CN112098462B - 一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法 - Google Patents

一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法，它包括：上位机(1)，上位机(1)与函数发生器(2)连接；函数发生器(2)与功率放大器(3)连接；功率放大器(3)与卤素灯(5)连接；函数发生器(2)与热成像仪(4)连接；通过改变锁相频率反复测量并对比标准试块与实际物体的幅值图像以及相位图像的方法将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来以此检测电力设备漆层厚度；解决了在实际检测过程中由于设备表面所涂敷漆层的风化导致的热物性变化亦会对检测结果产生影响，因此在检测结果图像中，其会与漆层厚度变化产生的影响叠加混合，从而给漆层厚度的检测带来困难等技术问题。

Description

一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于无损检测领域检测技术领域，尤其涉及一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法。
背景技术
对于以钢材等易受腐蚀的金属材料为主体的设备和结构件，例如电力设备、桥梁、通讯塔等，其由于长期暴露在外界环境下，因此极易受到大气内水汽等因素的腐蚀而降低结构强度，缩短使用年限，在增加维修成本的同时带来极大的安全隐患。因此，为防止设备中金属部件受到腐蚀而损坏并延长设备的运转寿命，通常会在设备金属部件的表面涂敷一层保护漆层，以此增强设备的绝缘、耐腐蚀等性能。
对于不同应用场景下比如电力设备表面漆层、桥梁金属骨架表面漆层等，其对于所涂敷漆层的材料、厚度的要求不尽相同。抛开漆层材质不谈，根据设备所处环境以及防腐蚀要求的不同，设备金属部件表面所涂敷漆层需要达到不同的厚度范围。所涂敷漆层需要足够厚才能更加有效的阻止大气内水分向内侵蚀，防护漆层下设备金属构件不被腐蚀；同时所涂敷漆层亦不能过厚，否则将会导致材料内部的应力过大，漆层与底部金属材料之间的结合强度偏低，使得漆层容易脱落，或产生龟裂。同时，由于设备长时间暴露在外界环境下，长时间的侵蚀会导致保护漆层本身受到不同程度的损耗，使得漆层厚度不断变薄且不均匀。因此，在设备生产以及服役期间，针对设备表面漆层厚度的检测成为评价表面漆层质量以及保证设备长时间正常运作的重要环节。
在电力***中，针对电力设备表面漆层厚度的检测通常是定期进行的，以保证设备不会出现严重的腐蚀现象。目前，常用的检测手段多为涡流检测和超声检测方法，但其检测效率较低，或限制条件大。而红外热成像无损检测技术是一种较为新颖的无损检测技术，其具有快速、非接触、可视化、检测面积大等优点。其中，锁相法热成像无损检测技术是目前应用较为广泛的一种，该技术能够克服脉冲法加热不均等缺点。对于以钢材等易受腐蚀的金属材料为主体的设备和结构件，例如电力设备、桥梁、通讯塔等，其由于长期暴露在外界环境下，因此极易受到大气内水汽等因素的腐蚀而降低结构强度，缩短使用年限，在增加维修成本的同时带来极大的安全隐患。因此，为防止设备中金属部件受到腐蚀而损坏并延长设备的运转寿命，通常会在设备金属部件的表面涂敷一层保护漆层，以此增强设备的绝缘、耐腐蚀等性能。
对于不同应用场景下比如电力设备表面漆层、桥梁金属骨架表面漆层等，其对于所涂敷漆层的材料、厚度的要求不尽相同。抛开漆层材质不谈，根据设备所处环境以及防腐蚀要求的不同，设备金属部件表面所涂敷漆层需要达到不同的厚度范围。所涂敷漆层需要足够厚才能更加有效的阻止大气内水分向内侵蚀，防护漆层下设备金属构件不被腐蚀；同时所涂敷漆层亦不能过厚，否则将会导致材料内部的应力过大，漆层与底部金属材料之间的结合强度偏低，使得漆层容易脱落，或产生龟裂。同时，由于设备长时间暴露在外界环境下，长时间的侵蚀会导致保护漆层本身受到不同程度的损耗，使得漆层厚度不断变薄且不均匀。因此，在设备生产以及服役期间，针对设备表面漆层厚度的检测成为评价表面漆层质量以及保证设备长时间正常运作的重要环节。
