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原文传递减背景差动式激光红外热成像无损检测系统及方法

专利名称：	减背景差动式激光红外热成像无损检测系统及方法
摘要：	提供一种减背景差动式激光红外热成像无损检测系统，包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)；激光器(2)；1∶1规格激光分束镜(3)；一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)；红外热像仪(6)和图像采集与处理模块(7)。通过调整光路，解决现有技术系统难以调节两束子激光能量达到一致的问题。通过对现有差动式激光红外热成像无损检测方法进行改进，通过消除环境噪声来提高对缺陷的检测效率和检测精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	中国人民解放军空军工程大学
发明人：	王强;胡秋平;裴翠祥;邱金星;李欣屹;周洪斌
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910297121.X
公开号：	CN110057868A
分类号：	G01N25/72(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	710051 陕西省西安市长乐东路甲字1号空军工程大学
主权项：	1.减背景差动式激光红外热成像无损检测系统，其特征在于，包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)；高性能高功率激光器(2)，以下简称“激光器(2)”；1∶1规格激光分束镜(3)；一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)；红外热像仪(6)；和图像采集与处理模块(7)；其中激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器(2)中，并设置红外热像仪(6)的采集参数；激光器(2)发出的调制激光束(8)与激光分束镜(3)成45°夹角放置；调制激光束(8)被激光分束镜(3)分成两束完全相同的子激光束，分别为反射子激光(9)和透射子激光(10)；反射子激光(9)的传播路径上放置第一扩束透镜(4)；透射子激光(10)的传播路径上放置第二扩束透镜(5)；两束子激光分别到达两个扩束透镜时所经历的路程相同；反射子激光(9)和透射子激光(10)分别经过第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)后，被扩束的两束子激光分别正对照射在两个检测试件上，第一扩束透镜(4)到完好试件(11)与第二扩束透镜(5)到缺陷试件(12)的距离相同，以保证两处加热面积相同；两块试件为错开地相互垂直放置；红外热像仪(6)与激光分束镜(3)均放置在两块试件夹角的角平分线上，红外热像仪(6)面对两块试件的被测面，记录试件表面温度变化并传输至图像采集与处理模块(7)。 2.如权利要求1所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统，其特征在于，调整好两块试件之间的距离，使得完好试件(11)、红外热像仪(6)、缺陷试件(12)所形成夹角的半角角度α＜20°，红外热像仪(6)作为所述夹角的顶点，即，缺陷试件(12)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角为α，完好试件(11)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α。 3.如权利要求2所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统，其特征在于，14°＜α＜16°。 4.如权利要求3所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统，其特征在于，α＝14.6°。 5.如权利要求1至4的任何一项所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的工作过程，其特征在于： (1)按照权利要求1所述方式摆放好所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统； (2)由激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)对红外热像仪(6)的采集参数进行设置，并设置激光激发和红外热像仪采集的开始时间和结束时间，调整好激光器和红外热像仪开始工作的时间差； (3)令红外热像仪(6)工作，此时激光器(2)不工作，红外热像仪(6)获得完好试件(11)、缺陷试件(12)的红外图像，该红外图像蕴含代表试件表面温度信息，该图像能够将环境影响的温度分布记录下来，作为后期减背景信息； (4)将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