脉冲热成像测量固体材料表面下暗藏物质蓄热系数的方法

摘要

本发明包括如下步骤：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，同时采用红外热像仪连续观测并获得被测物体表面变化温场的热图序列；确定被测物体内部暗藏物质区域与无缺陷区域对应表面温度差达到最大值时的时间值tm2，以及此时的对比温度值ΔTc2(tm2)，确定暗藏物质的深度L2；采用与被测物体同样的本底材料制作参考试件，以蓄热系数已知的参考物质作为参考试件内的缺陷；得到参考试件表面变化温场的热图序列；得到参考试件中参考物质区域与参考试件无缺陷区域对应表面出现最大温度对比度的峰值时间tm1，和此时的对比温度值ΔTc1(tm1)，确定暗藏物质的深度L1；求得参考试件中缺陷区域界面对应R1值；求出被测物体中暗藏物质区域界面的R2值；求出被测物体中暗藏物质的蓄热系数e3。

说明书

技术领域

本发明涉及无损探伤检测技术领域，特别是涉及一种红外热波技术，利用脉冲热成像法测量固体材料表面下暗藏物质的蓄热系数。

背景技术

脉冲热成像技术是二十世纪九十年代后发展起来的常用红外热波无损检测技术之一。该技术以热波理论为理论依据，通过主动对被检测物体施加脉冲形式的可控热激励、并采用红外热像仪连续观察和记录物体表面的温场变化，并通过现代计算机技术及图像信息处理技术进行时序热波信号的探测、采集、数据处理和分析，以实现对物体内部缺陷或损伤的定量诊断。

利用脉冲热成像法可以实现对物体内部缺陷进行定性和定量的检测及评估，包括提取缺陷界面的位置、形状和深度等信息，而对物体内部暗藏异物的热特性进行定量评估还未见有报道。蓄热系数(effusivity)是材料的热物理特性之一，表征物体与其周围进行热量交换的能力。本发明是涉及一种利用脉冲热成像法测量固体材料表面下暗藏物质的蓄热系数的方法。

据调研，目前对物体材料蓄热系数的测量有多种方法，如J.A.Balderas-López等人利用光声及光热电的方法测量透明液体材料的蓄热系数，Verma、zhang、Degiovanni以及A Bouguerra等人利用平面热源法对金属粉末、陶瓷等材料的蓄热系数进行了测量，意大利的Carosena Meola等人曾利用热波调制锁相的方法来测量材料的热扩散率，另外，美国的sun等人利用脉冲热成像法对多层结构材料的表观蓄热系数测量进行了尝试，并申请了美国专利(patent No.：US 7365330B1)。国内高光宁等人曾利用平面热源法测量均匀固体材料的蓄热系数。以上方法是用于测量均匀材料的蓄热系数或者测量多层结构材料的整体表观蓄热系数，对于测量固体材料表面下暗藏物质的蓄热系数的方法还未见公开报道。

实际应用中，有时仅发现材料中存在的缺陷是不够的，还需要对表面下缺陷类型进行识别，能够为产品加工、使用和维修提供参考信息。以广泛应用于航天航空工业中的蜂窝结构材料为例，当蜂窝结构由于密封不好或者表皮受损而引起液体渗入后，将留下安全隐患，需要识别蜂窝材料内部渗入液体是积水还是可能引起更多危险的渗漏液压油。本发明可以通过测量表面下暗藏物质的蓄热系数的方法达到表面下识别的目的。

发明内容

本发明提供一种脉冲热成像用于测量固体材料表面下暗藏物质蓄热系数的方法，以解决现有技术中无法对物体内部暗藏异物的热特性进行定量评估的技术问题。

一种脉冲热成像测量固体材料表面下暗藏物质蓄热系数的方法，包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲加热装置对被测物体表面进行加热，同时使用红外热像仪连续观测和记录被测物体表面的温场变化，通过计算机控制和采集系统进行时序热波信号的采集处理得到被测物体表面的热图序列；

