一種cfrp層板缺陷的紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統的製作方法
2023-06-27 07:33:56
一種cfrp層板缺陷的紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統的製作方法
【專利摘要】一種CFRP層板缺陷的紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統，所述方法為：調整雷射光源擴束整形裝置與被測樣件的空間位置，使雷射均勻照射到試樣表面，控制數據採集卡產生線性調頻脈衝信號，驅動雷射功率驅動器，使光纖雷射器的功率按照線性調頻脈衝信號規律變化；採集被測CFRP試樣表面的熱波雷達信號；對採集的表面熱波雷達信號進行處理，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，通對特徵信息圖像的處理與分析，提取樣件內部缺陷的特徵參數，實現對樣件內部缺陷及損傷的無損檢測。所述系統包括光纖雷射器、雷射功率驅動器、數據採集卡、雷射光源擴束整形裝置、焦平面紅外熱像儀及計算機。本發明實現了對CFRP層板缺陷的快速、準確檢測。
【專利說明】一種CFRP層板缺陷的紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用主動式紅外熱波檢測手段來實現CFRP層板缺陷無損檢測的方法與系統，尤其涉及了一種紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統。
【背景技術】
[0002]隨著材料科學與工業檢測技術的快速發展，無損檢測技術已成為保證產品質量的必要手段之一。碳纖維增強複合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic, CFRP)是近幾十年發展起來的一種新型材料，廣泛應用於航空航天、汽車、船舶工業等領域。碳纖維增強複合材料在成型與使用過程中容易產生多種缺陷與損傷，目前CFRP層板缺陷的常規無損檢測技術主要有射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)和電磁檢測(ET)。射線檢測(RT)不受材料和幾何形狀的限制，對氣孔、夾渣等體積型缺陷比較敏感，但射線檢測的設備投資較大，不易發現與射線垂直方向上的裂紋，安裝及安全方面有嚴格的要求，不適於現場原位檢測，檢測周期長，檢測成本較高。超聲波檢測(UT)對缺陷比較敏感，檢測速度快、定位方便，但對於小而薄的複雜零件難以檢測，需要耦合劑進行耦合，形狀複雜的結構難以進行檢測，檢測速度慢，周期長。電磁檢測(ET)只用於表面和近表面缺陷檢測，對於零件幾何形狀突變引起的邊緣效應敏感，容易給出虛假的顯示。這些方法各有所長，也各有其局限性。主動式紅外熱波無損檢測技術具有快速、非接觸、無須耦合、大面積及遠距離檢測等優點，能夠實現構件損傷或缺陷深度、各種塗層及夾層結構蒙皮厚度測量和內部材料與結構特性識另O，適用於檢測金屬與非金屬材料，不受任何材料特性的限制。紅外鎖相法熱波無損檢測技術是目前應用最廣泛的紅外熱波無損檢測技術之一，該技術能夠克服加熱不均、檢測速度慢等缺點，但採用該技術檢測CFRP內部不同深度的缺陷時，需要選擇合適調製頻率，否則將會出現內部缺陷的漏檢。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種紅外熱波雷達成像無損檢測方法與系統，採用線性調頻脈衝信號對加熱熱源進行調製，克服了鎖相法熱波檢測技術的缺陷，能夠實現對CFRP內部不同深度缺陷的準確可靠檢測。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種紅外熱波雷達成像無損檢測方法，包括以下步驟:
51、調整雷射光源擴束整形裝置與被測樣件的空間位置，使雷射均勻照射到試樣表面，利用BNC數據線將數據採集卡的模擬輸出通道埠與雷射功率驅動器的模擬調製信號輸入埠相連，由計算機控制數據採集卡產生線性調頻脈衝信號，驅動雷射功率驅動器，使光纖雷射器的功率按照線性調頻脈衝信號規律變化；
52、利用乙太網數據線將計算機與焦平面紅外熱像儀連接，利用BNC數據線連接數據採集卡脈衝信號輸出埠與焦平面紅外熱像儀的觸發信號輸入埠，打開雷射器，通過計算機對焦平面紅外熱像儀運行觸發控制，採集被測CFRP試樣表面的熱波雷達信號，記錄至少2?3個周期，為了完整地採集到熱波雷達信號的時頻域特徵信息，焦平面紅外熱像儀採樣頻率應設置為線性調頻信號最高頻率的5?10倍，將採集到的圖像數據存儲到計算機相應目錄下；
