CN109900742B - 一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置及方法，所述装置包括红外热像仪、热像仪升降台、第一激光发射器、第二激光发射器、数据采集卡、控制器、同步触发器、第一功率放大器、第二功率放大器、第一激光驱动器、第二激光驱动器、第一准直镜、第二准直镜、第一平面镜、第二平面镜、第一激光分束器、第二激光分束器、数字信号接收器、计算机、压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管、箱体、制冷剂、温度传感器、冷凝控制器、直线导轨、步进电机、电机驱动器和PLC控制器。本发明可以提高脱粘缺陷的识别效果，辨别碳纤维的铺层方向，减少周围环境噪声的干扰，提高碳纤维复合材料脱粘缺陷的边缘检测效果。

Description

一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料 脱粘缺陷装置及方法

技术领域

本发明属于红外热波无损检测领域，涉及一种碳纤维复合材料缺陷检测装置及方法，具体涉及一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料缺陷装置及方法。

背景技术

碳纤维复合材料是近年来快速发展的一种新型复合材料，由于其具有强度大、密度低、耐高温、耐腐蚀等一系列优良特性，在航空航天、军工业及其他工业具有广泛的应用前景。由于碳纤维各向异性的特性，以及碳纤维复合材料铺层方向复杂多变，在使用过程中很容易产生分层、脱粘等缺陷，如果不能及时地发现就会导致事故的发生，甚至会引起更严重的经济损失，因此需要及时地对碳纤维复合材料进行无损检测。

红外热波无损检测技术是继无损检测技术问世以来，适用范围广泛而且发展迅速的一种新型无损检测技术。常规的无损检测技术主要包括超声检测、渗透检测、涡流检测、射线检测以及磁粉检测，以上几种检测方法各有优点，但是适用范围并不相同。超声检测更适用于某些焊接件，渗透检测更适用于结构紧密的零部件，涡流检测更适用于导电材料，射线检测更适用于复合材料，磁粉检测更适用于导磁材料，而红外热波无损检测广泛适用于各类金属、非金属以及复合材料的缺陷检测。红外热波无损检测技术需要主动对被测试件施加激励，缺陷处与无缺陷处温度发生差异，利用红外采集设备采集到肉眼无法识别的红外线，依据采集到的红外热图，从而判断被测试件的缺陷。与常规的无损检测技术相比，新型无损检测技术有着检测效果好、单次检测面积大、不损伤内部结构的优点。激光作为传递信号的载体，有着频率高、频带宽、损耗小、传递速度快的优点，因此激光是应用于红外无损检测领域的一种有效的激励源，选择激光激励源对被测试件的表面进行激励，可以有效地弥补闪光灯做激励源时出现的对被测试件的表面出现加热不均的现象，也可以有效地避免卤素灯做激励源时出现热传导损耗大量功率的情况。

线性调频激励的频率随时间的改变而线性改变，而且线性调频激励能够在相同的使用条件下，提高对不同材料的检测能力，改善对不同材料的缺陷识别效果，但是存在无法有效识别脱粘缺陷的直径与边缘结构的缺点；非线性调频能够抗干扰，具有检测灵敏度高、检测效果好的优点，但是非线性调频激励存在着调频过程复杂，难以有效地实现；当线性和非线性调频信号混合激励作用于碳纤维复合材料时，能有效地对碳纤维复合材料进行脱粘缺陷的检测，同时能更好地识别缺陷边缘轮廓、直径和深度。

采用线性和非线性调频混合激励作用于碳纤维复合材料与线性调频单独激励相比，能更有效地提高红外热像仪对脱粘缺陷深度和大小的识别效果，更好地辨别碳纤维的铺层方向，减少周围环境噪声的干扰，更好的提高了碳纤维复合材料脱粘缺陷的边缘检测效果。

