基于脉冲气流激励红外成像的无损检测方法及其实施装置

摘要

本发明提供了一种基于脉冲气流激励红外成像的无损检测方法及其实施装置，由计算机控制将压缩空气通过脉冲气流生成模块生成为所确定的冷热激励类型和脉冲宽度的脉冲气流，对试件表面按照所确定的激励时间进行脉冲激励，由热像仪实时采集脉冲气流对试件表面激励产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频序列图像进行分析处理，输出显示试件表面检测结果。本发明以脉冲气流对待测样品进行加热或制冷，加热/制冷效率高，可通过动态调整激励气流脉冲的宽度，采用多脉冲层层叠加克服环境温度带来的影响，可适用于不同导热率材料的不同表面形貌的试件检测。

说明书

技术领域

本发明涉及红外热像无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种气流激励和红外成像无损检测方法及其实施装置。

技术背景

红外热成像检测技术是一种新兴的无损检测技术，其基本原理是利用激励源对试件表面进行加热或制冷，产生的热或冷流向试件内部传播，当热或冷流在试件内遇到缺陷或者热阻抗或者变形发生变化的地方就会有一部分热能被反射回到试件的表面。利用红外热像仪连续采集来自被测试件表面的热辐射图像，通过分析这些图像随时间变化的特性，可以得知被测物体的内部结构及缺陷。红外热成像检测，因具有非接触、检测面积大、检测效率高等特点，已被广泛用于诸如混凝土、复合材料、金属等材料的表面和近表面缺陷检测。

根据是否使用外部激励热源，红外热成像检测技术可分为被动式和主动式两种类型。被动式是基于试件与环境的温度差异所导致的热交换来检测试件是否存在缺陷，多用于设备状态和质量控制。而主动式则是利用外部热源对试件加热，基于试件内部缺陷所导致表面温度分布的变化来检测试件是否存在缺陷，具有较好的稳定性，被广泛应用于金属材料的疲劳缺陷检测和复合材料的缺陷检测领域。目前常见的主动热激励源主要有电磁激励、光激励、微波激励、超声波激励、激光激励和热风激励。然而，采用不同热激励方式的主动式红外热像检测系统的适用范围和检测性能各不相同，且都有一定局限性。

涡流脉冲热成像技术(Eddy current pulsed thermography,ECPT)是一种基于电涡流和焦耳热现象，运用红外热像仪获取导电试件在脉冲电涡流激励下因焦耳热现象引起的温度场分布和传导，并通过多热图的分析处理来检测缺陷的红外热成像无损检测方法，具有电、磁、热多物理时空特性和丰富的瞬态信息，空间分辨率和对近表面深度缺陷的检测灵敏度高，被广泛应用于各类金属材料的疲劳缺陷检测、碳纤维复合材料的检测中，在铁路钢轨、汽车零配件表面缺陷伤损在线检测领域也表现出了巨大的应用前景。然而，现有的研究结果表明ECPT检测结果容易受被测样品表面粉尘、油污、水滴，以及形貌引起的发射率变化的影响。

克服这一问题，采用热或冷风激励是一个不错的选择。利用热风可将待测样品表面的粉尘、油污、水滴清除，降低其对待测样品红外热像无损检测结果的影响。同时，空气的可压缩性使得热风激励可以用于加热不同表面形貌的样品。然而，现有的热风激励普遍采用大功率电阻丝加热空气，用鼓风机产生热气流来加热待测样品，加热效率低，温度均匀性差，并且只适用于导热率较低的材料，不适用于金属等高导热率材料。为了将热风激励红外热像无损检测技术应用到铁路钢轨和汽车零配件表面缺陷伤损在线检测领域中，现有技术的上述问题亟待解决。

发明内容

针对热像无损检测技术的现状与不足，本发明的第一个目的是提供一种基于脉冲气流激励红外成像的检测方法；本发明的第二个目的是提供一种基于脉冲气流激励红外成像的检测装置，以提高热风激励无损检测的适用范围和检测效率。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像的无损检测方法，其主要内容包括：

1)依据待测试件自身温度、导热率，确定气流冷热激励类型、脉冲宽度、激励时间，保证待测试件在脉冲气流的激励下其表面红外图像能够显示出试件存在的缺陷；

2)利用数据线缆将计算机分别与脉冲气流控制模块和红外热像仪连接，调整脉冲气流喷管和红外热象仪的位置，使脉冲气流喷管和红外热象仪探头指向待检测试件；

3)在计算机控制下启动脉冲气流生成模块、脉冲气流控制模块、红外热像仪，使压缩空气经由脉冲气流生成模块生成为步骤1)所确定的冷热激励类型和脉冲宽度的脉冲气流，对试件表面按照步骤1)所确定的激励时间进行脉冲激励，由热像仪实时采集脉冲气流对试件表面激励产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频序列图像进行分析处理，输出显示试件表面检测结果。

