CN106940332A - 一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法,属于无损检测技术领域。所述***包括第一激光准直镜、第一光纤、第一808nm激光器、第一激光器电源线、第一激光器电源、第一BNC数据线、计算机、USB数据线、数据采集卡、第二BNC数据线、BNC触发信号线、以太网线、红外热像仪、垂直升降台、第二激光器电源、第二激光器电源线、第二808nm激光器、第二光纤、第二激光准直镜、三维移动台。本发明的优点是:可以实现复合材料、金属材料及树脂材料表层及浅表层缺陷的无损伤、非接触、高效检测,同时不受检测试件尺寸限制;极大地提高了表层及浅表层缺陷检测信噪比,精度较高。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域,具体涉及一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法。
背景技术
随着航空航天、石油化工、核电等领域的飞速发展,一系列具有优异力学、热学性能的复合材料广泛地应用于以上领域。由于对产品性能及产品质量要求的逐步提高,各种复合材料在制备工艺及后续使用过程中的质量保证显得尤为重要。复合材料制备工艺与传统金属材料加工工艺存在特殊性,不合理的加工工艺容易造成复合材料出现脱粘、分层、内部气孔等多种不同缺陷,以上缺陷严重威胁产品的使用性能。同时大多数复合材料外在表现为轻、薄及尺寸较大,相对于整个产品而言,缺陷尺度较小,所以一些传统的无损检测技术存在分辨率低或检测信噪比低等不同劣势。因此找到一种可以实现对复合材料表层及浅表层缺陷进行高效率及高信噪比的无损检测方法对整个复合材料制备工艺过程的质量把关十分重要。
红外热波无损检测技术作为一种新兴的主动式红外无损检测技术,由于其具有非接触、直观、探测面积大及无损伤等优点,广泛应用于各种复合材料、金属材料、树脂材料的无损检测领域。目前针对于红外热波无损检测技术的研究主要集中于激励方式、激励源及信号处理算法的相关研究上。目前已有的红外热波无损检测技术(锁相热波无损检测技术及脉冲红外无损检测技术)对复合材料仍然存在缺陷检测效果差及信噪比低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服目前传统红外热波无损检测技术对复合材料缺陷检测效果差及信噪比低的难题,提供一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法。
相位编码调制方式的红外无损检测技术,基于光热辐射测量(Photothermalradiometry, PTR)原理,采用计算机控制函数发生器产生二进制编码信号(Binary phasecoding, BPC),利用此信号控制激光器电源,进而控制激光按照调制规律变化照射到试件检测面。其中BPC信号是一种非线性调频信号,相较于单一频率信号具有大的时宽-带宽积,最早与电磁信号结合应用于雷达信号等领域。本发明中介绍的方法为将BPC信号与红外光热探测技术进行融合。调制变化的激光照射到样件后由于存在光热效应,样件出现温度涨落与红外辐射,光热辐射信号(热波信号)与样件光热特性参数与结构相关,信号被红外热像仪接收,进而通过信号处理算法提取样件光热特性达到对样件缺陷的判定。其中本方法中所采用为信号处理方法为互相关匹配滤波技术及双路正交解调算法。在进行特征提取运算过程中,通过对热波信号进行匹配滤波,进而达到提高复合材料表层及浅表层缺陷检出信噪比的目的。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***,所述***包括第一激光准直镜、第一光纤、第一808nm激光器、第一激光器电源线、第一激光器电源、第一BNC数据线、计算机、USB数据线、数据采集卡、第二BNC数据线、BNC触发信号线、以太网线、红外热像仪、垂直升降台、第二激光器电源、第二激光器电源线、第二808nm激光器、第二光纤、第二激光准直镜、三维移动台;
所述红外热线仪放置在垂直升降台上,红外热像仪信号输出端通过以太网线与计算机信号输入端相连接,所述计算机控制信号输出端通过USB数据线与数据采集卡控制信号输入端相连接,所述数据采集卡信号输出端一通过BNC触发信号线与红外热像仪信号输入端相连接,数据采集卡信号输出端二通过第一BNC数据线与第一激光器电源信号输入端相连接,数据采集卡信号输出端三通过第二BNC数据线与第二激光器电源信号输入端相连接,所述第一激光器电源信号输出端通过第一激光器电源线与第一808nm激光器信号输入端相连接,所述第一808nm激光器信号输出端通过第一光纤与第一激光准直镜信号输入端相连接,所述第二激光器电源信号输出端通过第二激光器电源线与第二808nm激光器信号输入端相连接,第二808nm激光器信号输出端通过第二光纤与第二激光准直镜信号输入端相连接,所述三维移动台用于承载检测试件。
一种利用上述***实现基于相位编码调制方式的红外无损检测的方法,所述方法具体步骤如下:
步骤一:确定要检测的检测试件,将其放置到三维移动台上;