发明内容

为了更有效地提高红外热像仪对脱粘缺陷的识别效果，更好地辨别碳纤维的铺层方向，减少周围环境噪声的干扰，更好地提高碳纤维复合材料脱粘缺陷的边缘检测效果，本发明提供了一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置及方法。本发明将起始温度控制于室温以下，在此温度下开始检测被测试件在混合激励下的影响效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，包括红外图像采集装置、热激励***、数据信号接收处理装置、冷凝装置、直线导轨及其组件，其中：

所述红外图像采集装置由红外热像仪和热像仪升降台组成；

所述热激励***由第一激光发射器、第二激光发射器、数据采集卡、控制器、同步触发器、第一功率放大器、第二功率放大器、第一激光驱动器、第二激光驱动器、第一准直镜、第二准直镜、第一平面镜、第二平面镜、第一激光分束器和第二激光分束器组成；

所述数据信号接收处理装置由数字信号接收器和计算机组成；

所述冷凝装置由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管、箱体、制冷剂、温度传感器、冷凝控制器组成；

所述直线导轨及其组件由直线导轨、步进电机、电机驱动器和PLC控制器组成；

所述箱体内设置有第一激光分束器、第二激光分束器、第一激光发射器、第二激光发射器、第一平面镜、第二平面镜、热像仪升降台、红外热像仪、蒸发器、步进电机、温度传感器；

所述红外热像仪固定于热像仪升降台上，红外热像仪镜头正对于在被测试件的中心位置处；

所述红外热像仪的输入端与数字信号接收器的输出端相连；

所述数字信号接收器的输入端与计算机的输出端相连；

所述计算机的输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述数据采集卡的输出端与控制器的输入端相连；

