基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法

摘要

本发明属于红外热波无损检测技术领域，具体涉及一种基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法。与现有技术相比较，本发明提出一种使用热风作为激励源，基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，具有单次检测面积大、检测速度快、无需处理表面光洁度，适用于现场检测等多项优点。

说明书

技术领域

本发明属于红外热波无损检测技术领域，具体涉及一种基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法。

背景技术

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。由于其具有比强度大、比模量高、可设计性强及低成本等多项优异性能，在现代航空航天领域占据了重要地位。但是复合材料结构，在使用和维护中非常容易发生由冲击导致的各种损伤。例如，飞机起飞和降落过程中小鸟或石子的碰撞，工人维护过程中扳手的掉落等等。多数冲击损伤表面难以观测，不易确定其损伤位置及破坏程度。

对于复合材料结构冲击损伤位置的检测，常规手段有X射线、超声波、声发射等。其中X射线检测精度高，但是成本高、效率低，不适合平面薄板构件的检测及大型构件的现场检测；超声波方法需要在材料表面涂敷水或油来增强表面光洁度，单次检测面积小，检测速度慢，也不适用于现场检测；声发射方法仅应用于复合材料承力结构构件的无损检测。综合来看，以上方法都不适用于较大面积构件的冲击损伤检测。

为此需要提出一种使用热风作为激励源，基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，要求具有单次检测面积大、检测速度快、无需处理表面光洁度，适用于现场检测等多项优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提出一种基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，以解决射线、超声等检测方法成本高、单次检测面积小、效率低，不适用于现场检测的缺点。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，其包括如下步骤：

步骤S1：构成检测系统

检测系统由功率不小于800W的热吹风、红外热像仪、USB3.0高速数据采集盒、计算机分析工具组成；

步骤S2：针对待检测材料表面进行必要的清理，清除污迹、附着物；对包括大部分金属的表面的低发射率检测面，在被测物体表面喷涂水溶性黑漆；

步骤S3：红外热像仪、USB3.0数据采集盒与计算机分析工具处于正常工作状态，并使红外热像仪光轴基本垂直于待检测材料平面，调节红外热像仪的焦距，使待检测材料清晰成像；

步骤S4：测量待检测材料表面距离红外热像仪镜头末端的距离为d；

步骤S5：根据式(1)计算每个像素对应的实际距离w，其中a为热像仪中探测器像元的尺寸，f为热像仪镜头焦距的尺寸，可在热像仪手册中查阅得到；

$\alpha =\frac{a}{f}---\left(1\right)$

w＝αd(2)

步骤S6：手持式热吹风开始通电预热，使热吹风达到稳定的热功率输出，此时热吹风远离待检测材料；

步骤S7：控制红外热像仪开始采集数据，设定一定的数据采集时间；

步骤S8：立即使用热吹风加热待检测材料的被检测区域，在预设定的临时加热时间后移开热吹风，临时加热时间根据待检测材料的厚度决定，适当增减加热时间；

步骤S9：在数据采集时间达到后，停止采集，并保存采集到的检测数据，此时得到一系列时间为序的图像序列I₀、I₁…I_nt，其中I₀表示开始时刻的红外图像；下标nt为采集到的总帧数；I_nt为结束时刻的红外图像；

步骤S10：分析采集到的红外图像；首先在红外图像中选取待检测的区域，设置为矩形；

步骤S11：选取开始时刻的红外图像I₀作为背景图像，依次计算背景差分绝对值图像DI₁＝|I₁-I₀|、DI₂＝|I₂-I₀|…DI_nt＝|I_nt-I₀|；

步骤S12：计算背景差分累积图像DI

$DI=\underset{i=1}{\overset{nt}{\Sigma }}{\mathrm{DI}}_i---\left(3\right)$

步骤S13：分析背景差分累积图像DI，设定损伤阈值T，根据损伤阈值T分离背景差分累积图像DI，得到二值化图像BI，冲击损伤缺陷区域作为前景将显示在二值化图像BI中；

步骤S14：计算BI中冲击损伤缺陷区域的像素个数n_A，由式(4)计算损伤面积A；

A＝n_Aw²(4)

步骤S15：在图像中测量损伤区域距离待检测材料边缘的像素个数，若为矩形材料，设n_W为距离左边缘的像素个数，n_H为距离上边缘的像素个数，则在待检测材料中损伤区域的坐标位置可为：

W＝w*n_W(5)

H＝w*n_H(6)。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明提出一种使用热风作为激励源，基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，具有单次检测面积大、检测速度快、无需处理表面光洁度，适用于现场检测等多项优点。

附图说明

图1为本发明技术方案中的系统构成示意图。

图2为本发明技术方案中测量损伤位置示意图。

图3-1为冲击损伤的正面示意图。

图3-2为冲击损伤的背面示意图。

图4-1为开始采集时刻的图像示意图。

图4-2为选取的待检测区域图像I₀示意图。

图5-1为加热过程中图像I₄示意图。

图5-2为加热过程中图像I₆示意图。

图5-3为加热过程中图像I₁₀示意图。

图5-4为加热过程中图像I₁₄示意图。

图6-1至图6-4为热吹风移出后被检测区域的时间序列图像示意图。

图7-1至图7-4为背景差分时间序列图像示意图。

图8-1为检测结果背景差分累积图像DI的提取示意图。

图8-2为检测结果二值化图像BI的提取示意图。

图8-3为在DI上叠加检测结果示意图。

图9为损伤位置确定示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种基于红外成像的复合材料冲击损伤快速检测方法，其包括如下步骤：

