超声波调整台的水平支撑杆上，可实现3个转动与2个移动运动，通过气压表控制气压，并由气管连接到气缸压紧装置，通过气缸压紧装置使超声波激励头与检测样件紧密接触。所述超声波调整台包括工作台、样件夹紧装置、垂直立柱、垂直丝杠、垂直方向锁紧装置、水平立柱、水平丝杠及水平方向锁紧装置，样件夹紧装置和垂直立柱固定在工作台上，水平立柱与垂直立柱相连，垂直丝杠与垂直方向锁紧装置控制水平立柱沿垂直立柱的移动与绕垂直立柱的旋转，水平丝杠与水平方向锁紧装置控制超声波激励头沿水平立柱的移动与绕水平立柱的旋转。

所述超声波发生器与功率放大器用以驱动超声波激励头产生超声波振动；

所述信号发生器用以产生线性调频信号；

所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图序列；

所述计算机用以控制焦平面红外热像仪采集被测试样表面热波信号，对采集得到的红外图像序列进行相应的处理，提取热波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；

所述信号发生器的信号输出通道端口与超声波发生器功率放大器的模拟调制信号输入端口相连，计算机分别与焦平面红外热像仪和信号发生器连接，超声波发生器功率放大器与超声波探头连接。

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，采用超声波作为激励源，超声波频率17-68kHz，最高功率1500W，最高调制频率为10Hz。

本发明中，采用气缸压紧装置保证超声波激励头与检测样件紧密接触。

本发明中，采用超声波调整台进行调整超声波激励头的空间位置。

本发明中，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设置，完成热波信号采集。

本发明采用线性调频超声波作为激励源，采用相关算法与希尔伯特变换算法提取表面热波信号时频域特征信息并进行分析。针对材料内部缺陷，线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法，可同时得到的样件表面热波信号多个特征信息，显著提高特征图像信噪比与对比度。

附图说明

图1为线性调频超声波激励的红外热波无损检测系统示意图；

图2为超声波调整台示意图；

图3为气缸压紧装置示意图。

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，线性调频超声波激励的红外热波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方法。图中焦平面红外热像仪24与计算机2的以太网接口连接，利用计算机21对焦平面红外热像仪24的初始化及图像显示进行设置。超声波探头27将超声波注入到被测样件28表面，信号发生器20通过信号线19与超声波功率放大器16相连，控制超声波功率强度按照线性调频规律变化，将超声波入注入到被测样件28内，记录被测样件28表面产生的表面热波信号，并提取热波信号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28内部缺陷特征，实现对被测样件28内部缺陷及损伤的快速、准确检测。

本发明的具体实施包括三个部分：线性调频规律调制的超声波激励、焦平面红外热像仪采集图像序列和热波信号处理与特征图像分析。

一、线性调频规律调制的超声波激励步骤

步骤1：将工作台1、垂直立柱2、垂直锁紧装置3、垂直旋转把手4、垂直丝杠5、水平立柱6、水平丝杠7、水平锁紧装置8与水平旋转把手16组装成超声波探头调整台，装配结果如图2所示；

步骤2：将被测样件28固定到样件夹紧装置26上，将气缸15通过气管13与气缸压紧装置12连接，将超声波激励头28装配到超声波激励头固定架9上，打开气缸开关，调节气压表14，使气压达到0.2MPa，打开气缸压紧装置开关10，使超声波激励头27压紧到被测试样28上；

步骤3：将信号发生器20的信号输出端通过信号线19与超声波发生器与功率放大器18的模拟调制信号输入端相连，将信号发生器20通过USB数据线22与计算机21相连；

步骤4：将超声波换能器11通过电源线17与超声波发生器与功率放大器18相连，打开超声波功率放大器18的电源开关，设置线性调频脉冲信号参数，实现超声波激励头27产生的超声波振动的功率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24固定到调整架25上，通过数据线23与计算机21上的以太网接口连接； 

步骤2：利用计算机21完成焦平面红外热像仪24的初始化设置及实时图像显示，调节焦平面红外热像仪24的调焦镜头，保证被测样件28的待检测区域在计算机21的屏幕上清晰可见；

步骤3：打开超声波功率放大器18的输出开关，使超声波激励头27产生的超声波振动功率按线性调频脉冲规律激励被测样件28；

步骤4：对被测样件28待检区域表面产生的热波信号进行记录，记录2~3个周期，为了完整地采集到热波信号的时频域特征信息，焦平面红外热像仪24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21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：通过计算机编程对对采集的红外图像序列进行处理与分析，采用相关算法与希尔伯特变换算法提取热波信号的时频域特征信息，形成特征信息图像；

步骤2：对特征图像进行处理与分析，提取被测样件28内部缺陷的特征参数，实现对被测样件28检测区域内部缺陷及损伤的快速、准确检测。

四、无损检测实例

为了说明该方法的实际检测效果，进行了金属样件的无损检测实验。

金属样件的无损检测实验：制作模拟界面接触缺陷试样，缺陷深度为2mm，缺陷直径为10mm。线性调频激励参数：功率1500W，线性调频信号的初始频率0.1Hz，终止频率1Hz，脉冲周期为10s；焦平面红外热像仪的记录参数：采样频率50Hz，采样时间40s。

实际检测结果为：金属样件实际检测的缺陷形状可准确的识别，与超声红外锁相检测结果相比，该方法的特征图像具有更高的信噪比。采用本发明的方法实现了对样件内部缺陷及损伤的相对快速、准确检测。