所述控制器的输出端与同步触发器的输入端相连；

所述同步触发器的第一个输出端与第一功率放大器的输入端相连；

所述同步触发器的第二个输出端与第二功率放大器的输入端相连；

所述第一功率放大器的输出端与第一激光驱动器的输入端相连；所述第二功率放大器的输出端与第二激光驱动器的输入端相连；

所述第一激光驱动器的输出端与第一准直镜的输入端相连；

所述第二激光驱动器的输出端与第二准直镜的输入端相连；

所述第一准直镜的输出端与第一激光发射器的输入端相连；

所述第二准直镜的输出端与第二激光发射器的输入端相连；

所述第一激光发射器发出有线性调频激励信号的激光，激光通过第一激光分束器分成多束激光通过第一平面镜的反射，改变光路，最终作用于被测试件的表面；

所述第二激光发射器发出有非线性调频激励信号的激光，发出的激光通过第二激光分束器分成多束激光通过第二平面镜的反射，改变光路，最终作用于被测试件的表面；

所述直线导轨的输入端与步进电机的输出端相连；

所述步进电机的输入端与电机驱动器的输出端相连；

所述电机驱动器的输入端与PLC控制器11的输出端相连；

所述PLC控制器的输入端与计算机的输出端相连；

所述蒸发器内设置有制冷剂；

所述压缩机与冷凝器的一端相连；

所述冷凝器的另一端与毛细管的一端相连；

所述毛细管的另一端与蒸发器的一端相连；

蒸发器的另一端通过回流管与压缩机相连；

所述回流管上设置有温度传感器；

所述冷凝器与冷凝控制器的输出端相连；

所述冷凝控制器的输入端与计算机的输出端相连。

一种利用上述装置实现线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷的方法，包括如下步骤：

S1：将红外热像仪固定于热像仪升降台上，调节红外热像仪与被测试件的前后距离，调节热像仪升降台垂直高度，使红外热像仪的镜头与被测试件缺陷中心位置在同一水平高度上；

S2：将被测试件固定于直线导轨的试件平台中心上，利用PLC控制器控制步进电机移动试件平台，将被测试件移动至红外热像仪镜头正对位置；

S3：调节红外热像仪焦距，在计算机屏幕中显示清晰的红外图像；

S4：调节平面镜的反射角度，激光激励经过平面镜的反射最终作用于被测试件表面缺陷处；

S5：依次将实验所需的实验器件摆放连接好，接通实验器件的电源并保证处于正常工作状态；

S6：使用计算机控制冷凝装置对箱体内温度冷却，降至室温以下：

S7：通过温度传感器对箱体内部温度进行实时监测， 在计算机中输入线性调频激励信号和非线性调频激励信号；

S8： 计算机触发红外热像仪采集加热前2秒的红外图像序列；

S9：在计算机的触发下，激光发射器输出线性非线性调频混合激励；

S10：同步触发器保证线性调频激励信号与非线性调频激励信号同时触发，同时发出线性调频和非线性调频混合激光激励；

S11：红外热像仪采集线性调频和非线性调频混合激光激励作用于被测试件表面后的图像序列；

S12：将红外热像仪采集到的图像数据输出到计算机内，在计算机中对采集到的图像序列进行数据处理；

S13：根据数据处理结果判断被测试件表面缺陷，以及对被测试件脱粘缺陷直径、缺陷深度、缺陷边缘识别。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、激光激励源作为传递线性和非线性调频信号的载波，与卤素灯激励源相比，有着频率高、频带宽、损耗小、传递速度快等优点，因此能有效地识别和检测出碳纤维复合材料脱粘缺陷的深度和直径大小。

2、同步触发器保证线性调频激励和非线性调频激励信号能够同时触发，同时作用于激光发射器上发出激光激励；选择两个功率放大器同时放大线性调频激励和非线性调频激励的功率，达到实验需求的功率大小并输出，向激光发射器提供足够的输出功率。

3、考虑到通常实验的起始温度为室温，为了发现被测试件从更低的温度开始接受激励的对实验结果的影响，使用冷凝器及其组件作为被测试件的冷凝装置，通过冷凝装置对箱体内部施加冷却，将箱体内的温度降到低于室温的起始温度，这样能更好的检测到被测试件从低温到室温再到高温的温度变化过程，因此需要将将箱体内部温度降至室温以下，为实验提供低温环境。

4、由于箱体内部元件皆以位置固定，在箱体内部温度很低，被测试件与红外热像仪位置难以调整，由于被测试件如果不在与红外热像仪镜头中心处，则无法采集到准确的红外图像序列，因此需要PLC控制直线导轨对被测试件的位置进行移动，调整位置，使红外热像仪镜头始终处于被测试件中心位置，这样能够有效的采集到被测试件表面温度场变化。

5、通过使用线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料缺陷方法，可实现对碳纤维复合材料快速准确的检测，能更有效地提高碳纤维复合材料缺陷的识别效果，辨别碳纤维复合材料的铺层方向，提高了碳纤维复合材料脱粘缺陷的边缘检测效果。