为了取得更好技术效果，本发明还可进一步采取以下技术措施，以下各项技术措施可单独采取，也可组合一起采取，甚至一并采取。

在本发明上述无损检测方法的技术方案中，对试件表面进行激励的脉冲气流最好为经过均匀化调质的脉冲气流，以保证脉冲气流对试件表面激励的均匀性。

在本发明上述无损检测方法的技术方案中，当待检测试件自身温度不大于环境温度，优先采用热脉冲气流对试件表面进行激励，且宜将脉冲气流的温度控制高于试件温度不小于50℃；当待检测试件自身温度高于环境温度，优先采用冷脉冲气流对试件表面进行激励，且宜将脉冲气流的温度控制低于试件自身温度不小于40℃。

在本发明上述无损检测方法的技术方案中，当待测试件为高导热率的材料，如金属材料，激励脉冲气流的脉冲宽度优先控制为不大于200毫秒；当待测试件为低导热率的材料，如复合材料等非金属材料，激励脉冲气流的脉冲宽度优先控制为不低于10秒。

在本发明上述无损检测方法的技术方案中，可通过动态调整激励气流脉冲的宽度，采用多脉冲层层叠加克服环境温度对检测结果的影响。

针对本发明的第二个目的，实施上述基于脉冲气流激励红外成像无损检测方法的检测装置，其构成包括：冷/热脉冲气流生成模块、脉冲气流控制模块、红外热像仪、计算机、脉冲气流喷管和检测操作台；所述冷/热脉冲气流生成模块又包括，由接管依次联接的将一股压缩空气生成为冷、热两股气流的涡旋倍增管，控制冷、热两股气流切换的两个电磁切换阀，脉冲控制冷/热气流通断的高频电磁阀，两个电磁切换阀互锁设置；所述脉冲气流控制模块由微处理器、产生脉冲信号的振荡电路、控制电磁阀的I/O接口电路和继电器组成，继电器分别与两个电磁切换阀和高频电磁阀电连接；所述计算机与红外热像仪、脉冲气流控制模块通过数据线连接；所述检测操作台由放置待测试件的台座和固置在台座上用于安装脉冲气流喷管和红外热像仪的架杆构成；脉冲气流喷管与所述高频电磁阀联接。

在本发明上述检测装置的技术方案中，可进一步设置气流均化模块，所述气流均化模块可设计成由设置在脉冲气流喷管内的导流板和设置在脉冲气流喷管前端的截面逐渐收缩的喷咀构成。

在本发明上述检测装置的技术方案中，所述电磁切换阀优先选择两位三通电磁切换阀，且在其一通路上安装有消音器，以降低装置运行过程中的噪音。

在本发明上述检测装置的技术方案中，在连接涡旋倍增管冷热两端的管道上优先考虑设置调节冷热气流流量的调节阀，以便通过调节气流的流量实现调节气流的温度。

在本发明上述检测装置的技术方案中，可设置为冷/热脉冲气流生成模块提供压缩空气的压缩机，以便检测装置在没有压缩空气源的环境使用；当检测装置设置压缩机时，在压缩机与冷/热脉冲气流生成模块连接管道上最好设置有气压传感器和控制阀。

在本发明上述检测装置的技术方案中，所述涡旋倍增管为将一股压缩空气同时生成冷、热两股气流的涡旋倍增管，进气口设置在涡旋倍增管中段，冷、热两股气流从涡旋倍增管两端排出。

本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像无损检测，压缩空气的压力一般控制在0.3-0.7Mpa的范围，使压缩空气流过涡旋倍增管后，使冷气流的温度降低至少40℃，使热气流的温度升高至少50℃。

本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像无损检测方法，以冷或热脉冲气流为激励气流，依据待测试件自身温度、导热率，确定气流冷热激励类型、脉冲宽度、激励时间，在计算机控制下启动脉冲气流控制模块、红外热像仪，使压缩空气经由脉冲气流生成模块生成所确定的冷热激励类型和脉冲宽度的脉冲气流，利用经均匀化调质后的冷或热脉冲气流，对试件表面按照所确定的激励时间进行脉冲激励，由热像仪实时采集脉冲气流对试件表面激励产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频序列图像进行分析处理，输出显示试件表面检测结果。可通过动态调整脉冲气流的脉冲宽度和采用多脉冲层层叠加克服环境温度对检测结果的影响。较现有技术以热风为激励介质进行无损检测，加热效率高，温度均匀好，不仅可适用于导热率较低的材料检测，也可适用于金属等高导热率材料的检测，为铁路钢轨和汽车零配件表层缺陷伤损在线检测提供了一种有效方法。此外，由于空气的可压缩性使得脉冲气流激励可以适用于不同表面形貌的试件浅层表面缺陷损伤检测，且高压气流可以在测量过程中快速清除待测样品表面的粉尘、油污、水滴，能够有效地降低这些杂质对待测样品表面发射率的影响。本发明的方法解决了ECPT检测方法存在的问题。