在电力***中，针对电力设备表面漆层厚度的检测通常是定期进行的，以保证设备不会出现严重的腐蚀现象。目前，常用的检测手段多为涡流检测和超声检测方法，但其检测效率较低，或限制条件大。而红外热成像无损检测技术是一种较为新颖的无损检测技术，其具有快速、非接触、可视化、检测面积大等优点。其中，锁相法热成像无损检测技术是目前应用较为广泛的一种，该技术能够克服脉冲法加热不均等缺点，可给出表征材料内部不同深度缺陷的三维层析图像。同时，通过算法计算得出的幅值图像与相位图像可从多个角度判断物体内部缺陷信息，提升检测能力及可靠度。
由于大气环境的不断变换，烈日、暴雨等恶劣天气的存在会使得表面漆层不断风化，从而改变材料特性以至于降低致密度而丧失阻挡大气中水汽的作用。而由于材料特性的改变会使热物性产生变化，从而影响到膜厚测量结果。因此，需要一种方法能够使得检测结果中膜厚变化的影响与材料热物性变化影响分离开来，提高膜厚检测的精度。
利用锁相法热成像无损检测技术检测设备漆层厚度，由于热成像探测物体表面温度是通过采用热像仪接收热辐射来反应物体温度相对大小，而非绝对的温度测量。因此，所测量得到的信号会受到环境、硬件电路等因素的影响而产生漂移。因此，在实际检测过程中，为精确测量漆层厚度，需要保证多次检测下环境等因素的一致性，解决多次测量情况下的温漂等问题。
此外，在实际检测过程中由于设备表面所涂敷漆层的风化导致的热物性变化亦会对检测结果产生影响，因此在检测结果图像中，其会与漆层厚度变化产生的影响叠加混合，从而给漆层厚度的检测带来困难。因此，如何将两种因素带来的影响相互分离，使之能够独立判断成为了需解决的关键问题。现有技术中为了将漆层厚度变化影响与漆层风化的影响相互分离解耦，需要针对设备表面漆层风化程度进行精确定标。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种漆层厚度红外热成像检测装置及检测方法，以解决在实际检测过程中由于设备表面所涂敷漆层的风化导致的热物性变化亦会对检测结果产生影响，因此在检测结果图像中，其会与漆层厚度变化产生的影响叠加混合，从而给漆层厚度的检测带来困难等技术问题。
本发明技术方案：
一种漆层厚度红外热成像检测装置，它包括：上位机，上位机与函数发生器连接；函数发生器与功率放大器连接；功率放大器与卤素灯连接；函数发生器与热成像仪连接。
它还包括固定罩，所述热成像仪和卤素灯固定在固定罩顶端。
固定罩两侧固定有把手部件。
旋转置物台固定在固定罩的中部位置。
通过改变锁相频率反复测量并对比标准试块与实际物体的幅值图像以及相位图像的方法将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来以此检测电力设备漆层厚度。
所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，它具体包括：
步骤1、将旋转置物台旋转至最左方位置，使***激励及采集的目标为实际物体；
步骤2、通过上位机控制函数发生器生成一定频率波形，激励并采集样品表面温度分布；
步骤3、通过上位机控制函数发生器生成一定频率波形，使得调制热波可以传播到达漆层与底部金属的交界面，锁相激励并采集样品表面温度分布；
步骤4、通过上位机获取上述步骤2和3中热像仪所得图像数据，并通过四点相关和傅里叶变换相关相位提取算法取得幅值图像A以及相位图像Φ；根据步骤2和3的幅值图像和相位图像判断实际物体是否发生风化现象。
步骤5、将旋转置物台旋转至最下方位置，使***的检测目标为标准漆层试块，并重复进行上述步骤2、3和4；标准试块可表示设备表面漆层厚度及风化程度的变化，并起到定标的作用；假定标准试块漆层的厚度变化级数为N，风化程度变化级数为M，检测后通过算法处理可得到N幅幅值图像
Figure BDA0002734041240000041
和相位图像
Figure BDA0002734041240000042
步骤6、针对上述步骤4中出现的漆层无风化现象，即幅值图像A′结果中各区域灰度值大小无差异，提取该位置在相位图像Φ″中的相位差
Figure BDA0002734041240000043
与步骤5中各不同深度位置相位图像
Figure BDA0002734041240000044
作对比，并提取其中相位差与
Figure BDA0002734041240000045