6、依据低温到室温再到高温的试验现象，检测被测试件从低温到室温再到高温的温度曲线变化规律。

附图说明

图1为本发明线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置的结构原理图；

图2为本发明冷凝装置的结构示意图；

图3为本发明热像仪升降台的结构示意图；

图4为本发明箱体的结构示意图；

图5为本发明混合调频与线性调频温度曲线图；

图6为本发明混合调频与线性调频温差对比图；

图7为本发明混合调频缺陷处截线图；

图8为本发明混合调频不同缺陷直径下温差对比图；

图中，1：压缩机、2：第一管道、3：冷凝器、3-1：第二管道、3-2：毛细管、3-3：第三管道、4：第一信号线、5：第二信号线、6：冷凝控制器、7：电机驱动器、8：第一激光分束器、9：第一激光发射器、10：第三信号线、11 ：PLC控制器、12：第四信号线、13：第五信号线、14：数字信号接收器、15：第六信号线、16：计算机、17：第七信号线、18：第八信号线、19：数据采集卡、20：第九信号线、21：控制器、22：第十信号线、23：同步触发器、24：第十一信号线、25：第十二信号线、26：第一功率放大器、27：第二功率放大器、28：第十三信号线、29：第十四信号线、30：第一激光驱动器、31：第二激光驱动器、32：第十五信号线、33：第十六信号线、34：第一准直镜、35：第二准直镜、36：第一光纤、37：第二光纤、38：第二激光发射器、39：热像仪升降台、39-1：移动导轨、39-2：底座、39-3：顶座、39-4：第一支撑钉、39-5：第二支撑钉、39-6：弹簧、39-7：螺母、40：红外热像仪、41：第二激光分束器、42：第一平面镜、43：第二平面镜、44：试验台、45：箱体、45-1：隔热材料、45-2：保温材料、45-3：反光膜、46：夹具、47：被测试件、48：试件平台、49：直线导轨、50：蒸发器、51：回流管、52：步进电机、53：温度传感器。

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：本实施方式提供了一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，如图1所示，所述装置包括红外图像采集装置、热激励***、数据信号接收处理装置、冷凝装置、直线导轨及其组件，其中：

所述红外图像采集装置由红外热像仪40和热像仪升降台39组成。红外图像采集装置中选择红外热像仪40及其组件作为红外图像采集设备，能够采集到连续的的红外图像序列。将红外热像仪40固定于热像仪升降台39上，调整好热像仪升降台39的高度，将红外热像仪40的镜头与被测试件47调整至同一高度。

所述热激励***由第一激光发射器9、第二激光发射器38、数据采集卡19、控制器21、同步触发器23、第一功率放大器26、第二功率放大器27、第一激光驱动器30、第二激光驱动器31、第一准直镜34、第二准直镜35、第一平面镜42、第二平面镜43、第一激光分束器8和第二激光分束器41组成；所述数据信号接收处理装置由数字信号接收器14和计算机16组成。红外热像仪40的输入端通过第四信号线12接到数字信号接收器14的输出端，数字信号接收器14的输入端通过第七信号线17与计算机16输出端相连，计算机16接收到红外热像仪40采集到的被测试件47表面温度场变化的数字信号。计算机16的输出端通过第九信号线20与数据采集卡19的输入端相连，数据采集卡19则用来输出实验需要的线性非线性激励信号，数据采集卡19的输出端通过第九信号线20与控制器21的输入端相连，控制器21则用来控制线性非线性调频激励的信号波形。控制器21的输出端通过第十信号线22与同步触发器23的输入端相连，同步触发器23则用来保证线性非线性调频激励信号能够同时触发，同时作用于碳纤维复合材料的表面。同步触发器23的第一个输出端通过第十一信号线24与第一功率放大器26输入端相连，输出线性调频激励信号，同步触发器23的第二个输出端通过第十二信号线25与第二功率放大器27的输入端相连，输出非线性调频激励信号。第一功率放大器26和第二功率放大器27的输出端通过第十三信号线28、第十四信号线29分别与第一激光驱动器30、第二激光驱动器31的输入端相连，第一激光驱动器30、第二激光驱动器31则用来驱动激光发射器发出激光。第一激光驱动器30、第二激光驱动器31的输出端分别通过第十五信号线32、第十六信号线33与第一准直镜34和第二准直镜35的输入端相连，第一准直镜34和第二准直镜35用来维持激光谐振腔和激光发射器之间的光束准直性。第一准直镜34和第二准直镜35的输出端通过第一光纤36和第二光纤37分别与第一激光发射器9和第二激光发射器38的输入端相连。第一激光发射器9和第二激光发射器38分别发出有线性调频激励信号的激光和非线性调频激励信号的激光，发出的激光激励通过第一激光分束器8和第二激光分束器41分成多束激光通过第一平面镜42、第二平面镜43的反射，改变光路，最终作用于被测试件47的表面。