本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像无损检测装置，采取涡旋倍增管将一股压缩空气变成冷热两股高速运动的气流，涡旋倍增管能够把进来的压缩空气的温度降低46℃或提高93℃，且可通过调节与涡旋倍增管两端相连接的冷热管道中气流的流量，控制冷气流和热气流的温度；相对于现有技术热风激励检测，普遍采用大功率电阻丝加热空气，用鼓风机产生热气流，本发明所提供的装置气流加热、制冷效率高，运行成本低。本发明利用计算机生成的脉冲信号控制高频电磁阀的通断(频率最高达到1200Hz)产生脉冲气流，激励气流的脉冲宽度与脉冲形式可在很大的范围进行调整，使得气流激励既可用于导热率高的金属材料，也可用于导热率低的复合材料检测；设置在脉冲气流喷管内的导流板和设置在脉冲气流喷管前端截面逐渐收缩的喷咀构成的脉冲气流均匀化模块，使由涡旋倍增管输出的旋转气流流态得到有效调质，提高了脉冲气流对试样加热或制冷的均匀性。

本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像无损检测方法，除了用于检测试件表层面缺陷损伤之外，还可应用于使用干涉测量法对应力应变进行全息或变形测量的领域。

附图说明

附图1是脉冲气流激励红外成像检测装置的结构示意图；

附图2是脉冲气流控制模块的结构框图；

附图3是冷/热气流生成模块的气动原理图；

附图4是附图1中构件9的放大剖视结构示意图；

附图5是利用本发明所述方法对带有自然裂纹的金属试件进行无损检测的红外热像图。

在上述附图中，各图示标号所标识的对象为：1-电脑；2-LCD显示屏；3-脉冲气流控制模块；4-空气压缩机；5-红外热像仪；6-检测装置基座；7-待测试件；8-检测装置立柱；9-脉冲气流喷管；10-冷/热气流生成模块；11-压力表；12-温度表；13-控制阀；14-涡旋管；15-流量控制阀；16-温度传感器；17-两位三通电磁阀；18-消音器；19-高频电磁阀；20-气压传感器；21-喷管；22-导流板；23-喷咀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明提供的基于脉冲气流激励红外成像无损检测装置，其结构如附图1至附图4所示，包括冷/热脉冲气流生成模块10，脉冲气流均匀化模块，脉冲气流控制模块3、红外热像仪5、计算机1、脉冲气流喷管9、消音器18、检测操作台和空气压缩机4；所述冷/热脉冲气流生成模块包括通过接管依次联接的将一股压缩空气生成冷、热两股气流的涡旋倍增管14，控制冷、热两股气流切换的两个两位三通电磁切换阀17，脉冲控制冷/热气流通断的高频电磁阀19，在联接涡旋倍增管冷、热端的两条管路上分别设置的用于调节管道内冷/热气流流量的调节阀15，两位三通电磁切换阀采取互锁设置；所述脉冲气流控制模块3的结构如附图2所示，包括微处理器、产生脉冲信号的振荡电路、控制电磁阀的I/O接口电路和固态继电器，固态继电器分别与两个两位三通的电磁切换阀和高频电磁阀电连接；所述计算机与红外热像仪、脉冲气流控制模块通过数据线连接；所述消音器设置在两个两位三通电磁切换阀的一通道上；空气压缩机通过接管与所述涡旋倍增管联接，为涡旋倍增管提供压缩空气，在联接管路上设置有控制阀13和气压传感器；所述检测操作台由放置待测试件7的台座6和固置在台座上用于安装脉冲气流喷管9和红外热像仪5的架杆8构成；脉冲气流喷管9与所述高频电磁阀19联接；所述气流均匀化模块由设置在脉冲气流喷管内的导流板22和设置在脉冲气流喷管前端的一方向截面逐渐收缩喷咀23构成。

采用本发明所述的检测装置对常温下的金属试件进行检测，采取以热气流对试件进行激励，确定激励气流的脉冲宽度为100毫秒，激励时间为10秒。脉冲气流控制模块按照检测人员在计算机软件界面中设置的脉冲参数生成脉冲信号。冷/热脉冲气流生成模块、脉冲气流控制模块、空气压缩机、红外热像仪在计算机控制下分别启动。热气流一路上的两位三通电磁切换阀开启，冷气流一路上的两位三通电磁切换阀关闭。压缩机提供的压力为0.5Mpad的压缩空气由涡流倍增管中段进入，生成高速运动的冷、热两股气流，且将热气流的温度提高60℃作为激励气流。通过两位三通电磁切换阀的热气流，在流过高频电磁阀后转化为脉冲宽度为100毫秒的脉冲热气流。脉冲热气流经气流均匀化模块调质后，按所确定的激励时间对试件进行脉冲激励，热像仪实时采集脉冲气流对试件表面激励产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频序列图像进行分析处理，输出显示试件浅表层的检测结果。