本發(fā)明涉及一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的檢測方法，屬于紅外成像無損檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著航空航天、微電子、核電等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，一系列具有較高力學性能或者電學性能的薄層新材料不斷涌現(xiàn)，這些材料被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。由于對產(chǎn)品性能要求的逐步提高，薄層材料在加工工藝過程中的質(zhì)量保證愈發(fā)受到消費者的關(guān)注。不合理的加工工藝過程容易使產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生多種不同缺陷，比如由于產(chǎn)品殘余應(yīng)力未消除而造成的微裂紋、復(fù)合材料預(yù)浸樹脂時造成的氣孔及鼓包、電子元器件焊接時的脫焊現(xiàn)象等都極大的影響產(chǎn)品的使用性能與安全性能。紅外熱波無損檢測技術(shù)作為一種主動式紅外檢測技術(shù)，由于其具有非接觸、直觀、探測面積大及無損傷等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于各種薄層材料缺陷檢測領(lǐng)域。

目前針對紅外熱波無損檢測技術(shù)的研究主要集中在主動激勵熱信號加載方式及熱輻射信號提取算法的相關(guān)研究領(lǐng)域。根據(jù)主動激勵熱信號加載方式的不同，主要可以分為，紅外脈沖法熱波無損檢測技術(shù)、紅外鎖相法熱波無損檢測技術(shù)及紅外熱波雷達無損檢測技術(shù)等。但目前以上方法都存在激勵熱流對試件檢測信噪比低、對微裂紋、脫粘、鼓包等微小缺陷檢測不敏感等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提出一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的檢測方法，以解決目前常用紅外熱成像無損檢測技術(shù)/系統(tǒng)（脈沖法、鎖相法及熱波雷達法）存在的試件檢測信噪比低、對微裂紋、脫粘、鼓包等微小缺陷檢測不敏感的問題。

本發(fā)明提出了一種基于相干熱波激勵方式的紅外熱成像檢測系統(tǒng)及方法。

實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)，其組成包括計算機、以太網(wǎng)線、第一BNC數(shù)據(jù)線、第一激光器電源、第一激光器電源線、第一激光器、第一光纖、第一準直鏡、移動臺、第二準直鏡、第二光纖、第二激光器、第二激光器電源線、第二激光器電源、第二BNC數(shù)據(jù)線、函數(shù)發(fā)生器、USB數(shù)據(jù)線和紅外熱像儀；

所述的計算機設(shè)有兩個信號輸出端，計算機的其中一個所述的信號輸出端通過以太網(wǎng)線與紅外熱像儀的信號輸入端連接，計算機的另一個信號輸出端通過USB數(shù)據(jù)線與函數(shù)發(fā)生器的信號輸入端連接，所述的函數(shù)發(fā)生器設(shè)有兩個信號輸出端，函數(shù)發(fā)生器的其中一個所述的信號輸出端通過第一BNC數(shù)據(jù)線與第一激光器電源的信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器的另一個信號輸出端通過第二BNC數(shù)據(jù)線與第二激光器電源的信號輸入端連接，所述的第一激光器電源的電流輸出端通過第一激光器電源線與第一激光器的電流輸入端連接，所述的第二激光器電源的電流輸出端通過第二激光器電源線與第二激光器的電流輸入端連接，所述的第一激光器的激光輸出端通過第一光纖與第一準直鏡的激光輸入端連接，所述的第二激光器的激光輸出端通過第二光纖與第二準直鏡的激光輸入端連接，所述的移動臺設(shè)置在第一準直鏡和第二準直鏡的前方。

進一步的，所述的第一激光器和第二激光器皆為808nm半導(dǎo)體激光器；所述的第一激光器電源和第二激光器電源皆為808nm半導(dǎo)體激光器電源。

本發(fā)明的一種基于紅外相干熱波成像系統(tǒng)的檢測方法，所述的檢測方法包括如下步驟：

步驟一：將被檢測試件裝夾固定在移動臺上（移動臺10可以控制被檢測試件9上下及水平方向的移動）；

步驟二：開啟所述的紅外相干熱波成像系統(tǒng)中的計算機、第一激光器電源、第一激光器、第二激光器、第二激光器電源、函數(shù)發(fā)生器及紅外熱像儀；

步驟三：分別設(shè)置第一激光器第二激光器的峰值功率為30W，調(diào)整所述的第一準直鏡或第二準直鏡的位置，以實現(xiàn)激光光路的校準，同時保證兩束打在所述的被檢測試件上的激光光斑在移動中始終保持相同距離；