所述冷凝装置由压缩机1、蒸发器50、冷凝器3、毛细管3-2、箱体45、制冷剂、温度传感器53、冷凝控制器6组成，其中：箱体45内设置有第一激光分束器8、第二激光分束器41、第一激光发射器9、第二激光发射器38、第一平面镜42、第二平面镜43、热像仪升降台39、红外热像仪40、蒸发器50、步进电机52、温度传感53器；所述蒸发器50内设置有制冷剂；压缩机1通过第一管道2与冷凝器3的一端相连；冷凝器3的另一端通过第二管道3-1与毛细管3-2的一端相连；毛细管3-2的另一端通过第三管道3-3与蒸发器50的一端相连；蒸发器50的另一端通过回流管51与压缩机1相连；回流管51上设置有温度传感器53；冷凝器3与冷凝控制器6的输出端相连；冷凝控制器6的输入端与计算机16的输出端相连。按照图2所示循环顺序，依次使用管道将主要器件连接成一个循环整体。

所述直线导轨及其组件由直线导轨49、步进电机52、电机驱动器7和PLC控制器11组成。被测试件47通过夹具46固定在直线导轨49上的试件平台48中心处，将直线导轨49的输入端与步进电机52的输出端相连，步进电机52的输入端通过第一信号线4与电机驱动器7的输出端相连，电机驱动器7的输入端通过第三信号线10与PLC控制器11的输出端相连，PLC控制器11的输入端通过第五信号线13与计算机16的输出端相连，在计算机16的输入***中输入步进电机52的控制程序，控制步进电机52的工作状态。当被测试件47的中心位置不在红外热像仪40的镜头中心时，步进电机52动作，直线导轨49将被测试件47从其他位置移动到红外热像仪40的镜头中心处；当被测试件47的中心位置处于红外热像仪40的镜头中心时，步进电机52不进行动作。

本实施方式中，如图3所示，所述热像仪升降台39包括移动导轨39-1、底座39-2、顶座39-3、第一支撑钉39-4、第二支撑钉39-5、弹簧39-6和螺母39-7，其中：移动导轨39-1上安装有底座39-2，底座39-2上设置有螺母39-7，顶座39-3上设置有第一支撑钉39-4和第二支撑钉39-5，底座39-2和顶座39-3之间连接有弹簧39-6。红外热像仪40通过第一支撑钉39-4和第二支撑钉39-5固定于热像仪升降台39的顶座39-3上，通过螺母39-7的旋转改变弹簧39-6的松紧度，从而调节底座39-2和顶座39-3的上下高度，改变热像仪升降台39的垂直高度，将红外热像仪40的镜头高度和被测试件47中心位置的高度保持相同。

本实施方式中，所述热激励***中选择第一激光发射器9和第二激光发射器38作为热激励源，选择线性和非线性调频信号混合激励作为激励方式，第一激光发射器9发射线性调频激励，第二激光发射器38发射非线性调频激励，同时对碳纤维复合材料试件进行混合激励；第一激光发射器9和第二激光发射器38发出的激光通过第一激光分束器8和第二激光分束器41，将一股激光分成多股激光，通过第一平面镜42、第二平面镜43的反射，改变激光的光路，最终激光激励作用于碳纤维复合材料的表面。

本实施方式中，使用数据采集卡19将输出实验需要的线性非线性激励信号并与计算机16进行实时通讯，输出混合调频激励信号；使用控制器20对数据采集卡19输出的线性调频信号和非线性调频的混合激励信号波形进行控制；使用同步触发器23保证线性调频激励和非线性调频激励信号能够同时触发，同时作用于第一激光发射器9、第二激光发射器38上发出激光激励；选择第一功率放大器26、第二功率放大器27同时放大线性调频激励和非线性调频激励的功率，达到实验需求的功率大小并输出，向第一激光发射器9、第二激光发射器38提供足够的输出功率；使用第一激光驱动器30、第二激光驱动器31同时驱动第一激光发射器9、第二激光发射器38工作，选择第一准直镜34、第二准直镜35以维持激光谐振腔和第一激光驱动器30、第二激光驱动器31之间的光束准直性。