步骤2：根据获得的热图序列确定被测物体内部暗藏物质区域与无缺陷区域对应表面温度差达到最大值时的时间值t_m2，以及此时的对比温度值ΔT_c2(t_m2)，由式确定暗藏物质的深度L₂，其中α为被测物体材料的热扩散系数；

步骤3：采用与被测物体同样的材料作为本底材料制作参考试件，以蓄热系数已知的参考物质作为参考试件内的预埋缺陷；

步骤4：在与步骤1中相同的实验条件下采用参考试件重复步骤1中的实验，得到参考试件表面的热图序列；

步骤5：根据获得的参考试件表面的热图序列得到参考试件中参考物质区域对应表面与参考试件无缺陷区域对应表面出现最大温度对比度的峰值时间t_m1，和此时的对比温度值ΔT_c1(t_m1)，由式确定暗藏物质的深度L₁；

步骤6：根据已知的本底材料的蓄热系数e₁和预埋参考物质的蓄热系数e₂，利用公式求得参考试件中缺陷区域对应R₁值；

步骤7：由公式求出被测物体中暗藏物质区域的R₂值；

步骤8：由公式求出被测物体中暗藏物质的蓄热系数e₃。

其中，所述参考物质为空气。

其中，所述脉冲加热装置为高能闪光灯。

其中，步骤3中所述参考试件内的缺陷要求：两相邻缺陷边缘的间距大于两者中较大缺陷的直径；缺陷边缘距试件边缘的距离大于缺陷的直径。缺陷宽深比大于1。

本发明的一种脉冲热成像用于测量固体材料表面下暗藏物质蓄热系数的方法，通过上述技术方案，能够在不损伤被测固体材料的前提下，测量得到被测物体内部缺陷区域处异物的蓄热系数，且测量精度高，达到了有益的技术效果。

附图说明

图1为本发明测量表面下暗藏物质蓄热系数的系统示意图；

图2a为实施例中被测物体材料的俯视图；

图2b为实施例中被测物体材料的剖视图；

图3为实施例中热像仪记录的被测物体表面热图序列中的其中一幅热图。

附图标记说明

脉冲加热装置-1；被测物体-2；检测表面-21；红外热像仪-3；计算机控制和采集系统-4。

具体实施方式

为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

针对上述问题，本发明提供一种新的测量方法，利用红外热像法测量固体材料表面下暗藏物质即材料表面下缺陷的蓄热系数。

本发明的理论基础是基于脉冲平面热源激励下的一维热传导方程求解问题，寻求不同介质材料中热波反射对表面温度场影响的数学表达，并根据表面温场的变化规律重建材料的内部异性结构信息。对半无穷大均匀介质，受平行于介质表面的均匀脉冲热源作用时，热传导方程可简化为：

$>k\frac{{\partial }^{2}T(x,t)}{\partial x^2}-\mathrm{\rho c}\frac{\partial T(x,t)}{\partial t}=-\mathrm{q\delta }\left(t\right)\delta \left(x\right){|}_{\underset{t=0}{x=0}}---\left(1\right)$>

其中，T(x，t)是t时刻材料内深度为x处的温度，x＝0即材料表面处，qδ(t)δ(x)是脉冲热源函数，其中q为常数，是在单位面积上施加的热量，k(W/m·K)是热传导率。密度ρ(kg/m³)与比热c的乘积是介质材料的体热容。被测物体材料的热扩散系数为α＝k/(ρc)，蓄热系数对某一特定介质，在一般情况下α和e可视为常数。

当物体内部没有缺陷或者异物时，热传导方程(1)式在x＝0处的解为：

$>\mathrm{\Delta T}(0,t)=\frac{q}{e\sqrt{\mathrm{\pi t}}}---\left(2\right)$>

当物体表面下有缺陷或者异物时，即等价于脉冲平面热源作用在两层平板结构的介质材料表面时，此时热传导方程的解为：

$>\mathrm{\Delta T}(0,t)=\frac{q}{e\sqrt{\mathrm{\pi t}}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{\mathrm{\alpha t}}\right)],---\left(3\right)$>