S3、對採集的表面熱波雷達信號進行處理，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，利用時頻域特徵信息建立表徵CFRP內部層板缺陷的特徵圖像，通對特徵信息圖像的處理與分析，提取樣件內部缺陷的特徵參數，實現對樣件內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
[0005]更具體地，以上所述的一種CFRP層板缺陷紅外熱波雷達成像無損檢測方法，所述的步驟SI中，雷射光源擴束裝置通過調整支架調整入射光線與樣件待檢區域表面外法線的夾角，其最大夾角應小於60°，光纖雷射器的調製方式可以設置為外部模擬調製方式或外部TTL調製方式。
[0006]更具體地，以上所述的一種CFRP層板缺陷紅外熱波雷達成像無損檢測方法，所述的步驟S2中，通過焦平面紅外熱像儀的觸發控制實現積分時間及採樣頻率的設置，焦平面紅外熱像儀的採集觸發模式可以設置為外部觸發或內部觸發，當設置為外部觸發模式時，焦平面紅外熱像儀的圖像採集動作將由觸發信號輸入埠的脈衝信號觸發，當設置為內部觸發模式時，焦平面紅外熱像儀的採樣幀頻將由焦平面紅外熱像儀的內部採樣時鐘控制。
[0007]更具體地，以上所述的一種CFRP層板缺陷紅外熱波雷達成像無損檢測方法，所述的步驟S3中，採用相關算法(時域信號處理分析的常用算法)、希爾伯特變換算法及傅立葉變換算法提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，利用時頻域特徵圖像，實現對樣件內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
[0008]一種紅外熱波雷達成像無損檢測系統，包括光纖雷射器、雷射功率驅動器、數據採集卡、雷射光源擴束整形裝置、焦平面紅外熱像儀及計算機，其中:
所述光纖雷射器與雷射功率驅動器用以為檢測提供穩定的熱源；
所述數據採集卡用以實現模擬信號的輸出與採集，具有可編程函數接口，能夠產生焦平面紅外熱像儀採集圖像所需的脈衝觸發信號；
所述雷射光源擴束整形裝置用以對光纖雷射器輸出的雷射光束進行準直、擴束及整形，本發明的雷射擴束整形裝置是根據熱播雷達成像檢測需要由準直鏡、工程漫射體、套管與轉接環依次組裝而成；
所述焦平面紅外熱像儀用以採集被測試樣的表面熱圖；
所述計算機通過控制數據採集卡信號的輸出與採集，控制焦平面紅外熱像儀採集被測試樣表面熱波雷達信號，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，並形成特徵圖像，確定缺陷的形狀、尺寸與位置等信息；
所述雷射光源擴束裝置與光纖雷射器連接，光纖雷射器與雷射功率驅動器相連，數據採集卡的模擬輸出通道埠與雷射功率驅動器的模擬調製信號輸入埠相連，數據採集卡脈衝信號輸出埠與焦平面紅外熱像儀的觸發信號輸入埠連接，計算機分別與數據採集卡和焦平面紅外熱像儀連接。
[0009]本發明中，採用焦平面紅外熱像儀像素320 X 256，熱靈敏度20mK，全幅最大採樣頻率為170Hz。
[0010]本發明中，採用半導體光纖雷射器作為激勵熱源，雷射波長808nm，最高功率50W，最高調製頻率為IOOkHz。
[0011]本發明中，採用數據採集卡產生模擬調製信號，最高採樣率為250 kS/s。
[0012]本發明中，採用準直鏡對雷射光束進行準直，準直後，光束直徑為7.5mm，採用工程漫射體對準直後的光束進行整形，整形後，光束髮散角為20°。
[0013]本發明中，採用焦平面紅外熱像儀完成熱波雷達信號的採集，採用相關算法、希爾伯特變換算法及傅立葉變換算法實現熱波雷達信號時頻域特徵的提取，並形成特徵圖像，在此基礎上通過對特徵圖像的處理與分析，實現樣件內部缺陷的無損檢測。
[0014]本發明通過對焦平面紅外熱像儀採集的紅外圖像序列進行處理，實現了紅外熱波雷達成像無損檢測，紅外熱波雷達成像無損檢測方法是一種利用數位訊號處理方法提取表面熱波雷達信號特徵信息並進行分析的方法，它結合了信息處理技術與計算機圖像處理技術的長處。針對CFRP內部層板缺陷，利用紅外熱波雷達成像無損檢測方法，可同時得到的樣件表面熱波雷達信號多個特徵信息，並進行缺陷的識別和探測，實現對CFRP內部層板缺陷的快速及準確的無損檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為紅外熱波雷達成像無損檢測系統示意圖；