本实施方式中，所述计算机用来处理红外热像仪40采集到的数据；对采集到的红外图像进行傅里叶变换、滤波处理、Canny、Log等边缘识别算法；通过使用分水岭算法、主成分分析等图像处理算法，去除图像的噪声干扰，提高图像的对比度和信噪比；设置采样频率、采样时间、输出功率，对红外热像仪40进行控制，触发红外热像仪40采集红外图像；设置线性调频激励频率变化范围和非线性调频激励的波形；同时设置激励源的使用功率，对热激励源进行控制。

本实施方式中，如图4所示，所述箱体45由隔热材料45-1、保温材料45-2和反光膜45-3组成，箱体45的最外层为隔热材料45-1，中间层为保温材料45-2，最内层为反光膜45-3。箱体45能够起到保温隔热的作用，能够提高制冷效果，将内部温度与外部隔绝，防止外部其他物体发射的红外线对实验结果的干扰和影响。使用温度传感器53来检测箱体45内温度的大小，通过隔热材料45-1和保温材料45-2能够保持箱体45的内温度在5°至15°之间，优选10°。

本实施方式中，所述压缩机1在工作时，能够压缩制冷剂，制冷剂在压缩机1中发生液化，放出热量；所述制冷剂在蒸发器50中发生蒸发，将吸收箱体45内空气的的热量，从而将制冷剂蒸发为低压气体，制冷剂发生气化并吸收大量箱体内部热量；所述冷凝器3的作用是将高压气体进行液化，同时向箱体45外部释放热量，将制冷剂冷凝成液体制冷剂；所述毛细管3-2能够降低制冷剂的压力，再次进入蒸发器50吸收箱体热量。通过如此的制冷循环，冷凝装置就源源不断将箱体45内部热量转移至箱体45外部，冷凝装置实现了箱体45的内部制冷，将箱体45内部温度降至室温以下，为实验提供低温环境。

本实施方式中，所述冷凝装置工作原理为：当箱体45内温度很高时，制冷剂在蒸发器50中蒸发，吸收箱体45内空气的的热量，从而蒸发为低压气体，当通过回流管51进入压缩机1中，气体被压缩机1压缩，变成高压气体，接着通过第一管道2进入冷凝器3中，高压气体在冷凝器3中液化，向空气中释放热量，制冷剂冷凝成液体，通过毛细管3-2的节流，降低压力，再次进入蒸发器50吸收箱体45热量。

本实施方式中，当实验结束后并且激光激励能量高会产生被测试件47局部温度过高的现象，导致冷却时间很长，因此需要冷凝器3及其组件工作对被测试件47施加冷却，需要将温度冷却至室温以下，能更好的检测到被测试件47从低温到室温再到高温的动态过程。

本实施方式中，使用计算机16向PLC输入对步进电机52的工作操作指令，进而通过PLC间接控制步进电机52运动方式，从而控制被测试件47与红外热像仪40的位置状态。

本实施方式中，所述PLC控制器需要在计算机16的输入***中输入PLC的控制程序，控制步进电机的工作状态。

本实施方式中，通过计算机16对冷凝控制器的控制，间接控制冷凝装置的工作状态以及冷却时间进行控制。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种线性和非线性调频混合激励红外热波检测碳纤维复合材料脱粘缺陷的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：将红外热像仪40通过第一支撑钉39-4和第二支撑钉39-5固定于热像仪升降台39上，通过旋转螺母39-7，改变弹簧39-6的松紧度，从而改变热像仪升降台39的垂直高度，将红外热像仪40的镜头高度和被测试件47中心位置的高度保持相同。