步骤S1：构成检测系统

检测系统由功率不小于800W的热吹风、红外热像仪、USB3.0高速数据采集盒、计算机分析工具组成；

步骤S2：针对待检测材料表面进行必要的清理，清除污迹、附着物；对包括大部分金属的表面的低发射率检测面，在被测物体表面喷涂水溶性黑漆；

步骤S3：红外热像仪、USB3.0数据采集盒与计算机分析工具处于正常工作状态，并使红外热像仪光轴基本垂直于待检测材料平面，调节红外热像仪的焦距，使待检测材料清晰成像；

步骤S4：测量待检测材料表面距离红外热像仪镜头末端的距离为d，如图1所示；

步骤S5：根据式(1)计算每个像素对应的实际距离w，其中a为热像仪中探测器像元的尺寸，f为热像仪镜头焦距的尺寸，可在热像仪手册中查阅得到；

$\alpha =\frac{a}{f}---\left(1\right)$

w＝αd(2)

步骤S6：手持式热吹风开始通电预热，使热吹风达到稳定的热功率输出，注意此时热吹风应远离待检测材料；

步骤S7：控制红外热像仪开始采集数据，设定一定的数据采集时间；

步骤S8：立即使用热吹风加热待检测材料的被检测区域，在预设定的临时加热时间后移开热吹风，临时加热时间可根据待检测材料的厚度决定，适当增减加热时间；

步骤S9：在数据采集时间达到后，停止采集，并保存采集到的检测数据，此时得到一系列时间为序的图像序列I₀、I₁…I_nt，其中I₀表示开始时刻的红外图像；下标nt为采集到的总帧数；I_nt为结束时刻的红外图像；

步骤S10：分析采集到的红外图像；首先在红外图像中选取待检测的区域，可设置为矩形；

步骤S11：选取开始时刻的红外图像I₀作为背景图像，依次计算背景差分绝对值图像DI₁＝|I₁-I₀|、DI₂＝|I₂-I₀|…DI_nt＝|I_nt-I₀|；

步骤S12：计算背景差分累积图像DI

$DI=\underset{i=1}{\overset{nt}{\Sigma }}{\mathrm{DI}}_i---\left(3\right)$

步骤S13：分析背景差分累积图像DI，设定损伤阈值T，根据损伤阈值T分离背景差分累积图像DI，得到二值化图像BI，冲击损伤缺陷区域作为前景将显示在二值化图像BI中；

步骤S14：计算BI中冲击损伤缺陷区域的像素个数n_A，由式(4)计算损伤面积A；

A＝n_Aw²(4)

步骤S15：在图像中测量损伤区域距离待检测材料边缘的像素个数，若为矩形材料，设n_W为距离左边缘的像素个数，n_H为距离上边缘的像素个数，则在待检测材料中损伤区域的坐标位置可为：

W＝w*n_W(5)

H＝w*n_H(6)

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例1

本实施例检测的复合材料为碳纤维复合材料，受到了8J落锤冲击，依靠视觉无法从冲击的正面发现损伤位置。如图3-1及图3-2所示待检测材料的可见光图像。

步骤一：按照技术方案步骤S1、S2所述搭建检测系统，并对待检测碳纤维复合材料做必要的表面清洁。由于本实例中待检测材料表面为深灰色，发射率较高，所以无需涂敷水溶性黑漆；

步骤二：调节红外热像仪的焦距，使待检测材料在红外热像仪上清晰成像，测量待检测材料至红外热像仪镜头后端的距离d＝486mm，热像仪像元尺寸a＝17um，焦距f＝25mm，由步骤S5，可计算得到：

$\alpha =\frac{a}{f}=\frac{17}{25}=0.68mrad$

w＝αd＝0.68*0.486＝0.33mm

步骤三：手持式热吹风开始通电加热，使热吹风达到稳定的热功率输出，注意此时热吹风应用远离待检测材料。约5s后，热吹风功率输出稳定，使用计算机分析工具控制红外热像仪开始采集数据，设定采集总时间为15s；如图4-1及图4-2所示开始采集时刻的图像；

步骤四：立即使用热吹风对待检测区域加热，视材料厚度决定加热时间，本例中加热2s即可，并迅速将热吹风移出红外热像仪视场；如图5-1至图5-4所示加热过程中图像。

步骤五：采集时间达到15s后，综合前两步骤得到一系列时间为序的图像序列如I₀、I₁…I_nt，其中I₀表示开始时刻的红外图像，I_nt为结束时刻的红外图像，如图6-1至图6-4所示热吹风移出后被检测区域的时间序列图像；

步骤六：按照步骤S11计算背景差分绝对值图像，如图7-1至图7-2所示背景差分时间序列图像；

步骤七：按照步骤S12，计算背景差分累积图像DI，按照步骤S13设阈值T＝220，得到二值化图像BI。如图8-1至图8-3所示检测结果的提取。

步骤八：按照步骤S14、S15计算损伤位置及损伤面积，本例中由BI图像测得n_A＝112个像素，损伤面积12.2mm²，从图像中可以测量出损伤区域中心点至被检测材料上边缘n_H＝96像素，对应实际距离31.7mm，距离左边缘n_W＝160像素，对应实际距离528.mm。如图9所示损伤位置确定。

A＝n_Aw²＝112*(0.33)²＝12.2mm²

W＝w*n_W＝0.33*160＝52.8mm

H＝w*n_H＝0.33*96＝31.7mm

从本实例可以看出，本发明提出的冲击损伤检测方法，具有检测速度快、单次检测面积大、表面处理简单、检测成本低的特点，对复合材料冲击损伤检测具有很好的实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。