圖2為雷射擴束裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但並不局限於此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍中。
[0017]如圖1所示，紅外熱波雷達成像無損檢測方法是利用計算機軟體處理紅外圖像序列實現樣件內部缺陷的無損檢測。圖中焦平面紅外熱像儀18與計算機14的乙太網接口連接，利用計算機14完成焦平面紅外熱像儀18的初始化及圖像顯示。雷射光源擴束整形裝置4將雷射照射到被測樣件I表面，數據採集卡11通過信號線13與雷射功率驅動器15相連，控制光纖雷射器6光強按照線性調頻規律變化。入射光照射到被測樣件I表面，產生線性調頻熱波2。記錄被測樣件I表面產生的表面熱波雷達信號，並提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息和形成特徵圖像，對特徵圖像進行處理與分析，提取被測樣件I內部缺陷特徵，實現對被測樣件I內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
[0018]本發明的具體實施包括三個部分:線性調頻規律調製的雷射光源激勵、焦平面紅外熱像儀採集圖像序列和熱波雷達信號處理與特徵圖像分析。
[0019]一、線性調頻規律調製的雷射光源激勵步驟
步驟1:按照圖2將工程漫射體19、套管20、準直鏡21與轉接環22依次組裝雷射光源擴束整形裝置4，通過光纖5 (SMA905)與光纖雷射器6連接，雷射光源擴束整形裝置4與焦平面紅外熱像儀18的鏡頭保持在同一平面內；
步驟2:調整雷射光源擴束整形裝置4的入射角度，保證入射光儘可能照射到被測樣件I的待檢區域內；
步驟3:數據採集卡11的模擬信號輸出端通過信號線13與雷射功率驅動器15的模擬調製信號輸入端相連，通過USB數據線12將數據採集卡11與計算機14相連；
步驟4:將光纖雷射器6通過第一電源線7與雷射功率驅動器15相連，將光纖雷射器6的半導體製冷器通過第二電源線8與雷射功率驅動器15相連，打開雷射功率驅動器15的電源開關10，將激雷射功率驅動器15設置為外部模擬調製模式，設置線性調頻脈衝信號參數，實現光纖雷射器6發出的光強按照線性調頻脈衝規律變化。
[0020]二、焦平面紅外熱像儀採集圖像序列步驟
步驟1:將焦平面紅外熱像儀18通過第一數據線16與計算機14上的乙太網接口連接，將焦平面紅外熱像儀18通過第二數據線17與數據採集卡11上的脈衝信號輸出埠連接；步驟2:通過計算機14與數據採集卡11完成焦平面紅外熱像儀18的初始化設置及實時圖像顯示，調節焦平面紅外熱像儀18的調焦鏡頭，保證被測樣件I的待檢測區域在計算機15的屏幕上清晰可見；
步驟3:打開雷射功率驅動器15的輸出開關9，使光纖雷射器6的入射光強按線性調頻脈衝規律激勵被測樣件I產生表面熱波雷達信號2 ；
步驟4:通過焦平面紅外熱像儀18的圖像採集對被測樣件I待檢區域表面產生的熱波雷達信號3進行記錄，記錄2?3個周期，為了完整地獲取到熱波雷達信號的時頻域特徵信息，焦平面紅外熱像儀18採樣頻率應設置為線性調頻信號最高頻率的5?10倍，將採集到的圖像數據存儲到計算機15相應目錄下。
[0021]三、熱波雷達信號處理與特徵圖像分析步驟
步驟1:採用相關算法、希爾伯特變換算法及傅立葉變換算法對採集的熱波雷達信號進行處理與分析，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，並形成特徵圖像；
步驟2:通過對特徵圖像進行圖像處理與分析，提取被測樣件I內部缺陷的特徵參數，實現對被測樣件I檢測區域內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
[0022]四、無損檢測實例
為了說明該方法的實際檢測效果，進行了 CFRP樣件的無損檢測實驗。
[0023]CFRP件的無損檢測實驗:製作CFRP模擬分層缺陷試樣,缺陷最大深度為2mm,最小直徑為4mm。雷射光源激勵參數:功率30W，線性調頻信號的初始頻率0.01Hz，終止頻率
0.1Hz，脈衝周期為IOOs ;焦平面紅外熱像儀的記錄參數:採樣頻率50Hz，採樣時間200s。