第二步：移动导轨39-1前后位置移动，保持红外热像仪40与被测试件47前后位置在30cm至50cm之间，优选40cm。

第三步：利用直线导轨49调节被测试件47左右位置，将被测试件47移动至红外热像仪40镜头正对面位置。

第四步：调节红外热像仪40焦距，在计算机16屏幕中显示清晰的红外图像。

第五步：调节第一平面镜42、第二平面镜43反射角度，15°至45°之间，优选30°，可保证激光激励经过其反射最终作用于被测试件47上。

第六步：依次将实验所需的实验器件摆放连接好，接通实验器件的电源并保证处于正常工作状态。

第七步：使用计算机16控制冷凝装置开始对箱体45内部温度进行冷却。

第八步：通过温度传感器53，对箱体45内部温度进行监测，将温度降至室温以下，保持箱体45内温度在5°至15°之间，优选10°。

第九步：在计算机16中输入线性调频激励信号和非线性调频激励信号。

第十步：计算机16触发红外热像仪40采集前2秒的图像序列。

第十一步：计算机16控制数据采集卡19、控制器21输出线性非线性调频混合激励信号，同步触发器23同时触发线性调频激励信号与非线性调频激励信号，同时发出线性调频和非线性调频混合激光激励。

第十二步：红外热像仪40采集在线性调频和非线性调频混合激光激励作用于被测试件47表面前的图像序列。

第十三步：将红外热像仪40采集到的图像数据通过数字信号接收器实时输出到计算机16内，对线性调频和非线性调频混合激励的被测试件47的图像序列进行去噪声以及数据处理。

第十四步：根据处理结果对被测试件47缺陷表面温度场发生的变化进行判断；以及对被测试件47脱粘缺陷直径、缺陷深度、缺陷边缘识别。

从图5以及图6中可以看出，当环境温度为10℃时，线性调频激励单独作用碳纤维复合材料的表面时，缺陷处的温度与无缺陷处的温度变化不明显，只有当线性调频和非线性调频混合激励作用下，缺陷处的温度与无缺陷处的温度变化十分明显，因此混合调频激励能够提高碳纤维复合材料脱粘缺陷的检测效果。图7为截取缺陷处的横向截线图，其中两侧的高温处为线性调频热激励，中间的凹陷处为碳纤维复合材料的脱粘缺陷，两边的温度突变处为缺陷边缘，因此本发明可以提高缺陷边缘的识别效果。图8中混合调频激励作用于不同的缺陷直径时，温差曲线变化明显，从而证明了混合激励方式能够检测出更小的缺陷。

Claims (10)

1.一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述装置包括红外图像采集装置、热激励***、数据信号接收处理装置、冷凝装置、直线导轨及其组件，其中：

所述红外图像采集装置由红外热像仪和热像仪升降台组成；

所述热激励***由第一激光发射器、第二激光发射器、数据采集卡、控制器、同步触发器、第一功率放大器、第二功率放大器、第一激光驱动器、第二激光驱动器、第一准直镜、第二准直镜、第一平面镜、第二平面镜、第一激光分束器和第二激光分束器组成；

所述数据信号接收处理装置由数字信号接收器和计算机组成；

所述冷凝装置由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管、箱体、制冷剂、温度传感器、冷凝控制器组成；