相同的图像，假定其序号为i；区域
Figure BDA0002734041240000046
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度；
步骤7、针对步骤4中出现的漆层某区域有风化现象，即幅值图像A′结果中某区域X灰度值大小与其他区域存在差异，对比标准试块不同风化程度的结果图
Figure BDA0002734041240000047
找到标准试块中与步骤2中区域X的信号数值大小相同的区域j；再次执行步骤6，在
Figure BDA0002734041240000048
中找到相位差与
Figure BDA0002734041240000049
相同的图像，假定其序号为i；区域
Figure BDA00027340412400000410
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度；最终可得到整幅表面漆层厚度变化的检测结果图。
所述根据步骤2和3的幅值图像和相位图像判断实际物体是否发生风化现象的方法为：假定步骤2、3所得结果分别为A′,A″；Φ′,Φ″；观察步骤2检测结果中的幅值图像A′，若结果中各区域灰度值大小无差异，则说明漆层无风化现象；若图像中某区域X的信号数值大小与其他区域存在差异则说明该区域漆层存在风化现象。
所述标准漆层试块为一块漆层以及风化程度梯度变化的平板，材料与实际检测设备所使用材料相同；从左至右，试块表面漆层厚度呈梯度变化且每层内漆层的厚度均匀，变化范围为所检测设备实际漆层厚度的变化范围；从上至下，漆层风化程度从未风化开始逐渐增加。
本发明的有益效果：
本发明通过所设计锁相法红外热成像检测***实现了***检测目标在实际物体与标准试块间的快速切换，保证了多次检测间环境等条件的一致性。
本发明通过所述锁相法热成像检测设备表面漆层厚度方法，将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来。通过上述方法区分开后，可分别得到一幅漆层厚度变化图像以及一幅不包含漆层厚度变化的漆层风化缺陷图像，极大降低了检测结果中漆层厚度的误判率。
解决了在实际检测过程中由于设备表面所涂敷漆层的风化导致的热物性变化亦会对检测结果产生影响，因此在检测结果图像中，其会与漆层厚度变化产生的影响叠加混合，从而给漆层厚度的检测带来困难等技术问题。
附图说明：
图1为本发明装置结构示意图；
图2为标准漆层试块示意图。
具体实施方式
一种漆层厚度红外热成像检测装置，它包括：上位机1，上位机(1)与函数发生器2连接；函数发生器2与功率放大器3连接；功率放大器3与卤素灯(5)连接；函数发生器2与热成像仪4连接。
它还包括固定罩6，所述热成像仪4和卤素灯5固定在固定罩6顶端。
上位机1控制函数发生器2输出特定频率的调制信号，通过功率放大器3后输入卤素灯，使卤素灯5强度按照设定的频率规律变化，实现调制激励。同时，上位机1通过函数发生器2与热像仪4连接，通过上述调制信号控制热像仪4进行图像数据的采集。固定罩6将热像仪4，卤素灯5固定在罩子顶部结构件上，同时固定罩6两边安装有把手部件。在对大型设备进行在役检测时，由于设备通常不可移动，因此通过把手可移动整个固定罩及激励与检测装置实现对设备的检测，具有很高的灵活性。旋转置物台7固定在固定罩6的中部位置，置物台上可固定放置标准试块并可通过上位机1控制旋转置物台7内舵机转动实现检测目标在实际物体和标准试块之间的快速、灵活切换。在对实际物体的漆层厚度检测实验中，可通过对比实际物体和标准厚度试块的检测结果对实际物体的漆层厚度进行定量检测。在实际检测过程中，通过转台7实现的实际物体和标准试块的快速切换，无需移动检测头，多次检测间的时间间隔也极大的缩短，可极大的保证多次检测时间内环境、电路等条件的一致性，降低了多次检测所得红外图像信号值大小的差异。
所述检测方法可通过改变锁相频率多次测量并对比标准试块与实际物体的幅值图像以及相位图像的方法将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来，以此检测电力设备漆层厚度。具体包括如下步骤：
步骤⑴，将旋转置物台7旋转至最左方位置，使***激励及采集的目标为实际物体。