[0024]實際檢測結果為:CFRP樣件實際檢測的缺陷形狀可準確的識別，未出現缺陷漏檢現象，探測缺陷深度值與實際值相接近，最大誤差<8%。採用本發明的方法實現了對CFRP樣件內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
【權利要求】
1.一種紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟: 51、調整雷射光源擴束整形裝置與被測樣件的空間位置，使雷射均勻照射到試樣表面，利用BNC數據線將數據採集卡的模擬輸出通道埠與雷射功率驅動器的模擬調製信號輸入埠相連，由計算機控制數據採集卡產生線性調頻脈衝信號，驅動雷射功率驅動器，使光纖雷射器的功率按照線性調頻脈衝信號規律變化； 52、利用乙太網數據線將計算機與焦平面紅外熱像儀連接，利用BNC數據線連接數據採集卡脈衝信號輸出埠與焦平面紅外熱像儀的觸發信號輸入埠，打開雷射器，通過計算機對焦平面紅外熱像儀運行觸發控制，採集被測CFRP試樣表面的熱波雷達信號，記錄至少2~3個周期，將採集到的圖像數據存儲到計算機相應目錄下； 53、對採集的表面熱波雷達信號進行處理，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，利用時頻域特徵信息建立表徵CFRP內部層板缺陷的特徵圖像，通對特徵信息圖像的處理與分析，提取樣件內部缺陷的特徵參數，實現對樣件內部缺陷及損傷的快速、準確的無損檢測。
2.根據權 利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述雷射光源擴束整形裝置通過調整支架調整入射光線與樣件待檢區域表面外法線的夾角，其最大夾角應小於60。。
3.根據權利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述光纖雷射器的調製方式設置為外部模擬調製方式或外部TTL調製方式。
4.根據權利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述焦平面紅外熱像儀採樣頻率設置為線性調頻信號最高頻率的5~10倍。
5.根據權利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述焦平面紅外熱像儀的採集觸發模式設置為外部觸發或內部觸發。
6.根據權利要求1、4或5所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述焦平面紅外熱像儀的像素為320 X 256，熱靈敏度為20mK，全幅最大採樣頻率為170Hz。
7.根據權利要求1或3所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述光纖雷射器的雷射波長為808nm，最高功率為50W，最高調製頻率為IOOkHz。
8.根據權利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述數據採集卡最高採樣率為250 kS/s。
9.根據權利要求1所述的紅外熱波雷達成像無損檢測方法，其特徵在於所述雷射光源擴束整形裝置由準直鏡、工程漫射體、套管與轉接環依次組裝而成；採用準直鏡對雷射光束進行準直，準直後，光束直徑為7.5mm，採用工程漫射體對準直後的光束進行整形，整形後，光束髮散角為20°。
10.一種紅外熱波雷達成像無損檢測系統，其特徵在於所述系統包括光纖雷射器、雷射功率驅動器、數據採集卡、雷射光源擴束整形裝置、焦平面紅外熱像儀及計算機，其中: 所述光纖雷射器與雷射功率驅動器用以為檢測提供穩定的熱源； 所述數據採集卡用以實現模擬信號的輸出與採集，具有可編程函數接口，能夠產生焦平面紅外熱像儀採集圖像所需的脈衝觸發信號； 所述雷射光源擴束整形裝置用以對光纖雷射器輸出的雷射光束進行準直、擴束及整形； 所述焦平面紅外熱像儀用以採集被測試樣的表面熱圖；所述計算機通過控制數據採集卡信號的輸出與採集，控制焦平面紅外熱像儀採集被測試樣表面熱波雷達信號，提取熱波雷達信號的時頻域特徵信息，並形成特徵圖像，確定缺陷信息。
【文檔編號】G01N25/72GK103926274SQ201410162717
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】劉俊巖, 龔金龍, 王揚, 秦雷, 宋鵬 申請人:哈爾濱工業大學