所述直线导轨及其组件由直线导轨、步进电机、电机驱动器和PLC控制器组成；

所述箱体内设置有第一激光分束器、第二激光分束器、第一激光发射器、第二激光发射器、第一平面镜、第二平面镜、热像仪升降台、红外热像仪、蒸发器、步进电机、温度传感器；

所述红外热像仪固定于热像仪升降台上，红外热像仪镜头正对于在被测试件的中心位置处；

所述红外热像仪的输入端与数字信号接收器的输出端相连；

所述数字信号接收器的输入端与计算机的输出端相连；

所述计算机的输出端与数据采集卡的输入端相连；

所述数据采集卡的输出端与控制器的输入端相连；

所述控制器的输出端与同步触发器的输入端相连；

所述同步触发器的第一个输出端与第一功率放大器的输入端相连；

所述同步触发器的第二个输出端与第二功率放大器的输入端相连；

所述第一功率放大器的输出端与第一激光驱动器的输入端相连；所述第二功率放大器的输出端与第二激光驱动器的输入端相连；

所述第一激光驱动器的输出端与第一准直镜的输入端相连；

所述第二激光驱动器的输出端与第二准直镜的输入端相连；

所述第一准直镜的输出端与第一激光发射器的输入端相连；

所述第二准直镜的输出端与第二激光发射器的输入端相连；

所述第一激光发射器发出有线性调频激励信号的激光，激光通过第一激光分束器分成多束激光通过第一平面镜的反射，改变光路，最终作用于被测试件的表面；

所述第二激光发射器发出有非线性调频激励信号的激光，发出的激光通过第二激光分束器分成多束激光通过第二平面镜的反射，改变光路，最终作用于被测试件的表面；

所述直线导轨的输入端与步进电机的输出端相连；

所述步进电机的输入端与电机驱动器的输出端相连；

所述电机驱动器的输入端与PLC控制器11的输出端相连；

所述PLC控制器的输入端与计算机的输出端相连；

所述蒸发器内设置有制冷剂；

所述压缩机与冷凝器的一端相连；

所述冷凝器的另一端与毛细管的一端相连；

所述毛细管的另一端与蒸发器的一端相连；

蒸发器的另一端通过回流管与压缩机相连；

所述回流管上设置有温度传感器；

所述冷凝器与冷凝控制器的输出端相连；

所述冷凝控制器的输入端与计算机的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述热像仪升降台包括移动导轨、底座、顶座、第一支撑钉、第二支撑钉、弹簧和螺母，其中：移动导轨上安装有底座，底座上设置有螺母，顶座上设置有第一支撑钉和第二支撑钉，底座和顶座之间连接有弹簧。

3.根据权利要求1所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述箱体由隔热材料、保温材料和反光膜组成，箱体的最外层为隔热材料，中间层为保温材料，最内层为反光膜。

4.根据权利要求1所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述第一平面镜和第二平面镜的反射角度在15°至45°之间。

5.根据权利要求4所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述第一平面镜和第二平面镜的反射角度为30°。

6.根据权利要求1所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述箱体内温度在5°至15°之间。

7.根据权利要求6所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置，其特征在于所述箱体内温度为10°。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置实现线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

S1：将红外热像仪固定于热像仪升降台上，调节红外热像仪与被测试件的前后距离，调节热像仪升降台垂直高度，使红外热像仪的镜头与被测试件缺陷中心位置在同一水平高度上；

S2：将被测试件固定于直线导轨的试件平台中心上，利用PLC控制器控制步进电机移动试件平台，将被测试件移动至红外热像仪镜头正对位置；

S3：调节红外热像仪焦距，在计算机屏幕中显示清晰的红外图像；

S4：调节平面镜的反射角度，激光激励经过平面镜的反射最终作用于被测试件表面缺陷处；

S5：依次将实验所需的实验器件摆放连接好，接通实验器件的电源并保证处于正常工作状态；

S6：使用计算机控制冷凝装置对箱体内温度冷却，降至室温以下：

S7：通过温度传感器对箱体内部温度进行实时监测，在计算机中输入线性调频激励信号和非线性调频激励信号；

S8：计算机触发红外热像仪采集加热前2秒的红外图像序列；

S9：在计算机的触发下，激光发射器输出线性非线性调频混合激励；

S10：同步触发器保证线性调频激励信号与非线性调频激励信号同时触发，同时发出线性调频和非线性调频混合激光激励；

S11：红外热像仪采集线性调频和非线性调频混合激光激励作用于被测试件表面后的图像序列；

S12：将红外热像仪采集到的图像数据输出到计算机内，在计算机中对采集到的图像序列进行数据处理；

S13：根据数据处理结果判断被测试件表面缺陷，以及对被测试件脱粘缺陷直径、缺陷深度、缺陷边缘识别。

9.根据权利要求8所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷的方法，其特征在于所述红外热像仪与被测试件前后位置在30cm至50cm之间。

10.根据权利要求8所述的线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷的方法，其特征在于所述红外热像仪与被测试件前后位置在40cm。