步骤二:开启所述基于相位编码调制方式的红外无损检测***,此步骤包括计算机、数据采集卡、第一激光器电源、第二激光器电源及红外热像仪设备的开启以及软件程序的开启;
步骤三:对红外热像仪进行非均匀性较正,进而通过计算机控制软件辅助调整红外热像仪成像检测视野,通过调节三维移动台使图像成像清晰;
步骤四:计算机控制数据采集卡进而控制第一808nm激光器及第二808nm激光器出射激光,调整第一激光准直镜及第二激光准直镜,使激光均匀地照射到检测试件表面;
步骤五:计算机控制软件信号通过数据采集卡输出,使其控制第一808nm激光器及第二808nm激光器光强按二进制编码调制规律变化,同时此控制信号通过BNC触发信号线控制红外热像仪进行实时图像数据采集;
步骤六:计算机通过以太网线对红外热像仪采集的图像序列进行记录,并通过计算机控制软件进行图像数据处理与信号提取,提取幅值图、相位图、延迟图及峰值图特征信息,基于以上特征信息实现缺陷识别与判定。
本发明中,测试材料针对复合材料、金属材料及树脂材料表层及浅表层缺陷;
本发明中,激光器功率选择依据材料缺陷信息而定;
本发明中,激光器输出与红外热像仪采集保持完全同步。
本发明相对于现有技术的有益效果是:
(1)本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***,可以实现复合材料、金属材料及树脂材料表层及浅表层缺陷的无损伤、非接触、高效检测,同时不受检测试件尺寸限制;
(2)本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测方法,采用具有较大时宽-带宽积的编码信号作为激励信号,极大地提高了表层及浅表层缺陷检测信噪比(对于深度≥2mm,径深比>2的CFRP层板缺陷可以较为容易的检出);
(3)本发明采用制冷型红外热像仪进行热波信号提取,试验结果具有较好的精度;
(4)本发明采用808nm激光作为光源,提高了材料光热转化的吸收能力,同时准直镜的使用,较大程度的减少了加热不均对幅值特征及峰值特征的影响。
综上,本发明的基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法适用于航空航天、微电子、石油化工及核电等领域的各种复合材料表层、浅表层脱粘、分层及内部气孔等缺陷检测与定量评价。
附图说明
图1为本发明采用的二进制相位编码波形图;
图2为本发明的特征提取算法框图;
图3为本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***结构示意图;
图4为本发明采用的试件表面预制裂纹示意图;
图5为利用本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法对CFRP检测试件进行检测得到的延迟图;
图6为利用本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法对CFRP检测试件进行检测得到的峰值图;
图7为利用本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法对CFRP检测试件进行检测得到的相位图;
图8为利用本发明基于相位编码调制方式的红外无损检测***及方法对CFRP检测试件进行检测得到的幅值图。
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。
具体实施方式一:如图3所示,本实施方式记载的是一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***,所述***包括检测试件1、第一激光准直镜2、第一光纤3、第一808nm激光器(峰值功率50W)4、第一激光器电源线5、第一激光器电源6、第一BNC数据线7、计算机8、USB数据线9、数据采集卡(NI-6229)10、第二BNC数据线11、BNC触发信号线12、以太网线13、红外热像仪(FLIR SC7000,像素:320×256,响应波长:3.6~5.1μm)14、垂直升降台15、第二激光器电源16、第二激光器电源线17、第二808nm激光器(峰值功率50W)18、第二光纤19、第二激光准直镜20、三维移动台21;
所述红外热线仪14放置在垂直升降台15上,红外热像仪14信号输出端通过以太网线13与计算机8信号输入端相连接,所述计算机8控制信号输出端通过USB数据线9与数据采集卡10控制信号输入端相连接,所述数据采集卡10信号输出端一通过BNC触发信号线12与红外热像仪14信号输入端相连接,数据采集卡10信号输出端二通过第一BNC数据线7与第一激光器电源6信号输入端相连接,数据采集卡10信号输出端三通过第二BNC数据线11与第二激光器电源16信号输入端相连接,所述第一激光器电源6信号输出端通过第一激光器电源线5与第一808nm激光器4信号输入端相连接,所述第一808nm激光器4信号输出端通过第一光纤3与第一激光准直镜2信号输入端相连接,所述第二激光器电源16信号输出端通过第二激光器电源线17与第二808nm激光器18信号输入端相连接,第二808nm激光器18信号输出端通过第二光纤19与第二激光准直镜20信号输入端相连接,所述三维移动台21用于承载检测试件1。