$>R=\frac{e_1-e_2}{e_1+e_2}---\left(4\right)$>

其中，L为第一层平板材料的厚度(相当于缺陷深度)，e₁为第一层平板材料(相当于本底材料)的蓄热系数，e₂为第二层平板材料(相当于缺陷材料)的蓄热系数，n为脉冲传播到两种材料界面发生的n次反射。

实际情况中，为方便计算将有缺陷区域与无缺陷区域对应表面温度作减法得到表面温度差为：

$>{\mathrm{\Delta T}}_C(0,t)=\frac{2q}{e_1\sqrt{\mathrm{\pi t}}}\underset{n=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{R}^n\exp \left(\frac{-n^2{L}^2}{\mathrm{\alpha t}}\right)---\left(5\right)$>

缺陷深度L可由式求得，t_m为缺陷区域与无缺陷区域对应表面温度差达到最大值时的时间值。

图1为本发明测量表面下暗藏物质蓄热系数的装置结构图，如图所示，一个或多个脉冲加热装置1对被测物体2表面进行加热，红外热像仪3对着被测物体2的表面，以获得被测物体2表面的热图数据。计算机控制和采集系统4与脉冲加热设备1及红外热像仪3均相连，以控制脉冲加热装置1的启闭，以及采集红外热像仪3得到的热图数据，得到被测物体2表面变化温场的热图序列。该装置可以采用TWI公司的产品。

为了实现本发明的目的，本发明采取的技术解决方案包括如下步骤：

1、使用脉冲加热装置1对被测物体2表面进行加热，同时使用红外热像仪3观测和记录被测物体2表面的温场变化。计算机控制和采集系统4进行时序热波信号的采集处理得到被测物体2检测表面的热图序列，并将热图序列存储在计算机控制和采集系统4的通用存储器中。

2、根据获得的热图序列确定被测物体2内部暗藏物质区域(即被测物体缺陷区域)与无缺陷区域对应表面温度差达到最大值时的时间值t_m2，以及此时的对比温度值ΔT_c2(t_m2)或辐射能量差最大值。由式确定暗藏物质的深度L₂，其中α为被测物体材料的热扩散系数，可以查到或根据已知方法测量得到。

3、采用与被测物体2同样的材料作为参考试件的本底材料，以蓄热系数已知的参考物质作为参考试件内的预埋缺陷来制作参考试件，例如可以在本底材料上以空气作为参考物质，制作空气孔来作为参考试件。参考试件也可以是被检物体本身，如蜂窝结构件。

在设计人工缺陷时，两相邻缺陷边缘的间距应大于两者中较大缺陷的直径；缺陷边缘距试件边缘的距离应大于缺陷的直径。缺陷宽深比应大于1。同时人工缺陷的制作应该考虑到它对热激励的响应，及相对于感兴趣区域的热特性。可参考国标《无损检测闪光灯激励红外热像法导则》。

4、在与步骤1中相同的实验条件下采用参考试件重复步骤1中的实验，得到参考试件表面的热图序列。

5、根据获得的参考试件表面的热图序列可得到参考试件中参考物质区域(即参考试件缺陷区域)与无缺陷区域对应的表面上出现最大温度对比度的峰值时间t_m1，和此时的对比温度值ΔT_c1(t_m1)或辐射能量差最大值，由式确定暗藏物质的深度L₁。

6、根据已知本底材料的蓄热系数e₁和预埋参考物质的蓄热系数e₂利用公式可求得参考试件中缺陷区域对应的R₁值。

7、由于两式相除得到公式将前述步骤中得到的ΔT_c1(t_m1)、t_m1、ΔT_c2(t_m2)、t_m2、R₁、L₁和L₂代入，则可以求出被测物体中暗藏物质区域的R₂值。