步骤⑵，通过上位机1控制函数发生器2生成较高频率的波形，激励并采集样品表面温度分布。并执行步骤⑶和步骤⑷。
由于锁相频率较高，使得调制热波只能传播至漆层下较浅的位置，而传不到表面漆层与内部金属部件的分界面。因此，可以消除漆层厚度变化对于检测结果的影响而只关注于漆层由于风化导致的热物性变化产生的影响。
步骤⑶，通过上位机1控制函数发生器2生成合适频率的波形，使得调制热波可以传播到达漆层与底部金属的交界面，锁相激励并采集样品表面温度分布。
步骤⑷，通过上位机1获取上述步骤中热像仪4所得图像数据，并通过四点相关、傅里叶变换等相关相位提取算法取得幅值图像A以及相位图像Φ。其中，假定步骤⑵、⑶所得结果分别为A′,A″；Φ′,Φ″。
观察步骤⑵检测结果中的幅值图像A′，若结果中各区域灰度值大小无明显差异，则说明漆层无风化现象。若图像中某区域X的信号数值大小与其他区域存在明显差异，则说明该区域漆层存在风化现象。
步骤⑸，将旋转置物台旋转至最下方位置，使***的检测目标为标准漆层试块，并重复进行上述步骤⑵、⑶和⑷。
其中，如图2所示，标准漆层试块为一块漆层以及风化程度梯度变化的平板，其材料与实际检测设备所使用材料相同。从左至右，试块表面漆层厚度呈梯度变化且每层内漆层的厚度均匀，其变化范围为所检测设备实际漆层厚度的变化范围；从上至下，漆层风化程度从未风化开始逐渐增加。因此，该标准试块可表示设备表面漆层厚度及风化程度的变化，并起到定标的作用。假定标准试块漆层的厚度变化级数为N，风化程度变化级数为M，检测后通过算法处理可得到N幅幅值图像
Figure BDA0002734041240000061
和相位图像
Figure BDA0002734041240000062
步骤⑹，针对上述步骤⑷中出现的漆层无风化现象，即幅值图像A′结果中各区域灰度值大小无明显差异。提取该位置在相位图像,Φ″中的相位差
Figure BDA0002734041240000063
与步骤⑸中各不同深度位置相位图像
Figure BDA0002734041240000064
作对比，并提取其中相位差与
Figure BDA0002734041240000065
相同的图像，假定其序号为i。因此，区域
Figure BDA0002734041240000066
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度。
针对上述步骤⑷中出现的漆层某区域有风化现象，即幅值图像A′结果中某区域X灰度值大小与其他区域存在明显差异。则执行步骤⑺。
步骤⑺，对比标准试块不同风化程度的结果图
Figure BDA0002734041240000067
找到标准试块中与步骤⑵中区域X的信号数值大小相同的区域j。再次执行步骤⑹，在
Figure BDA0002734041240000068
中找到相位差与
Figure BDA0002734041240000069
相同的图像，假定其序号为i。因此，区域
Figure BDA00027340412400000610
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度。重复上述操作，最终可得到整幅表面漆层厚度变化的检测结果图。
通过上述七个步骤，即可将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响分解开来，以此可准确判断出电力设备漆层的厚度。
本发明通过改变锁相频率多次测量并对比标准试块与实际物体的幅值图像以及相位图像的方法将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来，以此检测电力设备表面漆层厚度。

Claims (7)

1.一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：所述装置包括：上位机(1)，上位机(1)与函数发生器(2)连接；函数发生器(2)与功率放大器(3)连接；功率放大器(3)与卤素灯(5)连接；函数发生器(2)与热成像仪(4)连接；所述检测方法为：通过改变锁相频率反复测量并对比标准试块与实际物体的幅值图像以及相位图像的方法将检测结果图中漆层厚度变化的影响与漆层风化的影响相互区分开来以此检测电力设备漆层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：它还包括固定罩(6)，所述热成像仪(4)和卤素灯(5)固定在固定罩(6)顶端。