具体实施方式二:一种利用具体实施方式一所述***实现基于相位编码调制方式的红外无损检测的方法,所述方法具体步骤如下:
步骤一:确定要检测的检测试件1(图4所示),将其放置到三维移动台21上;
步骤二:开启所述基于相位编码调制方式的红外无损检测***,此步骤包括计算机8、数据采集卡10、第一激光器电源6、第二激光器电源16及红外热像仪14设备的开启以及软件程序(软件程序是安装在计算机中的)的开启;
步骤三:对红外热像仪14进行非均匀性较正,进而通过计算机8控制软件辅助调整红外热像仪14成像检测视野,通过调节三维移动台21使图像成像清晰;
步骤四:计算机8控制数据采集卡10进而控制第一808nm激光器4及第二808nm激光器18出射激光,调整第一激光准直镜2及第二激光准直镜20,使激光均匀地照射到检测试件1表面;
步骤五:计算机8控制软件信号通过数据采集卡10输出,使其控制第一808nm激光器4及第二808nm激光器18光强按二进制编码调制规律变化,其中二进制编码方式如图1所示;同时此控制信号通过BNC触发信号线12控制红外热像仪14进行实时图像数据采集;
步骤六:计算机8通过以太网线13对红外热像仪14采集的图像序列进行记录,并通过计算机8控制软件(具体软件算法如图2所示)进行图像数据处理与信号提取,提取幅值图(图8所示)、相位图(图7所示)、延迟图(图5所示)及峰值图(图6所示)特征信息,基于以上特征信息实现缺陷识别与判定;至此,完成了对测试件1的热波成像检测。
本发明具体实施方式中测试材料以厚度为4mm、尺寸为10cm×10cm的CFRP检测试件,试件预制有平底孔(其尺寸见表1)。表1为CFRP预制孔尺寸。
表1
Claims (2)
1.一种基于相位编码调制方式的红外无损检测***,其特征在于:所述***包括第一激光准直镜(2)、第一光纤(3)、第一808nm激光器(4)、第一激光器电源线(5)、第一激光器电源(6)、第一BNC数据线(7)、计算机(8)、USB数据线(9)、数据采集卡(10)、第二BNC数据线(11)、BNC触发信号线(12)、以太网线(13)、红外热像仪(14)、垂直升降台(15)、第二激光器电源(16)、第二激光器电源线(17)、第二808nm激光器(18)、第二光纤(19)、第二激光准直镜(20)、三维移动台(21);
所述红外热线仪(14)放置在垂直升降台(15)上,红外热像仪(14)信号输出端通过以太网线(13)与计算机(8)信号输入端相连接,所述计算机(8)控制信号输出端通过USB数据线(9)与数据采集卡(10)控制信号输入端相连接,所述数据采集卡(10)信号输出端一通过BNC触发信号线(12)与红外热像仪(14)信号输入端相连接,数据采集卡(10)信号输出端二通过第一BNC数据线(7)与第一激光器电源(6)信号输入端相连接,数据采集卡(10)信号输出端三通过第二BNC数据线(11)与第二激光器电源(16)信号输入端相连接,所述第一激光器电源(6)信号输出端通过第一激光器电源线(5)与第一808nm激光器(4)信号输入端相连接,所述第一808nm激光器(4)信号输出端通过第一光纤(3)与第一激光准直镜(2)信号输入端相连接,所述第二激光器电源(16)信号输出端通过第二激光器电源线(17)与第二808nm激光器(18)信号输入端相连接,第二808nm激光器(18)信号输出端通过第二光纤(19)与第二激光准直镜(20)信号输入端相连接,所述三维移动台(21)用于承载检测试件(1)。
2.一种利用权利要求1所述***实现基于相位编码调制方式的红外无损检测的方法,其特征在于:所述方法具体步骤如下:
步骤一:确定要检测的检测试件(1),将其放置到三维移动台(21)上;
步骤二:开启所述基于相位编码调制方式的红外无损检测***,此步骤包括计算机(8)、数据采集卡(10)、第一激光器电源(6)、第二激光器电源(16)及红外热像仪(14)设备的开启以及软件程序的开启;
步骤三:对红外热像仪(14)进行非均匀性较正,进而通过计算机(8)控制软件辅助调整红外热像仪(14)成像检测视野,通过调节三维移动台(21)使图像成像清晰;
步骤四:计算机(8)控制数据采集卡(10)进而控制第一808nm激光器(4)及第二808nm激光器(18)出射激光,调整第一激光准直镜(2)及第二激光准直镜(20),使激光均匀地照射到检测试件(1)表面;
步骤五:计算机(8)控制软件信号通过数据采集卡(10)输出,使其控制第一808nm激光器(4)及第二808nm激光器(18)光强按二进制编码调制规律变化,同时此控制信号通过BNC触发信号线(12)控制红外热像仪(14)进行实时图像数据采集;
步骤六:计算机(8)通过以太网线(13)对红外热像仪(14)采集的图像序列进行记录,并通过计算机(8)控制软件进行图像数据处理与信号提取,提取幅值图、相位图、延迟图及峰值图特征信息,基于以上特征信息实现缺陷识别与判定。
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