雷射同步掃描成像微量氣體檢測方法及系統的製作方法

2023-04-24 02:02:31

雷射同步掃描成像微量氣體檢測方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種紅外熱波成像無損檢測方法，採用高功率雷射束，經光束偏轉裝置對樣品的表面進行快速掃描，同時設置熱像儀的圖像採集子窗口，使之動態地跟蹤雷射束的移動。通過熱像儀採集的一系列熱波圖像，每幀圖像中各像素的熱波信號與熱激勵之間具有不同的延遲。經過延遲量修正和數值處理的熱波圖像，可以用於對樣品的內部缺陷進行分析。
【專利說明】雷射同步掃描成像微量氣體檢測方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微量氣體洩漏成像檢測技術，採用微量氣體吸收譜附近的雷射束對被測區域進行掃描，並採用攝像儀進行成像，雷射的掃描頻率與攝像儀同步。本發明可用於對氣體洩漏進行快速定位，屬於雷射成像檢測的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]雷射成像氣體洩漏檢測技術為許多工業領域在線檢測提供了有利的工具，例如在電力系統採用的六氟化硫雷射成像是一種非接觸式的檢漏技術，可在無需停電的情況下，以成像的方式有效發現六氟化硫電氣設備洩露點，並能精確定位。該技術能有效減少設備停電時間，降低維護成本，提高變電設備可靠性，保護人員安全，減少大氣汙染，具有明顯的經濟和社會效益。同樣在其它行業，如石油化工、電子產品製造等領域對有毒有害氣體洩漏的檢測也得到廣泛的應用。
[0003]目前市場上已有多種款式的雷射成像氣體洩漏檢測設備，大部分的系統工作原理如圖2所示。雷射束26經過擴束裝置21後後投射到檢測區域31上，一部分被背景散射的光被雷射攝像儀24接收。在沒有洩漏氣體的情況下，所產生的背景面圖像與使用普通可見光攝像機35所拍攝的由環境光產生的圖像基本相同。當有洩漏氣體27出現在雷射攝像儀的檢測區域31中時，返回到雷射攝像儀24的雷射強度由於氣體煙霧的吸收將會減弱，並在背景32上形成陰影28，從視頻上看洩漏氣體出現的區域將產生或明或暗的煙霧繚繞狀變化。氣體濃度越濃，吸收就越強，對比度也會越大。在這種方式下，非可視氣體將可在視頻中呈見，氣體漂移方向和洩漏點都可以根據雷射攝像儀24的圖像確定。檢測時氣體並不需要與背景接觸，只要處在背景和雷射攝像儀之間即可。
[0004]然而目前市場上基於已有技術的產品有很多缺陷，最主要是檢測靈敏度不夠高，這主要是受限於雷射器的功率，考慮到便攜和設備成本，雷射器通常不能選用體積和重量太大的，因此輸出功率有限，經過擴束後光功率密度降到很低。同時雷射經過擴束，由於光束質量及光學器件的誤差、加上雷射的相干性等問題，造成擴束後的光斑不均勻，影響到圖像的質量和穩定性，往往造成局部圖像無法進行檢測，也極大地影響了檢測靈敏度。