步驟四：通過實時觀察計算機的顯示器，調(diào)整所述的紅外熱像儀焦距，使紅外熱像儀對焦合理，圖像成像清晰；

步驟五：計算機控制函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩個調(diào)制信號，所述的兩個調(diào)制信號具有相同幅值與頻率，相位差180°，進而控制第一激光器和第二激光器，以實現(xiàn)相干激勵主動式熱激勵加載；

步驟六：在所述的第一準直鏡和第二準直鏡的光源照射被檢測試件的同時，計算機通過以太網(wǎng)線對紅外熱像儀采集的圖像序列進行記錄，并通過計算機的控制軟件進行圖像數(shù)據(jù)處理與信號提取，進而進行被檢測試件表面缺陷識別與判定；

步驟七：通過上下、左右平移移動臺帶動被檢測試件一同移動，實現(xiàn)第一激光器和第二激光器的橫向與縱向掃描，并重復(fù)步驟六和步驟七，最終完成對被檢測試件9熱波成像檢測。

進一步的，步驟一中，所述的被檢測試件的表面材料為反光度低的材料。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

（1）本發(fā)明通過雙束相干激光相干相消原理對被檢測試件表面微小缺陷檢測，克服了傳統(tǒng)檢測方法對微小缺陷檢測不敏感的劣勢；

（2）本發(fā)明通過利用相干激勵加載方式極大提高了紅外熱波檢測材料缺陷效果（可以較容易地檢測出徑深比小于2的微小缺陷），并具有對被檢測試件表面的微裂紋、脫粘、鼓包等微小缺陷檢測敏感度高的優(yōu)點 。

綜上，本發(fā)明適用于航空航天、微電子、汽車、核電等多領(lǐng)域的薄層材料缺陷檢測與定量評價。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-計算機、2-以太網(wǎng)線、3-第一BNC數(shù)據(jù)線、4-第一激光器電源、5-第一激光器電源線、6-第一激光器、7-第一光纖、8-第一準直鏡、9-被檢測試件、10-移動臺、11-第二準直鏡、12-第二光纖、13-第二激光器、14-第二激光器電源線、15-第二激光器電源、16-第二BNC數(shù)據(jù)線、17-函數(shù)發(fā)生器、18-USB數(shù)據(jù)線、19-紅外熱像儀。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1所示，一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)，其組成包括計算機1、以太網(wǎng)線2、第一BNC數(shù)據(jù)線3、第一激光器電源4、第一激光器電源線5、第一激光器6、第一光纖7、第一準直鏡8、移動臺10、第二準直鏡11、第二光纖12、第二激光器13、第二激光器電源線14、第二激光器電源15、第二BNC數(shù)據(jù)線16、函數(shù)發(fā)生器17、USB數(shù)據(jù)線18和紅外熱像儀19；

所述的計算機1設(shè)有兩個信號輸出端，計算機1的其中一個所述的信號輸出端通過以太網(wǎng)線2與紅外熱像儀19的信號輸入端連接，計算機1的另一個信號輸出端通過USB數(shù)據(jù)線18與函數(shù)發(fā)生器17的信號輸入端連接，所述的函數(shù)發(fā)生器17設(shè)有兩個信號輸出端，函數(shù)發(fā)生器17的其中一個所述的信號輸出端通過第一BNC數(shù)據(jù)線3與第一激光器電源4的信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器17的另一個信號輸出端通過第二BNC數(shù)據(jù)線16與第二激光器電源15的信號輸入端連接，所述的第一激光器電源4的電流輸出端通過第一激光器電源線5與第一激光器6的電流輸入端連接，所述的第二激光器電源15的電流輸出端通過第二激光器電源線14與第二激光器13的電流輸入端連接，所述的第一激光器6的激光輸出端通過第一光纖7與第一準直鏡8的激光輸入端連接，所述的第二激光器13的激光輸出端通過第二光纖12與第二準直鏡11的激光輸入端連接，所述的移動臺10設(shè)置在第一準直鏡8和第二準直鏡11的前方。

本實施方式中的移動臺10可以控制被檢測試件9上下及水平移動；紅外熱像儀19的型號為FLIR SC 7000，響應(yīng)波長為3.6~5.2μm。

具體實施方式二：如圖1所示，根據(jù)具體實施方式一所述的一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)，所述的第一激光器6和第二激光器13皆為808nm半導(dǎo)體激光器；所述的第一激光器電源4和第二激光器電源15皆為808nm半導(dǎo)體激光器電源。