3.根据权利要求2所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：固定罩(6)两侧固定有把手部件。
4.根据权利要求2所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：旋转置物台(7)固定在固定罩的中部位置。
5.根据权利要求1所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：它具体包括：
步骤1、将旋转置物台旋转至最左方位置，使***激励及采集的目标为实际物体；
步骤2、通过上位机控制函数发生器生成一定频率波形，激励并采集样品表面温度分布；
步骤3、通过上位机控制函数发生器生成一定频率波形，使得调制热波可以传播到达漆层与底部金属的交界面，锁相激励并采集样品表面温度分布；
步骤4、通过上位机获取上述步骤2和3中热像仪所得图像数据，并通过四点相关和傅里叶变换相关相位提取算法取得幅值图像A以及相位图像Φ；根据步骤2和3的幅值图像和相位图像判断实际物体是否发生风化现象；
步骤5、将旋转置物台旋转至最下方位置，使***的检测目标为标准漆层试块，并重复进行上述步骤2、3和4；标准试块可表示设备表面漆层厚度及风化程度的变化，并起到定标的作用；假定标准试块漆层的厚度变化级数为N，风化程度变化级数为M，检测后通过算法处理可得到N幅幅值图像
Figure FDA0003661934040000021
和相位图像
Figure FDA0003661934040000022
步骤6、针对上述步骤4中出现的漆层无风化现象，即幅值图像A′结果中各区域灰度值大小无差异，提取该位置在相位图像Φ″中的相位差
Figure FDA0003661934040000023
与步骤5中各不同深度位置相位图像
Figure FDA0003661934040000024
作对比，并提取其中相位差与
Figure FDA0003661934040000025
相同的图像，假定其序号为i；区域
Figure FDA0003661934040000026
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度；
步骤7、针对步骤4中出现的漆层某区域有风化现象，即幅值图像A′结果中某区域X灰度值大小与其他区域存在差异，对比标准试块不同风化程度的结果图
Figure FDA0003661934040000027
找到标准试块中与步骤2中区域X的信号数值大小相同的区域j；再次执行步骤6，在
Figure FDA0003661934040000028
中找到相位差与
Figure FDA0003661934040000029
相同的图像，假定其序号为i；区域
Figure FDA00036619340400000210
表示的漆层厚度d与实际物体中缺陷区域X的漆层厚度相同，即得到了该区域的漆层厚度；最终可得到整幅表面漆层厚度变化的检测结果图。
6.根据权利要求5所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：所述根据步骤2和3的幅值图像和相位图像判断实际物体是否发生风化现象的方法为：假定步骤2、3所得结果分别为A′,A″；Φ′,Φ″；观察步骤2检测结果中的幅值图像A′，若结果中各区域灰度值大小无差异，则说明漆层无风化现象；若图像中某区域X的信号数值大小与其他区域存在差异则说明该区域漆层存在风化现象。
7.根据权利要求5所述的一种漆层厚度红外热成像检测装置的检测方法，其特征在于：所述标准漆层试块为一块漆层以及风化程度梯度变化的平板，材料与实际检测设备所使用材料相同；从左至右，试块表面漆层厚度呈梯度变化且每层内漆层的厚度均匀，变化范围为所检测设备实际漆层厚度的变化范围；从上至下，漆层风化程度从未风化开始逐渐增加。
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