器(2)中，激光器(2)激发调制激光束(8)，调制激光束(8)到达与其成45°夹角放置的1∶1激光分束镜(3)，调制激光束(8)在激光分束镜(3)处被分成两束完全相同的子激光束，分别为反射子激光(9)和透射子激光(10)； (5)反射子激光(9)的传播方向与调制激光束(8)成90°夹角入射至第一扩束透镜(4)，反射子激光(9)在第一扩束透镜(4)处被放大成第一面激光，继而，第一面激光正对照射完好试件(11)表面，并对其加热； (6)同时，透射子激光(10)的传播方向与调制激光束(8)一致，入射至第二扩束透镜(5)后，在第二扩束透镜(5)处被扩束成第二面激光，继而，第二面激光正对照射缺陷试件(12)表面，并对其加热； (7)两块试件垂直放置，调整好两块试件之间的距离，使得完好试件(11)、红外热像仪(6)、缺陷试件(12)所形成夹角的半角角度α＜20°，红外热像仪(6)作为所述夹角的顶点，即，缺陷试件(12)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角为α，完好试件(11)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α； (8)红外热像仪(6)面对两块试件的被测面，记录试件表面温度变化并传输至图像采集与处理模块(7)，由其进行数据处理，图像采集与处理模块(7)利用所述减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响；并且其中第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)为规格严格相同的平凹透镜；反射子激光(9)从激光分束镜(3)到第一扩束透镜(4)的路程等于透射子激光(10)从激光分束镜(3)到第二扩束透镜(5)的路程；并且，第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)分别到完好试件(11)和缺陷试件(12)的距离相等；通过调整扩束透镜到试件之间的距离调整试件加热面积的大小，从而控制检测区域的面积。 6.如权利要求1至4的任何一项所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)的参数进行调制，设置激光器(2)延迟激发的时间以及红外热像仪开始记录和结束时间，令红外热像仪(6)先工作，此时激光器(2)不工作，红外热像仪(6)获得完好试件(11)、缺陷试件(12)的红外图像，该图像蕴含代表试件表面温度信息，该图像能够将环境影响的温度分布记录下来，作为后期减背景信息，利用该减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响；步骤2：激光器(2)发出一束直径为d′的调制激光束(8)，入射至与激光器(2)成45°夹角放置的1∶1激光分束镜(3)；入射的调制激光束(8)经过激光分束镜(3)，被分成两束完全一致的子激光束，即反射子激光(9)和透射子激光(10)，其光束截面大小和形状以及截面上的能量分布都完全相同；反射子激光(9)与入射调制激光8成90°角度入射至第一扩束透镜(4)，透射子激光(10)与入射调制激光束(8)的方向一致，入射至第二扩束透镜(5)；其中，反射子激光(9)从激光分束镜(3)到第一扩束透镜(4)的路程等于透射子激光(10)从激光分束镜(3)到第二扩束透镜(5)的路程；步骤3：反射子激光(9)经过第一扩束透镜(4)后，以圆锥状光锥正对照射完好试件(11)表面；透射子激光(10)经过第二扩束透镜(5)后，同样，以光锥状光锥正对照射缺陷试件(12)表面；第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)为规格严格一致的平凹透镜，其焦距均为F，两个扩束透镜距离两个试件的距离一致且均为d，则两束子激光经过扩束之后，在试件表面均形成直径D′＝d′(F+d)/F的激光光斑，激光光斑的大小通过调整扩束透镜与试件之间的距离d来控制；步骤4：红外热像仪(6)将记录的试件表面温度分布信息传输至到图像采集与处理模块(7)，一方面，两束子激光具有相同的能量分布和性质；另一方面，缺陷试件在加热过程中由于缺陷的存在，将在其表面产生与完好试件不一致的温度分布，高精度的红外热像仪记录下两块试件表面温度变化，并将其传至图像采集与处理模块(7)中；图像采集与处理模块(7)提取试件的温度分布信息进行处理，从温度差值异常处提取试件缺陷信息。 7.权利要求6所述的检测方法，其特征在于，从温度差值异常处提取试件缺陷信息的具体处理方法为： Step1：将步骤4记录的两块试件表面温度信息分别减去相应的加热前记录的后期减背景信息，得到减背景温度分布热像序列，这样做的目的是减小环境噪声对试件表面温度信息的影响； Step2：将缺陷试件的减背景温度分布热像序列减去对应的完好试件减背景温度分布热像序列，获得缺陷温差分布，由此分布可以看出试件内部缺陷信息；通过该步骤，可以减小环境噪声对试件表面温度的影响和消除激光能量分布不均匀对检测结果的影响，提高激光红外检测技术对试件内部缺陷的检测精度。
所属类别：	发明专利