具體實施方式三：如圖1所示，一種基于具體實施方式一或二所述的一種紅外相干熱波成像系統(tǒng)的檢測方法，所述的檢測方法包括如下步驟：

步驟一：將被檢測試件9裝夾固定在移動臺10上（移動臺10可以控制被檢測試件9上下及水平方向的移動）；本實施方式以被檢測試件9的厚度為4 mm、尺寸為10cm×10cm的正方形塊體為例，被檢測試件9采用CFRP材料制成，檢測試件9預(yù)制有微裂紋缺陷；

步驟二：開啟所述的紅外相干熱波成像系統(tǒng)中的計算機1、第一激光器電源4、第一激光器6、第二激光器13、第二激光器電源15、函數(shù)發(fā)生器17及紅外熱像儀19；

步驟三：分別設(shè)置第一激光器第二激光器的峰值功率為30W，調(diào)整所述的第一準直鏡8或第二準直鏡11的位置，以實現(xiàn)激光光路的校準，同時保證兩束打在所述的被檢測試件9上的激光光斑在移動中始終保持相同距離；

步驟四：通過實時觀察計算機1的顯示器，調(diào)整所述的紅外熱像儀19焦距，使紅外熱像儀19對焦合理，圖像成像清晰；

步驟五：計算機1控制函數(shù)發(fā)生器17產(chǎn)生兩個調(diào)制信號，所述的兩個調(diào)制信號具有相同幅值與頻率，相位差180°，進而控制第一激光器6和第二激光器13，以實現(xiàn)相干激勵主動式熱激勵加載；

步驟六：在所述的第一準直鏡8和第二準直鏡11的光源照射被檢測試件9的同時，計算機1通過以太網(wǎng)線2對紅外熱像儀19采集的圖像序列進行記錄，并通過計算機1的控制軟件進行圖像數(shù)據(jù)處理與信號提取，進而進行被檢測試件9表面缺陷識別與判定；

步驟七：通過上下、左右平移移動臺10帶動被檢測試件9一同移動，實現(xiàn)第一激光器6和第二激光器13的橫向與縱向掃描，并重復(fù)步驟六和步驟七，最終完成對被檢測試件9熱波成像檢測。

本實施方式中，第一激光器6和第二激光器13頻率的選擇、兩道激光光斑相距距離、被檢測試件9的橫向及縱向移動距離均根據(jù)被檢測試件9表面材料材質(zhì)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)而定。

具體實施方式四：步驟一中，所述的被檢測試件9的表面材料為反光度低的材料。如黑色金屬、碳纖維材料、鑄鐵等，若為反光度高的材料如鈦合金、鋁合金、不銹鋼等，則必須對其表面進行噴涂啞光漆處理，以增加其對光的吸收。

工作原理：本發(fā)明的紅外相干熱波成像系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的檢測方法，采用雙束激光對被檢測試件9進行主動式熱激勵加載，其中兩束激光具有相同的光強和調(diào)制頻率，但兩者之間的初相位差180°。采用此種激勵方式時，照射到被檢測試件9上的光斑之間保持一定間距，其中間距大小與被測試樣件9的材料屬性有關(guān)。利用紅外熱像儀19進行熱輻射信號測量。通過移動臺10控制被檢測試件9進行橫向以及上下位置的移動，實現(xiàn)激光逐步掃描，進而完成整個被檢測試件9的檢測。本發(fā)明的基于紅外相干熱波成像系統(tǒng)的檢測方法，是基于光熱輻射測量Photo thermal radiometry, PTR的原理，采用計算機1控制函數(shù)發(fā)生器17產(chǎn)生兩個相位差為180°的正弦信號，兩個正弦信號分別控制第一激光器電源4和第二激光器電源15，使第一激光器6和第二激光器13產(chǎn)生兩束相位差180°的激光光束，規(guī)律變化的光照射到被檢測試件9后由于存在光熱效應(yīng)，被檢測試件9出現(xiàn)溫度漲落與紅外輻射，光熱輻射信號與被檢測試件9光熱特性參數(shù)與結(jié)構(gòu)相關(guān)。當被檢測試件9不存在缺陷時，則兩束熱流造成的交流溫升會出現(xiàn)相干相消的狀態(tài)，即在材料表面只會出現(xiàn)由于直流項造成的指數(shù)型溫升，但如果兩束光斑之間存在裂紋等微小缺陷時，則會對熱流造成擾動，即不會出現(xiàn)相干相消的現(xiàn)象，此時裂紋處溫升會擾動。信號被紅外熱像儀19接收，進而通過計算機1中的信號處理算法提取被檢測試件9的光熱特性，從而達到對被檢測試件9缺陷的判定。