8、再由公式可以根据已知本底材料的蓄热系数e₁求出被测物体中暗藏物质的蓄热系数e₃。

其中，上述步骤中需要用到的本底材料和预埋参考物质的蓄热系数可以直接查到或可根据背景技术中提到的相关方法测量得出。

本发明的理论基础基于脉冲热成像法，假设利用理想脉冲热源在t＝0时刻作用于被检物体表面(x＝0)，且能量完全被表面吸收。在实际实验中，对被测物体加热时采用的加热设备可以是高能闪光灯或者其他脉冲式加热设备，为提高计算精度，应保证脉冲闪光灯作用时间尽量短，热成像装置的采集频率宜设置尽量高。采集时间需根据具体被测物体材料的性质设置，对于导热快深度浅的被测物体材料，采集时间相对短，导热慢深度深的被测物体材料，采集时间相对长。

下面将结合实施例来说明脉冲热成像法用于测量固体材料表面下暗藏物质蓄热系数的过程。

该实施例中使用了如图2所示的不锈钢材料制作的实际被测物体2，内有4个距被测物体2的检测表面21深度为1mm的圆平底孔和4个深度为2mm的圆平底孔，1个深度为1mm的方平底孔及1个深度为2mm的方平底孔。圆平底孔的直径为25mm，方平底孔为边长25mm的正方形。在一部分孔中分别注入水，油以及蜡，一部分孔中为空气。本实施例中，作为缺陷的孔和参考孔选用圆孔或方孔对本实施例的测量结果没有影响。即在设计人工缺陷时，缺陷的形状与被测物体2内实际缺陷的形状不同，不会对测量结果发生影响。

参考图1和图2，高能闪光灯作为脉冲加热装置1对被测物体2的检测表面21施加可见光能量，被测物体2的检测表面21在闪光灯能量作用下温度升高，瞬间达到峰值，由于被检物体表面与物体内部的温度差，热量沿深度方向从物体表面向物体内部传导。红外热像仪3实时记录被测物体的表面温场的变化，计算机控制和采集系统4采集红外热像仪3得到的热图数据，得到被检测物体表面温场的热图序列。

图3为所得到的热图序列中的其中一幅热图。当被检测物体内部暗藏其他物质时，根据热波理论，由于暗藏物质与不锈钢材料的热特性不同，在两种材料的界面上会发生热波的反射，因此影响物体表面的温度分布和变化，表现在被测物体2内部有缺陷部分对应的表面区域与内部无缺陷部分对应的表面区域显示出不同的温场分布，如图3所示。

根据热波理论，经过的时间以后，内部有缺陷部分对应的表面温场的温度和内部无缺陷部分对应的表面温场的温度之差达到最大值

以测量不锈钢本底材料的注水孔内水的蓄热系数为例，以孔内无任何注入异物(即相当于注入空气)的孔作参考孔。将空气孔表面区域温度与正常区域温度相减后，可得到此对比温度随时间的变化函数，从而得到对比温度峰值ΔT_c1(t_m1)以及峰值时间t_m1，系数R₁可由公式求得，其中e₁和e₂分别为不锈钢和空气的蓄热系数，结果近似为1。

同理，对注水的区域作相同处理后，可得到该区域与正常区域表面对比温度峰值ΔT_c1(t_m2)以及峰值时间t_m2。由公式可以根据系数R₁求出系数R₂，再由公式即可求出水的蓄热系数e₃。

对注油及注蜡区域的处理方式与上述对注水区域的处理方式相同，可以求出注油和注蜡区域的蓄热系数。依次类推，使用本发明提供的脉冲热成像技术，对热图序列处理后可以测量出固体材料表面下暗藏物质的蓄热系数。

本实施例中通过上述方法多次测量得到水的R₂平均值和e₃计算值如下，与e₃理论值的误差为4％。可见，采用本发明的测量方法能够较为准确的测量得到固体材料表面下暗藏物质的蓄热系数。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。