【發明內容】

[0005]本發明的目的就是針對上述現有雷射成像氣體洩漏檢測設備的不足，提供一種高靈敏度的氣體洩漏檢測技術。該技術採用一字形線狀雷射束進行掃描，幀掃描頻率和雷射攝像儀的幀掃描頻率相同步，並且由背景反射的雷射束在雷射攝像儀的探測晶片上的投影正好落在處於積分狀態的像素行上。由於雷射束的投影一直跟隨著處於積分狀態的像素行移動，雷射能量得到充分的利用。因此對雷射器功率的需求大幅降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發明系統示意圖。[0007]圖2為一種現有技術系統示意圖。
[0008]圖3為本發明系統的技術原理圖。
[0009]圖4為另一種本發明系統實施示意圖。
[0010]圖5為本發明系統一種掃描方式不意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0012]圖1所不的是本發明一種實施例，系統包括:雷射器20、光束整形裝置21、光束偏轉裝置22、雷射攝像儀24、信號採集處理單元25、掃描控制單元23等。雷射器20輸出的雷射束26的波長處於被探測氣體27的吸收峰附近，例如對六氟化硫氣體，吸收峰值在10.6微米附近，可以採用二氧化碳氣體雷射器；在掃描控制單元23的驅動下，光束偏轉裝置22偏轉雷射束26進行掃描，當掃描光束遇到被探測氣體27時會被部分吸收,使得局部的光強發生變化，當投影在背景物體32上時將產生陰影28。雷射攝像儀24對雷射束26的波長敏感，因此可以看到背景物體32上的雷射束26掃描的探測區域31及被探測氣體27吸收所產生的陰影28。雷射攝像儀24所採集的圖像送到信號採集處理單元25，經過處理後顯示，以增強檢測氣體洩漏的能力。
[0013]圖3所示的是背景物體32上的雷射光斑30在雷射攝像儀24的探測晶片40上光學成像的示意圖。在掃描控制單元23的精確控制下，光束偏轉裝置22的掃描與雷射攝像儀24的探測晶片40的幀掃描同步。由被探測氣體27及背景物體反射回來的部分雷射束26經透鏡43成像，在探測晶片40上的影像42重合在當前正處於積分狀態的像素行上，並隨著該像素行一起移動。
[0014]在現有技術中，雷射束經擴束布滿整個探測區域31。但大部分常用熱像儀的探測晶片在每個時刻只有一行像素元處於探測信號的積分狀態，即在探測區域31上，只有一條相應於該積分狀態像素行的細線區域的雷射能量可以對信號產生貢獻，其餘大部分的能量被浪費掉。而本發明技術通過同步掃描，始終保持雷射束26在探測晶片40上的投影42重合在處於積分狀態的像素行上，雷射能量得到充分的利用。在提高設備檢測靈敏度的同時，大幅降低了對雷射器功率的需求，有利於降低設備成本、減輕重量、並消除因強雷射反射造成探測晶片損傷的情況。
[0015]圖4所示的是上述實施例的改進，增加了可見光攝像機，用於採集環境光產生的圖像，用來對比雷射攝像儀24採集的圖像。因為通常被檢測氣體的吸收峰多在紅外區域，而紅外圖像和可見光圖像差別很大，增加可見光圖像有利於判別洩漏點的位置。
[0016]圖4所示系統還加入了一個濾光片35，使得雷射束26的波長可以通過，但阻隔掉其它波長，以減少環境中過強的背景光信號對圖像的影響。
[0017]以上實施例的雷射束26為一字形寬光斑30,光束偏轉裝置22實行一維掃描。這種方法在結構和掃描控制方面最簡單。如圖5所示，系統也可以採用點狀光斑42，光束偏轉裝置22實行二維掃描。這樣掃描的優點是圖像中雷射強度分布均勻，但同時機械結構變得較複雜，體積大一些。另外為了保持與攝像儀24同步，需要解決高速掃描的問題，例如採用多反射面轉鏡進行行掃描。
【權利要求】
1.一種雷射同步掃描成像檢測系統，包括: 雷射器(20)，所述雷射器(20)輸出的雷射束(26)的波長處於被探測氣體(27)的吸收峰附近； 光束偏轉裝置(22 )，所述光束偏轉裝置(22 )用於偏轉所述雷射束(26 ); 雷射攝像儀(24)，所述雷射攝像儀(24)用於檢測從被探測氣體(27)及背景物體反射回來的部分所述雷射束(26)的能量； 信號採集處理單元(25)，所述信號採集處理單元(25)用於對所述雷射攝像儀(24)採集的圖像進行處理； 掃描控制單元(23)，所述掃描控制單元(23)用於控制所述光束偏轉裝置(22)，其特徵為，所述光束偏轉裝置(22)與所述雷射攝像儀(24)的幀掃描同步。
2.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，由被探測氣體(27)及背景物體反射回來的部分所述雷射束(26)的能量在所述雷射攝像儀(24)的探測晶片(40)上形成的影像(42)始終重合在當前正處於信號檢測狀態的像素行上。
3.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，所述系統進一步包括光束整形裝置(21)，所述光束整形裝置(21)用於調整雷射束(26)的形狀。
4.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，所述光束整形裝置(21)調節雷射束(26)形成一字形線光束，所述光束偏轉裝置(22)實行一維掃描。
5.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，所述光束整形裝置(21)調節雷射束(26)形成點狀光束，所述光束偏轉裝置(22)實行二維掃描。
6.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，所述系統進一步包括可見光攝像機(36)，所述可見光攝像機(36)用於採集可見光圖像並用來和雷射攝像儀(24)的圖像進行對比。
7.根據權利要求1所述的雷射同步掃描成像檢測系統，其特徵為，所述系統進一步包括濾光片(35 )，用於阻擋所述雷射器(20 )以外的波長進入雷射攝像儀(24 )。
【文檔編號】G01M3/04GK103439060SQ201310379519
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】陳力 申請人:南京諾威爾光電系統有限公司